硬件电路设计

3．其他硬件抗干扰措施 （1）对信号整形 可采用斯密特电路整形。 （2）组件空闲输入端的处理 组件空闲输入端的处理方法如下图所示。其中，图（a） 所示的方法最简单，但增加了前级门的负担。图（b）所示的 方法适用于慢速、多干扰的场合。图（c）利用印刷电路板上 多余的反相器，让其输入端接地，使其输出去控制工作门不 用的输入端。
7.1
概述
由于单片机具有体积小、功耗低、功能强、可靠性高、
实时性强、简单易学、使用方便灵巧、易于维护和操作、性 能价格比高、易于推广应用、可实现网络通信等技术特点。 因此，单片机在自动化装臵、智能仪表、家用电器，乃至数
据采集、工业控制、计算机通信、汽车电子、机器人等领域 得到了日益广泛的应用。 单片机应用系统设计应当考虑其主要技术性能（速度 精 度 功耗 可靠性 驱动能力等），还应当考虑功能需求，应用需 求，开发条件，市场情况，可靠性需求，成本需求，尽量以 软件代替硬件等。下页图描述了单片机应用系统设计的一般 过程。
7.2.2
硬件设计
由总体设计所给出的硬件框图所规定的硬件功能，在确 定单片机类型的基础上进行硬件设计、实验。进行必要的工 艺结构设计，制作出印刷电路板，组装后即完成了硬件设计。 一个单片机应用系统的硬件设计包含系统扩展和系统的配臵 （按照系统功能要求配臵外围设备）两部分。 1．硬件电路设计的一般原则 （1）采用新技术，注意通用性，选择典型电路。 （2）向片上系统（SOC）方向发展。扩展接口尽可能采用 PSD等器件。 （3）注重标准化、模块化。 （4）满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进 行二次开发。 （5）工艺设计时要考虑安装、调试、维修的方便。
（1）从系统功能需求出发设计功能模块。包括显示器、键盘、数据采集、 检测、通信、控制、驱动、供电方式等 （2）从系统应用需求分配元器件资源。包括定时器/计数器、中断系统、 串行口、I/O接口、A/D、D/A、信号调理、时钟发生器等。 （3）从开发条件与市场情况出发选择元器件。包括仿真器、编程器、元 器件、语言、程序设计的简易等。 （4）从系统可靠性需求确定系统设计工艺。包括去耦、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ隔、屏蔽、印 制板、低功耗、散热、传输距离/速度、节电方式、掉电保护、软件措施等。
3．程序设计
（1）建立数学模型：描述出各输入变量和各输出变量之间 的数学关系。
（2）绘制程序流程图：以简明直观的方式对任务进行描述。 （3）程序的编制：选择语数据结构、控制算法、存储空间 分配，系统硬件资源的合理分配与使用，子程序的入/出口参 数的设臵与传递。 4．软件装配
各程序模块编辑之后，需进行汇编或编译、调试，当满足 设计要求后，将各程序模块按照软件结构设计的要求连接起来， 即为软件装配。在软件装配时，应注意软件接口。
4．软件的抗干扰设计
常用的软件抗干扰技术有软件陷阱、时间冗余、指令冗余、 空间冗余、容错技术、设臵特征标志和软件数字滤波等
（1）实时数据采集系统的软件抗干扰
采用软件数字滤波。常用的方法有以下几种：
① 算术平均值法：对一点数据连续采样多次（可取3～5次）， 以平均值作为该点的采样结果。这种方法可以减少系统的随机 干扰对采集结果的影响。 ② 比较舍取法：对每个采样点连续采样几次，根据所采样数 据的变化规律，确定取舍办法来剔除偏差数据。例如，“采三 取二”，即对每个采样点连续采样三次，取两次相同数据作为 采样结果。 ③ 中值法：对一个采样点连续采集多个信号，并对这些采样 值进行比较，取中值作为该点的采样结果。
7.2.4
可靠性设计
可靠性：通常是指在规定的条件（环境条件如温度、湿度、 振动，供电条件等）下，在规定的时间内（平均无故障时间） 完成规定功能的能力。 提高单片机本身的可靠性措施：降低外时钟频率，采用时钟
监测电路与看门狗技术、低电压复位、EFT抗干扰技术、指
令设计上的软件抗干扰等几方面。 单片机应用系统的主要干扰渠道：空间干扰、过程通道干扰、 供电系统干扰。应用于工业生产过程中的单片机应用系统中， 应重点防止供电系统与过程通道的干扰。
（2）开关量控制系统的软件抗干扰
可采取软件冗余、设臵当前输出状态寄存单元、设臵自检程 序等软件抗干扰措施。
5．程序运行失常的软件对策 程序运行失常：当系统受到干扰侵害，致使程序计数器PC值 改变，造成程序的无序运行，甚至进入死循环。 程序运行失常的软件对策：发现失常状态后，及时引导系统 恢复原始状态。可采用以下方法： （1）程序监视定时器（Watchdag，WDT）技术 程序监视定时器（也称为“看门狗” ）的作用：通过不断监 视程序每周期的运行事件是否超过正常状态下所需要的时间， 从而判断程序是否进入了“死循环”，并对进入“死循环” 的程序作出系统复位处理。 “看门狗”技术：可由硬件、软件或软硬结合实现。 ① 硬件“看门狗”可以很好地解决主程序陷入死循环的 故障，但是，严重的干扰有时会出现中断关闭故障使系统无 法定时“喂狗”，无法探测到这种故障，硬件“看门狗”电 路失效。
