单片机抗干扰技术开关量输入输出通道隔离
MCS-51单片机的软件抗干扰方法图解 - 单片机
MCS-51单片机的软件抗干扰方法图解 - 单片机在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到重视。
下面以MCS-51单片机系统为例，对微机系统软件抗干扰方法进行研究。
1、软件抗干扰方法的研究在工程实践中，软件抗干扰研究的内容主要是：一、消除模拟输入信号的噪声(如数字滤波技术);二、程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。
本文针对后者提出了几种有效的软件抗干扰方法。
(1) 指令冗余CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。
当PC受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。
若“飞”到了三字节指令，出错机率更大。
在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。
通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。
这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。
此外，对系统流向起重要作用的指令如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP，也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。
(2) 拦截技术所谓拦截，是指将乱飞的程序引向指定位置，再进行出错处理。
通常用软件陷阱来拦截乱飞的程序。
因此先要合理设计陷阱，其次要将陷阱安排在适当的位置。
软件陷阱的设计当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。
通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。
软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。
通常在EPROM中非程序区填入以下指令作为软件陷阱：NOPNOPLJMP 0000H其机器码为0000020000。
陷阱的安排通常在程序中未使用的EPROM空间填0000020000。
最后一条应填入020000，当乱飞程序落到此区，即可自动入轨。
在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。
浅述单片机应用系统的抗干扰设计
浅述单片机应用系统的抗干扰设计摘要单片机的应用越来越广泛，应用现场环境日益复杂。
在工业过程实时控制、数控机床、煤炭石油等领域的应用中，要求有高可靠的应用系统，单片机应用系统的可靠性愈来愈成为人们关注的一个重要课题。
而系统的抗干扰性能是单片机应用系统可靠性的重要指标，它的优劣在很大程度上决定了系统的可靠性。
关键词单片机；应用系统；抗干扰设计1 硬件抗干扰设计1.1 信号输入输出接口的抗干扰方法单片机应用系统的输入、输出通道中，存在定量的敏感期间，如AD、DA 变换器，数字IC，弱信号放大器等。
提高敏感期间的抗干扰性能是指从敏感期间这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常转台尽快恢复的方法。
提高敏感器件抗干扰性能的常用措施主要有：布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声；布线时，电源线和地线要尽量粗。
除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声；对于单片机闲置的IO口，不要悬空，要接地或接电源。
其他IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源；用地线把数字区和模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后接于电源地。
AD、DA芯片布线都应以此为原则。
1.2 CPU的抗干扰①抗干扰稳压电源。
设计时应将供电电源通过低通滤波器和隔离变压器接入电网。
低通滤波器可以吸收大部分电网中的“毛刺”。
隔离变压器是在初级绕组和次级绕组之间多加了2层屏蔽层，并将它和铁芯一起接地，以防止干扰通过初次级之间的电路效应而进入供电系统。
②良好的接地系统。
接地不良时，将形成明显的干扰。
如果没有条件进行良好接地，可将系统浮置起，再配合适当的屏蔽措施，系统中的数字地和模拟地要分开，最后只在一点相连，如汽车上的控制系统，传感器的信号地不能用车体做地线，必须单独引线。
使各种地线只能在电源处一点相连。
③屏蔽。
用金属外壳将整机或部分元器件包围[1]。
1.3 警戒时钟现在许多单片机都包含有警戒时钟（看门狗）电路，设计系统时，可用软件设定警戒时钟功能允许或禁止，使用警戒时钟功能能有效防止单片机系统死机。
PIC单片机抗干扰设计
PIC单片机抗干扰设计摘要:单片机已经普遍应用到各个领域,对其可靠性也提出了更高的要求。
影响单片机可靠性的因素很多,但是抗干扰性能是最重要的一个因素之一。
本文对PIC单片机抗干扰设计主要从硬件干扰抑制技术和软件干扰抑制技术两个大方面来进行分析。
关键词:PIC单片机抗干扰硬件软件1 硬件干扰抑制技术1.1 采用合理的隔离技术采用合理的隔离技术对单片机抗干扰起着非常重要的作用。
隔离不仅能够将外来干扰信号的通道阻断,而且还可以通过控制系统与现场隔离实现抗干扰目的,使得彼此之间的串扰最大限度地降低。
常用的隔离技术主要包括变压器隔离方式、布线隔离方式、光电隔离方式和继电器隔离方式等。
1.2 合理选择系统时钟PIC单片机系统时钟频率为0～20MHz,时基震荡方式主要有四种,每一种时基震荡方式由不同的时基频率相对应:外接电阻电容元件的阻容振荡方式RC,频率为0.03MHz～5MHz;低频晶体振荡器/陶瓷谐振器振荡方式LP,频率为32.768kHz或200kHz;标准晶体振荡器/陶瓷谐振器振荡方式XT,频率为0.2MHz～4MHz;高频晶体振荡器/陶瓷谐振器振荡方式HS,频率为4MHz～20MHz。
