单片机系统的抗干扰设计

单片机系统的抗干扰设计 随着单片机系统越来越广泛地应用于消费电子、低压电器、医疗设备、以 及智能化仪器与仪表等领域，单片机在简化电路设计和提高产品性能的同时， 单片机系统本身的电磁干扰问题也成为影响这类设备可靠性的主要因素。 单片机系统是一个含有多种电子元器件和电子部品（乃至子设备和子系统） 的复杂电子系统，外来的电磁辐射和传导干扰，以及内部元器件之间、部件之 间、以及子系统之间、各传送通道之间的相互干扰对单片机及其数据信息所产 生的干扰与破坏，严重地影响了单片机系统的工作稳定性、可靠性和安全性。 因此分析和消除单片机系统的不稳定因数，提高它的电磁兼容性已愈来愈 成为人们所关注的课题，而这问题的本身则具有很高的实用价值。 1 单片机系统的可靠性分析 一个单片机系统的可靠性是自身软件、硬件与其所处工作环境共同作用的 结果，所以系统的可靠性也应从这两方面来进行分析与设计。 对系统本身而言，要在保证系统各项功能实现的同时，对其运行过程中出 现的各种干扰信号，以及来自于系统外部的干扰信号进行有效的抑制，这是决 定系统可靠性的关键。而对一个有缺陷的系统来说，设计人员往往只是从逻辑 上去保证系统功能的实现，而对系统运行过程中可能出现的问题考虑欠周，采 取的措施不足，在干扰面前系统就可能陷入困境。 任何系统的可靠性都是相对的，在一种环境下能够可靠工作的系统，到了 另外一种环境就可能就不稳定了，这充分说明环境对系统可靠运行的重要性。 所以在针对系统运行环境去设计系统的同时，应当尽量采取措施来改善系统的 运行环境，综合性地解决系统运行的可靠性。 2 单片机系统的电磁干扰问题 2.1 单片机系统里电磁干扰的由来 单片机的干扰是以脉冲形式进入单片机系统的，其主要渠道有三条，即空 间、供电系统及信号通道。 空间干扰多发生在高电压、大电流、高频电磁场附近，通过静电感应、电 磁感应等方式侵入系统内部。 供电系统的干扰通过同一电网里用电设备工作时产生的噪声干扰和瞬变干 扰来影响单片机系统的工作。 信号通道的干扰则通过输入和输出通道侵入系统。干扰沿各种线路侵入系 统；各类传感器，输入 /输出线路的绝缘损坏均有可能给系统引入干扰。 此外，系统接地的不可靠也能是产生系统干扰的重要原因。 2.2 电磁干扰 可能产生的后果 电磁干扰可能产生的后果有： ⑴ 数据采集误差加大 当干扰侵入单片机系统的输入通道，并叠加在信号上时，会使数据采集误 差增大，特别是输入通道的传感器接口为低电平信号输入时，此现象会更加严 重。 ⑵ 程序运行失常 ① 控制状态失灵 在单片机系统中，由于干扰的加入使输出误差加大，造成逻辑状态改变， 最终导致控制失常。 ② 死机 在单片机系统受强干扰后，造成程序计数器PC值的改变，破坏程序正常运 行。 ⑶ 系统被控对象误操作 ① 单片机内部程序指针错乱，指向了其他地方，运行了错误的程序； ② RAM 中的某些数据被冲乱或者特殊寄存器的值被改变，使程序计算出 错误的结果。中断误触发，使系统进行错误的中断处理。⑷ 被控对象状态不稳 定 锁存电路与被控对象间的线路（包括驱动电路）受干扰，从而造成被控对 象状态不稳定。 ⑸ 定时不准 ① 单片机内部程序指针错乱，使中断程序断超出定时的时间； ② RAM 中计时数据被冲乱，故程序计算出错误的结果。 ⑹ 数据发生变化 在单片机系统中， 尽管 ROM 能避免干扰的破坏， 但由于外部 RAM 中的数 据是可以读写的，在电磁干扰的侵入下， RAM 中数据有可能发生改变；单片机 片内的 RAM ，以及片内的各种特殊功能寄存器的状态都有可能因受干扰而发生 发化，甚至 EPROM 内的数据也有可能误写，故程序计算出错误的结果。 3 单片机系统的硬件电磁兼容性设计 3.1 单片机系统电磁兼容问题的特殊性