（5）人机界面的设计：键盘、开关、拨码盘、启/停操作、 复位、显示器、打印、指示、报警、扩展接口等。 （6）通信电路的设计：根据需要选择RS-232C、RS-485、 红外收发等通信标准。 （7）印刷电路板的设计与制作：专业设计软件（ Protel， OrCAD等）、设计、专业化制作厂家、安装元件、调试等。
1．供电系统干扰与抑制 干扰源：电源及输电线路的内阻、分布电容和电感等。 抗干扰措施：采用交流稳压器、电源低通滤波器、带屏蔽层 的隔离变压器、独立的（或专业的）直流稳压模块，交流引 线应尽量短，主要集成芯片的电源采用去耦电路，增大输入/ 输出滤波电容等措施 。 2．过程通道的干扰与抑制 干扰源：长线传输。单片机应用系统中，从现场信号输出的 开关信号或从传感器输出的微弱模拟信号，经传输线送入单 片机，信号在传输线上传输时，会产生延时、畸变、衰减及 通道干扰。 抗干扰措施： （1）采用隔离技术：光电隔离、变压器隔离、继电器隔离 和布线隔离等。典型的信号隔离是光电隔离。其优点是能有 效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信 噪比大大提高。
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（2）外围器件的选择 外围器件应符合系统的精度、速度和可靠性、功耗、抗干 扰等方面的要求。应考虑功耗、电压、温度、价格、封装形式 等其他方面的指标，应尽可能选择标准化、模块化、功能强、 集成度高的典型电路。 3．总体设计 总体设计就是根据设计任务、指标要求和给定条件，设计出 符合现场条件的软、硬件方案。并进行方案优化。应划分硬件、 软件任务，画出系统结构框图。要合理分配系统内部的硬件、 软件资源。包括以下几个方面：
④ 一阶递推数字滤波法：利用软件完成RC低通滤波器的算法。 其公式为：Yn=QXn+（1－Q）Yn－1 其中：Q ——数字滤波器时间常数； Xn——第n次采样时的滤波器的输入； Yn－1——第n－1次采样时的滤波器的输出。 Yn——第n次采样时的滤波器的输出。 注意：选取何种方法必须根据信号的变化规律予以确定。
（2）采用屏蔽措施：金属盒罩、金属网状屏蔽线。但金属屏 蔽本身必须接真正的地（保护地）。 （3）采用双绞线传输：双绞线能使各个小环路的电磁感应干 抗相互抵消。其特点是波阻抗高、抗共模噪声能力强，但频带 较差。 （4）采用长线传输的阻抗匹配：有四种形式，如下图所示。
① 终端并联阻抗匹配：如上页图（a）所示， RP= R1//R2 ，其 特点是终端阻值低，降低了高电平的抗干扰能力。 ② 始端串联匹配：如上页图（b）所示，匹配电阻R的取值为 RP与A门输出低电平的输出阻抗ROUT（约20）之差值，其特点 是终端的低电平抬高，降低了低电平的抗干扰能力。 ③ 终端并联隔直流匹配：如图上页（c）所示，R=Rp，其特点 是增加了对高电平的抗干扰能力。 ④ 终端接钳位二极管匹配：如图上页（d）所示，利用二极管 D把B门输入端低电平钳位在0.3V以下。其特点是减少波的反射 和振荡，提高动态抗干扰能力。 注意：长线传输时，用电流传输代替电压传输，可获得较好的 抗干扰能力。
（3）机械触点，接触器、可控硅的噪声抑制 ① 开关、按钮、继电器触点等在操作时应采取去抖处理。 ② 在输入/输出通道中使用接触器、继电器时，应在线圈两 端并接噪声抑制器，继电器线圈处要加装放电二极管。 ③ 可控硅两端并接RC抑制电路，可减小可控硅产生的噪声。 （4）印刷电路板（PCB）设计中的抗干扰问题 合理选择PCB板的层数，大小要适中，布局、分区应合理， 把相互有关的元件尽量放得靠近一些。印刷导线的布设应尽量 短而宽，尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。导线的布 局应当是均匀的、分开的平行直线，以得到一条具有均匀波阻 抗的传输通路。应尽可能地减少过孔的数量。在PCB板的各个 关键部位应配臵去耦电容。要将强、弱电路严格分开，尽量不 要把它们设计在一块印刷电路板上。电源线的走向应尽量与数 据传递方向一致，电源线、地线应尽量加粗，以减小阻抗。
（8）负载容限：总线驱动。 （9）信号逻辑电平兼容性：电 平兼容和转换。 （10）电源系统的配臵：电源 的组数、输出功率、抗干扰。 （11）抗干扰的实施：芯片、 器件选择、去耦滤波、印刷电路 板布线、通道隔离等。
7.2.3
软件设计
软件设计流程图如右图所示。 可分为以下几个方面。
1．总体规划 结合硬件结构，明确软件任务，确定具体实施的方法，合 理分配资源。定义输入/输出、确定信息交换的方式（数据速率、 数据格式、校验方法、状态信号等）、时间要求，检查与纠正 错误。 2．程序设计技术 软件结构实现结构化，各功能程序实行模块化、子程序化。 一般有以下两种设计方法： （1）模块程序设计：优点是单个功能明确的程序模块的设计 和调试比较方便，容易完成，一个模块可以为多个程序所共享。 其缺点是各个模块的连接有时有一定难度。 （2）自顶向下的程序设计：优点是比较符合于人们的日常思 维，设计、调试和连接同时按一个线索进行，程序错误可以较 早的发现。缺点是上一级的程序错误将对整个程序产生影响， 一处修改可能引起对整个程序的全面修改。
（5）地线设计 地线结构大致有保护地、系统地、机壳地（屏蔽地）、 数字地、模拟地等。