外接方式主要有三种:外接晶体振荡器/陶瓷谐振器、外接时钟电路、外接RC。
用户在选择基振荡方式和外接方式时可根据PIC单片机应用系统的性能、应用场合、价格等因素来进行。
外接时钟属于高频噪声源,从可靠性方面来讲,不仅会干扰本应用系统,而且还能够干扰外界。
频率越高越容易成为噪声源,因此应采用低频率的系统时钟,但是必须把与系统性能要求相符作为前提条件。
1.3 合理设计电路板在电路板设计时,不要只是采用单一的PCB板进行,而应尽可能多的采用多层PCB板来进行,其中一层用作接地,而另外一层用作电源布线,这样就使得退耦电路形成,同时,这样的电路其屏蔽效果也比较好。
如果对空间没有任何的硬性规定,同时要成本因素进行考虑,此时在设计电路板时就可以采用单层或者双层的PCB板进行布线,这样需要从电源单独引电源线进行布线,并将其逐个分配到每个功能电路中,另外,还要将所有的地线汇集到靠近电源地的一个点上。
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：
单片机的可靠性与抗干扰论文
第一章绪论单片机也叫做嵌入式微控制器，是指在一块芯片上集成了微处理器（CPU）、存储器、并串行输入/输出接口、定时器/计数器和中断控制器等部件。
新型的单片机功能越来越多，速度越来越快，如内部集成了A/D转换器、脉宽调制器、CAN 总路线、倍频及低功耗设计等电路。
目前，单片机的品种繁多，由于MCS-51单片机具有结构体系完整、指令系统功能完善和内部寄存器的规范化等特色，另外与其配套的种类开发系统和种类软件也不例外比较完善，因此在中国的单片机市场上一直是主流芯片。
单片机应用系统的可靠性取决于应用系统的抗干扰性能，而整个系统的抗干扰性能取决于抗干扰的设计方法。
单片机应用系统的硬件抗干扰设计是整个抗干扰设计的主要部分，也是抗干扰设计的基础。
它必须为软件抗干扰设计提供良好的条件，因为再好的软件抗干扰技术也是由硬件的正常工作来保证的。
本论文讲解单片机应用系统设计的可靠性设计与抗干扰问题的解决方法。
如：系统的可靠性的设计方法。
单片机应用系统软件抗干扰的设计方法。
单片机应用系统硬件抗干扰的设计方法。
在单片机应用系统中，硬件抗干扰是在单片机的外部采取的抗干扰措施，其方根措施有滤波、屏隔去耦接地自动复位与电源的监测电路等。
与其他电子电路不同的是，单片机在内部也可以采取一些抗干扰措施，这些措施有数字滤波、软件冗余、软件陷阱和软件看门狗等。
在单片机应用系统的设计中，既可以采取软件抗干扰措施，也可以采取硬件抗干扰措施，有时也把两者结合起来用。
具体采取哪种抗干扰措施，还应根据干扰源的具体情况而定。
第二章单片机的可靠性设计2．1 可靠性可靠性设计是电子系统设计中的一项很重要指标。
同样可靠性设计也是单片机应用系统的一项重要性能指标。
可靠性由多种因素决定，其中干扰信号是影响可靠性的方根因素。
干扰是指迭加在电源电压或正常工作信号电压上无用的电信号。
干扰有多种来源：电网、空间电磁场、输入/输出通道等。
干扰会影响传送信息的正确性，扰乱程序的正常运行，甚至可能损坏系统的硬件。
单片机系统抗干扰的主要措施
， 抑制干扰源的 干扰作用
针对不同干扰源采取相应措施来抑制干扰 作用。如给电机加滤波电路， 在继电器接点两 端并接火花抑制电路以减少电火花影响; 继 电器线圈增加续流二极管， 来消除断开线圈时 产生的反电动势干扰， 可控硅两端并接RC 抑 制电路， 减小可控硅产生的噪声. 系统中加入 气体放电管等元件使它们与抗共模和抗差模干 扰的电感配合使用， 防止雷击千扰。
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35 双 绞线及光纤的 使用 在数字信号的长线传输时利用双绞线， 可 对噪声千扰有较好的抑制效果。由于外界磁 场或电磁场在双绞线上产生的电流流动方向 相 反， 从整体上看， 感应磁通引起的噪声电流互 相 抵消， 使得双绞线具有抵消电磁感应干扰的能 力。屏蔽双绞线杭千扰的能力更强， 因为屏蔽 层可以起静电屏蔽作用， 双绞线起消除电磁感 应干扰作用。在工程实践中， 可以将双绞线穿 在钢管或金属蛇皮管中， 并将钢管和金属蛇皮 管牢固接地， 就可收到较好的抗干扰效果。如 需进一步提高抗千扰能力， 可与光电祸合器联 合使用或者使用平衡输入接收器和输出的驱动 器。为了避免信号的反射和回波， 需要在接收 端接人终端匹配电阻。而由于光纤是电绝缘
屏蔽 。
程序区(如E ROM 中未使用空间)， P 则指令冗余 失效， 这时常采用设置软件陷阱的方法使其恢 复正常。所谓软件陷阱就是用一条引 导指令强 行将捕获的程序重新引人它的复位入口 主 处，
要安 在 排 未使用的中 断区、 用的E ROM 未使 P
空间、程序运行区及中断服务程序区。 4 . 2 软件 “ 看门狗“技术 当失控的程序进入 “ 死循环” 通常采用 ， “ 看门狗”技术使其 脱离 “ 死循环” 。以 MC于5 为例， 1 它有2 个定时器TO和Tl ， 可用 这2个定时器来对主程序的运行进行监控。如 用定时器功 监视定时器T I ， 用定时器T l 监视 主程序， 主程序监视定时器TO， 采用这种环形 结构的软件 “ 看门狗”具有良 ， 好的抗干扰性
单片机光耦隔离
单片机光耦隔离
单片机光耦隔离是一种常见的电路设计技术，用于在单片机系统中实现信号隔离和电气隔离。
光耦隔离通过使用光耦器件，将输入端和输出端之间的电气连接隔开，以提高系统的抗干扰能力和安全性。
以下是关于单片机光耦隔离的一些关键点：
1. 原理：光耦隔离基于光-电转换原理。
输入端的电信号通过光耦器中的发光二极管（LED）转换为光信号，光信号通过光耦器中的光敏晶体管或光敏二极管转换回电信号，传递到输出端。
2. 作用：实现电气隔离，防止高电压、大电流或噪声信号对单片机系统的干扰或损坏。
提高系统的抗干扰能力，减少电磁干扰对信号传输的影响。
保护单片机系统，避免外部电路对单片机的电气冲击。