单片机系统和普通电子设备系统一样，都存在空间辐射干扰、信号通道干 扰、电源干扰和数字电路引起的干扰。但是单片机系统本身也有它的特殊性， 它是以高速运行及传送数字逻辑信号为两大特征，因而在单片机系统的电磁兼 容问题上与其他电子设备相比时以下特点： 单片机系统中含有数字电路和模拟电路，但以数字电路为主，其中应用最 多的是二极管、集成电路、 A/D 转换电路、 D/A 转换电路，它们既是干扰源，又 是干扰的敏感元器件，尤其是 MOS、D/A 最为敏感。 在单片机系统里，就干扰的发生，和对干扰的敏感接收相比较，由于系统 是以相对较低的电平来传送信号，所以它在电磁环境中还是以受干扰的情况为 主。干扰对数字电路与对模拟电路的影响有本质上的不同，对模拟电路的影响 是连续的，随着干扰强度的增大而增大，干扰消失后恢复原始状态；而数字电 路是开关工作方式，存在阈值电平以及与之对应的噪声容限，只有超过了干扰 的容限，干扰信号才有危害，这比模拟电路要有利。 单片机系统有存贮功能、判断功能及高速运算功能，这也为抗电磁干扰的 设计提供了有利条件。但事情都有两面性，一旦干扰超过了某一个度，使得单 片机的存贮记忆发生了变化，这时干扰即使过去了，系统却再也不能恢复正常， 这又给系统的稳定运行带来了潜伏的危机。 单片机系统的工作是传送和识别脉冲数字信号为基础的，单片机系统中的 数字线路对于脉冲干扰（特别是脉冲的沿边）十分敏感。而数字线路本身的工 作又是开关的， 工作的频率达到几 MHz ，脉冲波形的沿边达到几个至几十个 ns； 再加上单片机系统中的开关电源（开关电源的工作频率为几十至几百 kHz），这 很容易对周围的电磁环境形成干扰。 由于单片机系统运行的高速性、安装的高 密集性、以及数字化的工作状态，对于系统中的传输线需要按照长线传输的方 式加以思考，考虑到长线有波形的延迟、波形的畸变，以及长线容易受外界的 干扰，这一切也为单片机系统工作的可靠性带进了不稳定的因素。 关于干扰入侵单片机，主要有电源、信号与控制线、以及空间电磁感应等 三个方面的问题。同时也包括系统内部存在的静电场和磁场，其中静电是 MOS 电路的大敌。另外，系统在低电压下工作，工作的电流也相对比较大，这样， 电源线、输入 /输出线构成了高速、大电流的回路，故在单片机系统里有相对较 强的磁场干扰。 除了上面讲到的单片机系统受干扰的一面外，其实单片机系统本身也是一 个干扰源，在单片机系统中能够产生有威胁干扰的部位有：时钟发生器、高速 逻辑电路、开关电源、晶闸管、工频电源、电网线（引入雷击浪涌和高频传导 干扰）、带有电动机的部件、开关元件（继电器、接触器、按钮、键盘） 、传输 长线及电缆接头（终端不匹配产生波形畸变、长线的天线效应接收外界干扰） 、 显示器、印刷电路板、机壳（不恰当的接地）等。其中 RAM 电路正常工作时的 耗电电流很小，但在瞬间工作时，一片电路能有 80mA 的电流，当多片电路同 时工作时的电流就更大，若同时动作的时间非常短暂，例如只有十几 ns 时，由 于电流瞬间的变化（di/dt）太大，在电源部分造成的干扰更是一个不能不面对的 事实。 3.2 单片机系统的硬件电磁兼容性设计 单片机系统的抗干扰设计就是针对干扰的产生性质、传播途径、入侵的位 臵和入侵的形式，采取适当的方法来消除干扰源，抑制耦合通道，减弱电路对 噪声干扰的敏感性， 通常需要采取的是 “综合治理 ”的措施。 3.2.1 合理选择元器 件 根据电器参数选择合理器件以满足系统性能要求。 ① 现在市场上出售的元器件种类繁多，有些元器件可用但性能不佳，有些 元器件极易受到干扰， 因此在选择关键元器件如译码器、 键盘扫描控制器、 RAM 等时，最好选用性能稳定的工业级产品。 ② 单片机的选择不光要考虑硬件配臵、存储容量等，更要选择抗干扰性能 较强的单片机。例如采用 AVR 系列单片机，该系列单片机的抗干扰能力较强。 ③ 时钟是高频的噪声源，对系统内和系统外都能产生干扰，因此在满足需 要的前提下，选用频率低的单片机是明智之举。 3.2.2 电源干扰的抑制 ⑴ 电源线滤波器 电源线滤波器安装在电源线与单片机的系统之间，用于抑制电能传输中寄 生的电磁干扰，对提高设备的可靠性有重要作用。滤波器允许一些频率通过， 而对其它频率的成份加以抑制。要根据干扰源的特性、频率范围、电压和阻抗 等参数及负载特性的要求，来选择适当的滤波器。 ⑵ 电源隔离变压器、电源稳压器和不间断电源 ① 普通电源隔离变压器 普通的电源隔离变压器可以在低频范围切断主电源线的接地环路。