单片机抗干扰的技术(3)接地
单片机测控系统的抗干扰技术
目 的是从电路上把干扰源和容易被干扰的部分隔离开来。
常用 的隔离方式包括光 电隔离 、 器隔离 、 变压 继电器 隔离 等 ，
顶板 离层及支护状况 的装置 。该顶 板监 测仪采 用微 电子控
另外在布线上也应该注意隔离。ＹＤ —１７ Ｊ １ ２Ｖ数字化顶板 监测仪中我们运用布线隔离等技术， 将微弱信号处理电路与 易产生噪声污染的电路分开设计， 实践证明运行效果良 好。
４ ４ 软件设计的抗 干扰 措施 ．
制技术 ， 用高精度的位移传感器采集巷道顶板的下沉量 ， 主 要由隔爆兼本安型电源、 信号处理单元、 模拟转换单元、 逻辑 分析单元和显示单元组成均运用了先进的集成处理芯片， 对 稳定性要求较高， 工作原理如图 ｌ Ｊ １ ２Ｖ数字化顶 。Ｙ Ｄ —１７ 板监测仪随着掘进机的掘进安装在刚掘好的顶板上 ， 掘进
微机系统中， 由于Ｒ Ｍ存储器是可以读 的， Ａ 因此在
干扰的侵害下，Ａ 中的数据有可能被窜改。这样会导致 ＲＭ
某些元器件的工作状态和程序状态 的改变 。 收稿 日 ：０５ ２ ８ 作者 期 ２０ —１ —１ 申永明 男 ４ 岁 ｌ 工程师
机性， 采用硬件措施只能抑制某个频率段的干扰 ， 仍有一些 干扰会浸入系统。因此， 不但要求硬件有高性能的抗干扰能
成严 重的后果 主要表现在下列几方面 ：
１１ 数据采集误差大 ．
主要是指电动机启动电流以及晶闸管交流器等设备产
生涌流引起的噪声 。 这些干扰对微机测控 系统的稳定性有严重的影响 ， 是需 要解决的主要问题 。
当干扰侵入微机系统测量单元模拟信号的输入通道时，
它叠加在有用 的信 号上 ， 数据采集 误差加 大 ， 会使 特别 是 当
单片机应用系统抗干扰技术的探讨
性 和 可 靠 性
数干扰 ，ＣＰ Ｕ 将疲于奔命 ，严重影 响系统的工作效率和实时性 。因此 ，一 个成功的抗干扰 系统足由硬件和软件相
结 合构 成 的 。
（） １： 于扰的加入使输 出误差加大 ，
能误 读 写 ，使 程序 计 算 出 错误 的 结 响外部 ，同时外部的 电力线也不会穿透
针 对 以 上 出现 的 问 题 ， 本 文 从 硬
干扰的传输 途径，起电场 隔离的作用。
是 产 生 干扰 的重 要 原 因 ，各类 传 感 件和软件方而来探讨提高单片机系统抗 磁路 屏蔽 则采 用高导 磁性 材料 并以封 闭
（） 格 。 ３表 软件 陷阱一 般 １ 宅间 有 ２ ３ Ｋ 个
掉 电信号 由硬件 电路检测到 ，加
到 单片机 的外部 中断输 入端 ，软件中 Ｉ 可 以 有 效 拦 截 。 就 ４ ．４ “ 门狗 ” 技术 看 指令冗余技 术、软件陷阱技术不能 使失控 的程序摆脱 “ 死循环”的困境 ，
器，输入输 出线路 的绝缘损坏均有 可 干 扰 能 力的 方 法 。硬 件 如 果 殴计 得 式结构为妥。
能 引入干 扰 。干 扰产生 的后果 ： 当 ，可将绝大部分干扰拒 之门外 ，但 ３ ．４ 良好的接地 片机系统的抗干扰 与系统的接地
２． 数据采集误 差的加大。当干 仍然会有少数 干扰 ，所 以软件措施必 １ 扰侵入单片机系统的前向通道叠加在信
可能发生改变 ；虽然 ＲＯ 能避免干扰 滤波 技 术 。 Ｍ
２干扰的来源和后果
破坏 ，但单片机片内 ＲＡ 以及片内各 Ｍ
３ ．３ 抑制电磁场干扰
电路中常见的几种单片机抗干扰技术
电路中常见的几种单片机抗干扰技术对于提高单片机系统设计，提高系统的可靠性显得尤为重要。
对单片机系统而言，干扰因素有两种，一是来源于系统外部环境和其它电气设备产生的干扰，通过传导和辐射等途径影响单片机系统正常工作;二是来源于系统内部，由系统结构、制造工艺等决定以及内部元器件在工作时产生干扰，通过地址、电源线、信号线、分布电容等传输，影响开关电源模块系统工作状态。
一. 什么是干扰源？干扰源是指产生干扰的元件、设备或信号。
产生的干扰包括：(1)电磁干扰，如继电器开关启动、静电放电、电网电压波动等都可能引起不同程度的瞬变浪涌电压，会造成IC和半导体器件PN结烧毁、氧化层击穿等。