3. 应用场景：常用于工业控制、电力系统、医疗设备等领域，需要在不同电压等级或电气环境下进行信号传输和控制的场合。
4. 选型注意事项：选择合适的光耦器件，考虑光耦的隔离电压、带宽、传输速率等参数。
注意光耦的驱动电流和光敏器件的灵敏度，以保证信号的有效传输和接收。
5. 电路设计：合理设计光耦隔离电路，包括电源隔离、信号隔离、地线处理等。
注意光耦的引脚连接和布局，减少信号干扰。
单片机光耦隔离是一种有效的电路保护和信号隔离技术，能够提高系统的可靠性和稳定性。
在实际应用中，根据具体需求进行合理的设计和选型，确保光耦隔离的有效性和可靠性。
请注意，以上内容仅为一般性介绍，具体的单片机光耦隔离设计需根据实际情况进行详细分析和考虑。
如果你有具体的项目需求，建议咨询专业的电子工程师以获取更准确的建议和指导。
单片机应用系统的抗干扰技术设计方案
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：错误!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。
错误!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。
错误!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错误!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。
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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。
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
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通道隔离
开关量输入的常用预处理方法
最大值 单位 Max 50 mA
V 85 ℃
最大值 Max 10
单位
mA V
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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
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。
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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。
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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
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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
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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
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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。
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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。
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。
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。
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。
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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
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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
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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输入保护电路
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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
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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；
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。
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通道隔离
极限条件
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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