当频率 升高时，电气的隔离性能由于变压器初次级之间的寄生电容的存在而下降。为 了减少寄生电容的影响，可以在变压器铁芯的芯柱上分段绕制初级和次级的线 圈，或者分别绕制两个独立的初级和次级绕组。这种做法可以使变压器初次级 之间的寄生电容减小为原来的 1/3〜/10,但这种做法是以增加变压器的漏感为代 价。②采取法拉第屏蔽的电源变压器 采取法拉第屏蔽的电源变压器是减小变压器初次级之间的寄生电容的有效办 法。具体的做法是在变压器的初级与次级线圈之间包裹一层铝箔或铜箔，使之 不与线圈接触，并避免铝箔或铜箔形成自身短路（中间用绝缘层垫开） 。电源变 压器的法拉第屏蔽要接地。 采取法拉第屏蔽的电源变压器应用范围如下： * 应用于进入室内的电源或电源分配箱上，作为简单 1： 1 的隔离变压器， 用于隔离 50/60Hz 电源的公共地环路； * 在同一系统中的某一部分重新产生对地保持中性的交流电源， 与总电源分 配点保持电气隔离； * 当系统中存在很大的对地漏电电流时， 应用采取法拉第屏蔽的电源变压器 可以防止过度频繁触发系统中的接地故障检测器； * 可以与电源线滤波器结合起来使用， 使得电源线滤波器的滤波特性从几十 kHz开始就有很好的衰减性能。③ 电源稳压器 当电网电压发生过低或过高的情况，足以会影响单片机系统的正常运转时， 采用交流电源稳压器可以解决单片机系统因电网电压偏离额定值太大所导致系 统不能正常运行的问题。 普通的交流电源稳压器对于电网中的突波干扰的抑制能力显得有些不足。 目前市场上有既能解决交流电源稳压，又能抑制电网干扰的高性能交流稳压电 源出售，这种交流稳压电源被专门命名为净化电源。但即使是净化电源，针对 电网中出现的断电现象，仍将是无能为力，这时就必须用到不间断电源（ UPS） 了。 UPS可粗略地分为后备式和在线式两种。后备式 UPS的逆变器在电网电压 正常时是处在不输出状态的。这时，后备式 UPS仅仅负责监视电网电压，而是 通过旁路开关取电网电压为单片机系统供电的。只有当电网电压偏离了正常值， 后备式UPS才转到由逆变器输出为单片机系统供电。 其切换时间为几个 ms 一 般单片机系统的操作人员是不觉察的。但是后备式 UPS的这种特点，使得对付 电网中的突波干扰显得无能为力。 真正要全面解决电网中的干扰和电网电压不稳，乃至完全断电的情况，就 必须要用到在线式 UPS 了。在线式的UPS,当电网电压处在正常范围时，它 可以利用内部的稳压线路对电网电压进行稳压 （例如稳定到 220V±5% ，这时逆 变线路不工作），为单片机系统供电，此时的UPS就是一台交流稳压电源。与此 同时，UPS还为它内部的电池进行充电（能量储存）。当电网电压异常或者中断 时， UPS 内部的电池迅即通过逆变线路把能量转换成交流电，提供给单片机系 统，维持单片机系统的正常工作，保持单片机系统的软件和硬件不受损失。 还有一种在线式 UPS，它的逆变器始终是处在工作状态的。当电网电压处 在正常范围时，逆变器用电网电压直接进行整流滤波后供电，用逆变器的输出 为单片机系统供电。与此同时， UPS 还为它内部电池充电，作为能量储存。一 旦电网电压发生异常或者中断时，逆变器转由 UPS内部的电池进行供电，把能 量转换成交流电能提供给单片机系统，保持单片机系统的正常工作。⑶ 暂态抑 制器 在交流电网进线端并联压敏电阻、硅瞬变电压吸收二极管和气体放电管等 暂态抑制器件，用于吸收电网中的浪涌电压，同时还可以作为一种防雷措施， 保证单片机系统的正常工作。压敏电阻和硅瞬变电压吸收二极管是具有非线性 V-I 特性曲线的器件，可以作为浪涌电压的箝位元件。浪涌电压通过该器件后就 被箝位在这些器件的击穿电压 VBR 上，避免了单片机系统受到浪涌电压的损伤。 这些器件的响应速度快，但在处理的能量上受器件本身的性能影响，有一定限 制。至于气体放电管（包括固体放电管在内） ，在遭受浪涌电压激励后，由于器 件的负阻特性，转为低阻抗、低电压、大电流的导通状态，通过它能较好地转 移浪涌所拥有的能量，使得单片机系统免受浪涌电压的损伤。 3.2.3 电场、磁场 干扰的抑制 采用导电性能良好的金属作屏蔽盒，并将屏蔽盒接大地，这样，屏蔽盒内 部电力