单片机抗干扰技术开关量输入输出通道隔离
开关量输入输出的隔离技术
要求输入模拟量在整个模数转换过程中被“冻结”起来，
保持不变。但在转换之后，又要求A/D转换器的输入端能跟
踪输入模拟量的变化，能完成上述任务的器件叫采样/保持
电路，简称采/保(S/H)。
最基本的采/保电 路由模拟开关，保持 电容和缓冲放大器组 成
输出电压5V/3.3V/3V
低电池电压检 测输入
低电池电压检 测输出
图4.9 MAX639/MAX640/MAX653的电路连接
16
适于A/D转换器或模拟放大器使用的，通常是双电源输出型。MAX743可提 供±12V或±15V的对称电压，MAX743的最大电流可达±100mA，
图中两个电感100μH、两个电解电容100μF和两个肖特基二极管1N5817
隔离电压高达2000V
共模抑制比(放大器输出功率与输入功率比值的对数，用以表示功率放 大的程度。亦指电压或电流的放大倍数,通常以分贝(dB)数来规定。)高130db， 信号最高频率5KHZ
供电电压15V，可提供±7.5V电源(0.4mA/2mA) （2）MAX210(三端口宽频带隔离放大器 )——3端口，变压器耦合
高频逻辑门专用隔离电路
简单化是逻辑电路
在6N136的基础上，将输出电路做成与TTL兼 容的标准逻辑电路，这就是6N137 ，6N137典 型应用
29
同相输入
30
反相输入
31
应用举例AD210的16、17两引脚连接在一起，可实现信号跟踪
功能。18、19两引脚之间通过电阻Ra接信号源Vs，18脚和Vs共地。 脚1和脚2为输出引脚，Rb为输出负载电阻(使用时可选Ra=Rb=1 kΩ)。 该电路可实现1:1的隔离传输功能。
如何提高MCU抗干扰能力？
1 前言随着单片机的发展，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。
2 干扰对单片机应用系统的影响2.1 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。
2.2 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。
2.3 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。
2.4 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。
3 如何提高设备的抗干扰能力3.1 解决来自电源端的干扰单片机系统中的各个单元都需要使用直流电源，而直流电源一般是市电电网的交流电经过变压、整流、滤波、稳压后产生的，因此电源上的各种干扰便会引入系统。
除此之外，由于交流电源共用，各电子设备之间通过电源也会产生相互干扰，因此抑制电源干扰尤其重要。
电源干扰主要有以下几类：电源线中的高频干扰（传导骚扰）：供电电力线相当于一个接收天线，能把雷电、电弧、广播电台等辐射的高频干扰信号通过电源变压器初级耦合到次级，形成对单片机系统的干扰；解决这种干扰，一般通过接口防护；在接口增加滤波器、或者使用隔离电源模块解决。
单片机应用系统软件抗干扰技术
目
Ａ Ｉ 蒸 汽 流 量 Ｉ一 Ａ 比一 给 水 流 量 Ｐ 一 汽 包水 位 ｖ
图 ３ 锅 炉 汽 包 水位 三冲 量 控 制模 块 图 连接 圈
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单片机应 用 系统软件抗 干扰技术
赵 晓 莉
（ 北 区职３ 大学 ， 河 － － 天津 ３０ ５ ） ０ １０
摘要 ：阐述 了工业现场环境 中干扰 的特点 ，井详细介绍 了单 片机 应用系统软件抗干扰技
业现场中各类电器设备相配合。由于工业现场各种 动力设备不断地起停运行 ， 使得现场环境恶劣， 存在 许多干扰源 ： 系统本身噪声干扰 、 电磁干扰 、 过压干 扰及环境 干扰 。大量 的干 扰源虽不 能 造成硬 件系统 的损坏 ， 但常使整个系统不能正常运行 ， 致使控制失 灵， 甚至造成重大事故 。因此， 整个系统 的结构和每
２ 干扰途 径
不论是外部或是系统本身 的耦合干扰 ，都可导致 应用系统软件 的周期性 、 相关 性、 实时 性受到破坏 ， 程 序无法正常运行 ， 导致系统失控 ， 主要表现为 ： （） １设计的应用系统在现场使用 中程序计数器 Ｐ ｃ 值发生变化 ， 干扰后数 据是 随机 的 ， Ｐ 在 Ｃ值 的错误引 导下 ， 程序执行一 系列毫无意义的指令 ， 产生预料 以外 的误动作 ， 甚至步入死循环 ， 使系统失控 。 （） ２改变数据 、 标志位 、 输入／ 出口。干扰侵入系 输 统 的前 向通道 ，叠加在信号上 ，导致数据采集误 差加 大，特别是当前 向通道的传感器接 口是小 电压信号输 入 时， 此现象更为严重 。 输入／ 出接 口状态受到干扰 ， 输 造 成系统 资源被某 个任 务模块独 占 ，使 系统发生死 锁 当 Ｒ Ｍ数据 区受到干扰发生变化时 ， 的造成数 Ａ 有 据误差 ， 的使控制 失灵 ， 的改变 程序状 态 ， 有 有 有的改 变某些部件工作状态。