(2)人为干扰，如机械振动、继电器触点抖动、元器件安装和电路板布线引起的电磁耦合、接插件接触不良、虚焊、放大器自激、电源纹波等。
(3)环境因素干扰，如噪声和环境温湿度、以及太阳黑子的变化，空间粒子辐射等。
每一个设备干扰造成的误操作，可能运行千次才出现一次，甚至是上万，百万才出现一次。
时间上是一天，一个月，甚至是一年很多年。
但是干扰出现所造成的严重后果，是我们无法想象到的。
在这里我先引用一个小插曲：原来我在镇江做焊机的时候，老是出现焊机在上电瞬间有信号输出，出现的频率很高，最严重的一次是差点将一个客户员工的手指压到。
后来我想了个方法就是是在信号输出的I/O口上加上一个50k的上拉电阻，发现问题还是有，但是出现的频率降下来了，后来又改用15k的电阻，就彻底地把那个问题给解决了。
干扰信号源也遵循欧姆定律，越存在干扰的场合，跟测试使用的上拉电阻也有联系。
想知道他是怎么解决的，可以看下下面的文章：[话题] 【MCU每周论点】如何提高单片机的抗干扰能力? 亲你懂吗?二. 干扰源产生的原因是什么？下面回到正题，单片机干扰的原因还包括传播途径、敏感器件的使用，也会使单片机受到干扰。
干扰对单片机系统的影响主要通过三种途径传输，包括：(1)输入系统。
如何解决单片机的抗干扰问题
如何解决单片机的抗干扰问题随着单片机的发展，单片机在家用电器、工业自动化、生产过程控制、智能仪器仪表等领域的应用越来越广泛。
然而处于同一电力系统中的各种电气设备通过电或磁的联系彼此紧密相连，相互影响，由于运行方式的改变，故障，开关操作等引起的电磁振荡会波及很多电气设备。
这对我们单片机系统的可靠性与安全性构成了极大的威胁。
单片机测控系统必须长期稳定、可靠运行，否则将导致控制误差加大，严重时会使系统失灵，甚至造成巨大损失。
因此单片机的抗干扰问题已经成为不容忽视的问题。
1 干扰对单片机应用系统的影响1.1测量数据误差加大干扰侵入单片机系统测量单元模拟信号的输入通道，叠加在测量信号上，会使数据采集误差加大。
特别是检测一些微弱信号，干扰信号甚至淹没测量信号。
1.2 控制系统失灵单片机输出的控制信号通常依赖于某些条件的状态输入信号和对这些信号的逻辑处理结果。
若这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信息，将导致输出控制误差加大，甚至控制失灵。
1.3 影响单片机RAM存储器和E2PROM等在单片机系统中，程序及表格、数据存在程序存储器EPROM或FLASH中，避免了这些数据受干扰破坏。
但是，对于片内RAM、外扩RAM、E2PROM 中的数据都有可能受到外界干扰而变化。
1.4 程序运行失常外界的干扰有时导致机器频繁复位而影响程序的正常运行。
若外界干扰导致单片机程序计数器PC值的改变，则破坏了程序的正常运行。
由于受干扰后的PC 值是随机的，程序将执行一系列毫无意义的指令，最后进入“死循环”，这将使输出严重混乱或死机。
2 如何提高我们设备的抗干扰能力2.1 解决来自电源端的干扰。
解决单片机EMC问题的8个方法
解决单片机EMC问题的8个方法本文中所提到的对电磁干扰的设计我们主要从硬件和软件方面进行设计处理，下面就是从单片机的PCB设计到软件处理方面来介绍对电磁兼容性的处理。
一、影响EMC的因数1、电压：电源电压越高，意味着电压振幅越大，发射就更多，而低电源电压影响敏感度。
2、频率：高频产生更多的发射，周期性信号产生更多的发射。
在高频单片机系统中，当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中，当负载电流变化时产生电流尖峰信号。
3、接地：在所有EMC题目中，主要题目是不适当的接地引起的。
有三种信号接地方法：单点、多点和混合。
在频率低于1MHz时，可采用单点接地方法，但不适宜高频;在高频应用中，最好采用多点接地。
混合接地是低频用单点接地，而高频用多点接地的方法。
地线布局是关键，高频数字电路和低电平模拟电路的接地电路尽不能混合。