开关量输入╱输出电路
开关量输入/输出电路一、开关量的隔离与抗干扰1、开关量的隔离（1）隔离的作用隔离的主要作用是：使低压输入电路与大功率的电源隔离；外部现场器件与传输线同数字电路隔离，以免计算机受损；限制地回路电流与地线的错接而带来的干扰；多个输入电路之间的隔离。
（2）开关量的隔离方法常用的开关量的隔离方法主要有以下方式。
○1光电隔离。
（图3－28 光电耦合器原理接线图）○2继电器隔离。
（图3－29 采用继电器隔离的开关原理接线图）○3继电器和光电耦合器双重隔离。
2、抗干扰软件抗干扰措施主要是适当增加延时，以躲开触点抖动的影响。
二、开关量的采集、检测与变位识别1、开关量的采集方式（图3—30 中断申请电路图）当开关状态发生变化时，由于Q端仍保持原状态，D、Q异或的结果使输出由低电平跳变为高电平，通过非门变成低电平向CPU申请一次中断。
当CPU 响应中断以后，发出INTA信号使触发器触发。
D、Q状态趋于一致，异或门输出又成为低电平。
2、开关动作的检测把3次采样的开关量用A、B、C三个布尔数来表示，从中任取出两个进分“与”运算，如果其中有两个或两个以上为“1”，则运算结果必定有一个为“1”；反之，若有两个或两个以上为“0”，则运算结果必定全为“0”。
另外，再根据“或”运算的规则，在N个数中只要有一个是“1”，则运算结果必定是“1”；只有当N个数全为“0”时，结果才为“0”。
可以把三取二表决的算法用以下逻辑算式来处理（A·B）＋（B·C）＋（C·A）（3－15）3、开关变位的识别开关量的状态通常用一位二进制数来表示，例如用“1”代表闭合，用“0”代表断开。
变电所的开关量数目很多，为了简化分析，下面只对用一个字节的二进制数表示的8个开关状态进行分析，但所得到的结论具有普遍的意义。
○1现状○＋原状，若有变位则该位为1；若无变位，则该位为0。
○2（现状○＋原状）∧原状，若为1，则该位由1→0。
○3（现状○＋原状）∧现状，若为1，则该位由0→1。
单片机测控系统抗干扰能力分析
单片机测控系统的抗干扰能力分析摘要：由于工作环境的多样性，单片机测控系统在工作过程中所受干扰比较大。
为了减少这种影响，提出了抗干扰技术，它是一项系统性的工程，该系统开发的整个过程与环节都要进行抗干扰能力的设计。
本文分析了干扰的来源与形成以及其对单片机测控系统产生的不良影响，从硬件、软件两方面来讨论单片机的抗干扰能力，尽可能的提高整个单片机测控系统的稳定性与可靠性。
关键词：单片机；测控系统；抗干扰能力中图分类号：tp274 文献标识码：a文章编号：1007-9599 (2013) 05-0000-02随着单片微型计算机的应用越来越广泛，主要用于智能化仪表中，尤其是测量控制系统的微型计算机，它是一种新型的微电子设备，具有完善的智能化特性，因而在工业系统中高达90%采用的是单片机测控系统。
由于工业环境中到处都是强弱电设备，不仅有数字电路还有不同模拟电路形成一个强电与弱电数字与模拟共存的局面，同时工作环境电磁干扰强、环境恶劣，其工作性与可靠性都会收到极大的影响。
因此，有必要对单片机测控系统的抗干扰能力进行研究，提高其在电磁环境中的适应能力以及稳定性。
1干扰的来源及形成1.1干扰的来源。
（1）较恶劣的供电环境。
属于重工型企业的铝厂，设备多数是大功率、大感性负载，启动或停止它们都会造成电网电压的大幅度变化，出现欠压、过压的现象，甚至有时候是额定电压的10%，出现这种情况可能持续几分钟或更久。
另外，大功率开关的通断也会造成电网产生尖脉冲，当尖脉冲跟电网的正弦波两者相叠加的时候，其通过交流电源进入到计算机内，对计算机造成了极大的危害，通常情况下，使得计算机发生“飞程序”，出现鼠标乱跳、打印机误动作等故障，使得计算机系统半瘫痪。
（2）严重的噪声环境。
为了实现数据采集或实时控制，模拟量、开关量的输入/输出信号线和控制线长达十几米至几百米，从而对计算机系统的干扰无从避免。
在高压系统调试后，发现在足够大的干扰下，极大的影响了线路分布电容的参数，同时，它对微型计算机引入了够强的干扰，轻微情况只是程序发生错误，影响其正常工作，严重情况下可能导致程序被冲或微机芯片直接被损坏掉【1】。
开关量信号的输入输出
§4.2 开关量信号的输出
一、开关量信号输出的通 道结构 4、注意： P1口可直接输出（锁存 器和地址译码电路可省 略）最多8个开关量信号。 P0口经锁存电路隔离可 接多组8个开关量输出。 当驱动小负载时，输出 驱动电路可省略。
§4.2 开关量信号的输出
二、开关量输出接口的简单设计 1、P1口开关量的输出 练习：通过P1口直接控制8个LED发光二 极管，画出硬件电路图，并写出控制发光 二极管点亮的指令。
§4.2 开关量信号的输出
一、开关量信号输出的通道 结构 3、各部分作用 锁存器：当开关量信号从 P0口输出时，锁存器起到ห้องสมุดไป่ตู้隔离数据总线的作用。常 用锁存器如74LS373、 74LS273、74LS377等 地址译码控制：锁存器的 锁存地址控制 输出驱动电路：提高输出 开关量信号的输出功率。
三、开关量输出的功率接口电路设计
2、中功率达林顿管驱动接 口电路 在驱动功率较大的继电 器和电磁开关等控制对 象，要求提供50~500 mA的电流时，可使 用MC1413 （ULN2003）、 MC1416（ULN2004） 等达林顿管集成电路。
三、开关量输出的功率接口电路设计
2、中功率达林顿管驱动接口 电路 若图中继电器需要100mA 吸合电流，则（V+—0.3） /（r+R2）=I=100，其中r 是继电器的线圈内阻，当已 知V+时，可求R2 取 MC1413的放大倍数 β=100，P1.0输出电流 =100mA/β=1mA， 1*R1+0.7+0.7+100*R2 =5, 可求R1
§4.2 开关量信号的输出
三、开关量输出的功率接口电路设计 1、小功率驱动接口：
单片机应用系统的软件抗干扰技术
0 前言
随着单片机应用的普及 ， 采用单片机控制的产 品与设备 日 益增多， 而某些设备所在的工作环境往 往比较恶劣， 干扰十分严重。Ill因此， 为保证设备能 在实际应用中可靠工作， 必须要周密考虑和解决干 扰的问题。软件抗干扰是一种简便易行、 节约经济 的抗干扰方法[20 1
产生。在程序结构上 ， 可将输出过程安排在监控循
1 数字量输入输 出中的软件抗干
扰
1.1 数字量输入中的软件杭干扰 在单片机应用系统中， 数字量输人过程中的干 扰作用时间比较短 ， 一般可采取重复采样加数字滤 波的方法来解决这一问题。[]如果数字信号属于开 3 关量信号， 如限位开关、 按钮操作等， 则必须保证每 次采样结果绝对一致才行。 这时可编写一个采样子
单片机应用系统的软件抗干扰技术
UMP,JC 等， 在其前面插人两条 NOP 指令， 这样
很少用完全部空间， 对于这些非程序空间， 每隔一 段地址设置一个软件陷阱，系统就一定能捕捉到 即使失控程序“ 跑飞” 到操作数上， 由于空操作指令 跑飞” 的程序而自动人轨。 NOP 的存在， 也可避免后面的指令被当作操作数 “ 执行， 程序会 自 动纳人正轨。 2.2.3 表格区 表格一般分为数据表格和散转表格两种， 由于 采用指令冗余使“ 跑飞” 的程序恢复正常是有 表格的内容与检索值的一一对应关系， 在表格中安 条件的， 首先“ 跑飞” 的程序必须落在程序区， 其次 必须能够执行到所设置的指令冗余。 在一个程序中 排软件陷阱会破坏其连续性和对应关系， 因此只能 指令冗余不能使用过多， 否则会降低程序的执行效 在表格的最后安排陷阱。如果表格区较长， 安排在 最后的陷阱不能保证一定能捕捉到“ 跑飞” 的程序， 率。 有可能在中途程序再次“ 跑飞” 。 2.2 软件陷阱 2.2.4 程序运行区 如果“ 跑飞” 的程序落到非程序区(如 EPROM 程序区是由一系列的指令所构成的， 不能在这 中未用的空间或某些数据表格等) ，则指令冗余技 术就不能使“ 跑飞” 的程序恢复正常了， 这时可以采 些指令中间任意安排陷阱， 否则会影响程序的正常 用软件陷阱的抗干扰技术。 软件陷阱是一条引导指 运行。但一般程序常采用模块化设计， 然后按要求 一个模块地执行 ， 可以将陷阱指令组分 令，可以将捕获的程序强行引向一个指定的地址， 一个模块 、 该地址安排了一段专门的出错处理程序。 假设出错 散放置在用户程序各模块之间空余的单元里。 正常 运行时不执行这些陷阱指令 ， 而程序一旦“ 跑飞” 落 处理程序的人口地址为 ERR ，则下面三条指令即 人这些陷阱区， 由于陷阱指令组的存在 ， 可以马上 构成一个“ 软件陷阱” 。 N OP 将“ 跑飞” 程序 自动人轨。
单片机测控系统中的软件抗干扰技术
244 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering单片机技术• SCM Technology【关键词】单片机 抗干扰技术 数字滤波技术1 引言如图1所示，单片机测控系统是在程序化管理下形成的测控系统，它可以在工业生产过程中提高机械控制的效率。
但是，工业现场环境复杂，具有电磁功能的大量设备频繁启动、停止，产生的干扰影响了单片机系统的正常运行。
本文针对单片机测控系统中的抗干扰问题，单片机测控系统中的软件抗干扰技术文/陈欣从软件抗干扰技术方面进行了分析和研究，并提出了解决方案。
工业单片机测控系统的常见影响如下：1.1 干扰加大数据采集的误差测试系统通道的输入部分受到干扰信号的入侵，有用信号和外来干扰信号相互叠加，加剧了该通道数据采集的误差。
尤其在当前系统输入的是小电压信号时，数据干扰的现象更加严重。
1.2 干扰使数据发送变化单片机系统中的程序是存放在存储器EPROM 中，这些程序不易发生变化。
但是单片机系统的RAM 数据区是可以读写的，它可能会受到读入信息的干扰从而发生变化。
因为干扰渠道的区别，以及数据性质的区别，单片机系统受损害的情况也各不相同，可能造成控制失灵，也可能造成数值误差，更严重的会改变单片机系统某些部件（如串行口、定时器／计数器等）的运行状态等。