4、PCB设计：适当的印刷电路板（PCB）布线对防止EMI是至关重要的。
5、电源往耦：当器件开关时，在电源线上会产生瞬态电流，必须衰减和滤掉这些瞬态电流。
来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹发射电压，高di/dt产生大范围的高频电流，激励部件和线缆辐射。
流经导线的电流变化和电感会导致压降，减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。
二、对干扰措施的硬件处理方法1、印刷线路板（PCB）的电磁兼容性设计PCB是单片机系统中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电气连接。
随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。
PCB设计的好坏对单片机系统的电磁兼容性影响很大，实践证实，即使电路原理图设计正确，印刷电路板设计不当，也会对单片机系统的可靠性产生不利影响。
例如，假如印刷电路板的两条细平行线靠的很近，会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。
因此，在设计印刷电路板的时候，应留意采用正确的方法，遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰的设计要求。
要使电。
单片机应用系统的抗干扰技术设计
第五章单片机应用系统的抗干扰技术设计§5．1 干扰源我们要进行抗干扰措施，首先就得仔细研究干扰产生的原因、途径，掌握或了解其规律后，才能有针对性地提出各种抗干 / 扰的理论和措施。
5.1.1干扰与噪声的区别(1) 噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。
干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入应用系统并影响其正常工作时才形成干扰。
(2) 干扰在满足一定条件时，可以消除；噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。
5.1.2分类根据产生干扰的物理原因，干扰可以分为如下几种类型：机械干扰、热干扰、光干扰、湿度干扰、化学干扰、电和磁的干扰、射线辐射干扰。
其中，电和磁的干扰是最为普遍和严重的干扰，下面对电磁干扰作重点论述。
电磁干扰的分类：(1) 从噪声产生的来源分类可以分为：○1固有噪声源固有噪声是指器件内部物理性的无规则波动所形成的噪声。
○2人为噪声源人为噪声源主要是各种电气设备所产生的噪声，主要有以下几种：1. 工频噪声，大功率输电线是典型的工频噪声源。
低电平的信号线只要有一段长度与输电线平行，就会受到明显的干扰；即使一般室内的交流电源线，对输入阻抗低和灵敏度高的传感器来说也会是很大的干扰源。
在传感器的内部，由于工频感应也会产生交流噪声，它所形成的干扰也不可忽视。
2. 射频噪声，高频感应加热、高频焊接等工业电子设备以及广播、电视、雷达及通信设备等通过辐射或通过电源线会给附近的传感器系统带来干扰。
3. 电子开关，由于电子通断的速度极快，使电路中的电压和电流发生急剧的变化，形成冲击脉冲，从而成为噪声干扰源。
○3自然噪声源和放电噪声自然噪声主要指天电形成的放电现象。
放电现象的起因不仅是天电，还有各种电气设备所造成的，主要有：电晕放电、火花放电、放电管放电等。
(2) 从干扰的出现区域来分可分为内部干扰和外部干扰。
(3) 从干扰对电路作用的形成分类○1差模干扰也称为串联干扰，差模干扰进入电路后，使传感器系统 / 的一个信号输入端子相对于另一个信号输入端子的电位发生变化，即干扰信号与有用信号按电势源串联起来作用于输入端。
电力调度自动化系统中的单片机抗干扰技术
相连， 是引用干扰的直接途经， 1 0 口 因此 / 抗 干扰能力很大程度上决定了单片机的抗干扰
能力。
术也在不断发展之中。
2 . 3 . 3 接地技术