1.3 干扰使控制状态失灵在单片机系统中，控制状态依赖于特定条件的输入状况和处理结果，干扰的侵入会造成条件状态错误，引起虚假的信号，从而加大输出控制的误差，甚至控制失常。
1.4 干扰使程序运行失常单片机系统正常运行的前提是CPU 正常工作，如果干扰信号影响到了CPU ，则程序计数器不能正常运行，从而引起系统混乱、控制失灵，即通常说的程序“跑飞”。
现在使用的单片机抗干扰技术主要分为硬件与软件两类。
硬件抗干扰技术固然可以降低系统受干扰的程度，但是成本较高，灵活性不足，而且容易受电磁干扰。
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单片机抗干扰技术开关量输入输出
1
通道隔离
2. 开关量信号输入通道
针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同 的方法输入计算机进行处理。 • 一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口 输入； • 极限报警信号采用中断方式处理； • 数字脉冲信号可以使用系统的定时/计数器来测量 其脉冲宽度、周期或脉冲个数。
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
使用光电隔离器件的注意事项
要注意不要超过期间的极限参数。 以三极管输出隔离器件为例。 通过查询它的技术说明书，可以获得使用参数，主要 参数包括发光二极管侧的输入电流，反向电压等； 输出侧：C-E结电压、集电极最大电流 隔离电压 电流传输比等 例如以TLP521-1为例。 尽量在推荐条件下使用
为了可靠传送信息，一般在10mA左右比较合适。 当然，不同的器件可能会有差异，例如TLP521系列推 荐在16mA左右。
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
① 输入侧导通电流
要使光电隔离器件的导通，必须在其输入侧提供 足够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光 电隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流
对于电压输入，V1>某一值，为逻辑1 对于电流输入， I > 某一值，为逻辑1
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
V2 V1
电压输入电路
如果是电压输入，R1和R2电阻分压，使得V2符合TTL逻辑规范
V2 R2 V1 R1 R2
如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范
V2IR2
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
（2）安全保护措施
在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出 现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先 采取安全保护措施。
信号转换电路，虽然也考虑逻辑电平问题，但在 工业应用中，还可能出现意外的过电压（电流），瞬 间干扰等。
就是非工业控制应用也可能出现瞬间尖峰过电压 （过电流），例如雷电引起的等。
最大值 单位 Max 50 mA
V 85 ℃
最大值 Max 10
单位
mA V
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
使用注意事项主要有：
• 输入侧导通电流 • 频率特性 • 输出端工作电流 • 输出端暗电流 • 隔离电压 • 电源隔离
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通道隔离
（1）输入侧导通电流
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量 输入至计算机接口前，一般需要进行预处理，然后再 送至接口。
几种常用的预处理方法
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
图2.1 开关量输入通道的典型结构
单片机抗干扰技术开关量输入输出
4
通道隔离
开关量输入的常用预处理方法
注意：现场侧和CPU侧两边没有电的联系（独立的电源
和地线）
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
（4）光电耦合器件原理与使用
光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手 段，由于它价格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场 设备与计算机系统之间的隔离保护。
根据输出级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器 件可分为三极管型、可控硅型等几种，但其工作原理 都是采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。
即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场 引入意外的高压信号；
因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的 安全。
常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。
下图给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们
除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
CPU侧
现场侧
图2.7 开关量光电耦合输入电路 工业控制的现场开关，一般使用24VDC电源。
单片机抗干扰技术开关量输入输出
17抗干扰技术开关量输入输出
18
通道隔离
推荐的使用条件
二极管侧
参数
输入电流 反向电压 工作温度
输出侧
符号 最小值 min
IF
—
VR
TOPR
-25
参数
集电极电流 输出侧电压
符号
Ic VCEO
最小值 min —
典型值 Typ 16 5 —
典型值 Typ 1 55
使用光电隔离器件的注意事项 以三极管输出光电耦合器件为例。
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
图2.8 三极管输出型光电隔离器件原理
当输入侧流过一定的电流IF 时，发光二极管开始
发光，它触发光敏三极管使其导通；当撤去该电流时， 发光二极管熄灭、三极管截止。这样，就实现了以光 路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而 达到了隔离的目的。
因此还需要有安全保护电路。
常用的保护电路为：
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
输入保护电路
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
电平转换与保护电路组合使用的一个例子：
这时，我们可以把分压电阻去掉，用稳压二极管
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
（3）隔离处理
从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往 往高于计算机系统的逻辑电平；
1. 开关量输入信号的类型
开关量输入信号有以下基本类型
（1）一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机 的启动与停止、触点的接通与断开。
（2）成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码 开关组等。
（3） 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、 位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数 字脉冲信号，这些信号也可归结为开关量。
IF=10mA。
在使用中，可以根据应用情况适当调整。 一般使用，在5～15mA之间选择，最多情况选择10mA。
信号转换处理 安全保护措施 消除机械抖动影响 隔离处理 光电耦合器件原理与使用
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
（1）信号转换处理
从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上 表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是电 压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往不 符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转换 处理。
7
通道隔离
电流输入电路
如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范
V2IR2
单片机抗干扰技术开关量输入输出
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通道隔离
对于开关输入，S断开，V2=5V，为逻辑“1” S闭合，V2=0V，为逻辑“0”
V2
开关触点输入电路
R地阻值可在4.7KΩ～100KΩ之间选取
单片机抗干扰技术开关量输入输出