环路， 干扰更敏感。而在高频电路中， 对于 寄 生电容和电感影响较大， 宜采用多点接地。通
常频率小于 IMHz 时 ， 采用 一 点接地 ， 频率高
于1 M玉 时采用多点接地。其次， 0 2 1 数字地和 模拟地必须分开， 即使是对干A/ D、 八转 D/
换器同一个芯片上的两种接地也最好分开 ， 仪 在系统一点上把两种接地连接起来。第二， 交 流地和信号地不要共用在电源地线的两 饭 之
并接大地。
在单 .片机控制系统中， 接地是抑制 干 扰的
重要内容。在设计时若能将接地和屏蔽正确 地结合在一起， 可以解决大部分 卜 扰引起的故 障。接地包括两部分的内容: 一是接地点是否 正确; 二是接地点是否牢固。接地点选择正确 可以防止系统各部分的串 接地点牢固可使 扰， 接地点处千零阻抗， 降低接地电位， j 接地 防l : 系统的共模干扰。单片机控制系统中， 接地系 统的设计应注意以下儿点: 首先， 在低频电路 中， 布线和元件之间的电感不会产生太大的影 响， 常采用一 点接地， 若采用多点接地， 形成地
抗+ 扰技术作了比Fra bibliotek细致的探讨。 关键词 单片机 电力调度 抗 干 扰技术
中图分类号:TP 39
文献标识码: A
文章编号: 1672 一 3791(2007)11(b卜0077 02
单片机抗干扰技术开关量输入输出通道隔离
周围空间中的电磁场对信号线 的电磁感应干扰。
接地系统干扰
由于接地不良或地线配置不当 导致的地线噪声干扰。
信号传输线干扰
信号传输线上的外部干扰信号 通过电感和电容耦合引入。
开关量输入通道隔离技术
01
光耦隔离
利用光耦器件将输入和输出电路隔 离，以减小干扰信号的影响。
变压器隔离
利用变压器原理实现输入和输出电 路的隔离，降低共模干扰。
单片机在工作过程中，其电路板 和元件会受到周围空间电磁辐射 的影响，导致信号失真和噪声干 扰。
接地系统干扰
接地系统不良或不合理，会导致 信号接地电位不均，产生电位差， 从而引入干扰信号。
开关量输出通道隔离技术
光耦隔离
光耦隔离是利用光耦合器的工作原理，将单片机开关量输出信号通过光耦隔离器进行隔离，以减小外界干扰对输出信 号的影响。
03
02
继电器隔离
通过继电器触点实现输入信号的电 气隔离，提高抗干扰能力。
运算放大器隔离
通过运算放大器将输入信号进行放 大和隔离，提高信号质量。
04
开关量输入通道隔离的实现方法
选择合适的隔离器件
根据应用需求选择适合的光耦、继电器、变 压器或运算放大器等器件。
正确连接隔离器件
按照隔离器件的连接方式，正确接入输入和 输出电路。
单片机抗干扰技术开关量输入输出 通道隔离
contents
目录
• 单片机抗干扰技术概述 • 单片机开关量输入通道隔离 • 单片机开关量输出通道隔离 • 单片机抗干扰技术的实际应用
01 单片机抗干扰技术概述
干扰的定义与影响
定义
干扰是指对系统正常信号的扰动 或破坏，导致信号失真、畸变或 阻塞。
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+V +5V 3
C1 1 00 UF
C2
在电源的 该位置连 接
V2 1 IC2 7 80 5 Vin
GND
2
C3 C4 1 0U/1 6V 0 . 1
VCC +5V 3
C5 1 00 UF
C6
2
C7 C8 1 0U/1 6V 0 . 1
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增加磁珠，可防止两边的噪声相互干扰。
AGND GND
磁珠相当于一个带阻滤波器，对某个频带的噪音具有很强的抑 制作用，对直流几乎没有阻碍作用，相当于直流是连接在一起 的——电位基准在一起，但可以隔离两边的噪音。
10.5 电源 前面已经讨论过电源。 各种电源抗干扰方法。
1. 电网干扰的滤除
（1）瞬态抑制二极管——TVS 与稳压二极管符号，在电路中的连接方法相同。
平时处于高祖状态；
在承受反向电压高于额定值——在10-12SEC内变为低阻，吸收 干扰能量，使电压维持在特定值。 （2）回避法——专线供电，避免供电网络的强干扰
13
在PCB设计中，有时在PCB的地线层分割出模拟地和数字地两 部分，这是设计PCB板时，要注意信号线不要跨过分割电源或 分割地线之间的间隙。
GND GND
磁珠
总电源进线
AGND
AGND
还可以不进行地线分割，整个地线层是一个整体。 这时注意模拟元件与数字元件的排列，数字地与模拟地接不同 的区域。
14
10.4 接地技术
1
10.4.1 计算机控制系统中的地线
一般会有如下几种 （1）模拟地。
模拟信号的零电位（基准）。
放大器、采样保持器、AD变换器的模拟输入信号端、DA转换 器的模拟输出信号端。 对于信号检测，信号小，模拟地线上的噪音直接影响测量精度， 甚至可能造成测量数据不可靠。
2
（2） 数字地 又叫逻辑地。 数字电路的零电位，它是逻辑电平的基准电位。 数字地噪音太大，可能造成逻辑错误。
（1）串联一点接地
电路1 I1 R1 R2 电路2 I2 R3 电路1 I3 R1
特点：所有电路将接地信号直接接待公共地线上。 优点：接地简单 缺点：接地线有接地电阻，电路间会产生相互干扰。
6
（2） 并联一点接地 特点：每个电路用一根专用接地导线，将地线引到一个总的接 地点——系统地。
电路1 R1 I1 R2 电路2 I2 R3 电路1 I3
数字逻辑门电路会在地线上产生比较大的噪音。
数字地应与模拟地分开。
3
（3） 交流地 交流电网的电源地线。 它是有较大噪音的，是噪音地。 （4）直流地 直流电源的地。
一般来说
用于模拟电路的直流电源的地——模拟地 用于数字逻辑电路的直流电源——逻辑地（数字地） 还有用于功率驱动电路的直流电源的地——这里主要是指该直 流电源的地。
10
～
～
但许多情况，数字地与模拟地又必须连接，这时应该如何处理？ 仅在一点处将他们连接——在各自的电源的地线。
A/D芯片 单片机
～
+ +V AGND AGND GND GND
～
D/A芯片
GND AGND
11
在AD或DA芯片的下方 或电源的总进线处一点连接
V1 1
IC1 7 80 5 Vin
GND
4
（5）安全地 目的是使设备机壳与大地等电位，以避免设备机壳带电影响人 体安全和设备安全。 安全地又叫做保护地或机壳地、屏蔽地。 这里的机壳包括 设备外壳、机架、 屏蔽壳（罩）等。
（6）系统地
以上几种地的最终回流点，直接与大地相连。
5
10.4.2 常用的接地方法 1. 一点接地 特点：所有电路的地线接到公共地线的同一点。
优点：电路互不影响 缺点：接地复杂。
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2. 多点接地 系统内各部分电路就近接地。 例如：
一个设备内的电路以机壳为参考点
不同设备有以地为参考点。 多层PCB设计时，每个IC的地通过过孔与PCB的地线层连接， 就属于多点接地。
8
3. 混合接地 单点接地与多点接地的混合。
电路1 电路2 电路1 I3
I1
15
2. 直流稳压电源 使用隔离变压器，削弱电网干扰引起直流电源的干扰 使用低通滤波器
使用交流稳压电源
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10.5.2 电源的异常保护 1. 带电保护——UPS 2. 备用供电系统
10.5.3 断电保护
1. 电源监控
2. UPS电源 3. 数据的保护与恢复
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I2
在一点接地的基础上，每个电路再通过一个电感、或电容进行 单点接地
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4 数字地与模拟地的连接技术 数字地、模拟地必须分别接地。 即使是同一个芯片——例如AD、DA芯片上的数字地、模拟地 也应该分别接地。 A/D芯片 单片机 + +V AGND AGND GND GND D/A芯片 GND AGND