10个细节提高单片机抗干扰能力
时间：2022-08-11 11:30:02
1、目录
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前言
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1 干扰对单片机应用系统的影响
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1.1测量数据误差增加
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1.2 控制系统故障
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1.3 影响单片机RAM存储器和E2PROM等
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1.4 程序运行异常
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2 如何提高我们设备的抗干扰能力？
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2.1 解决电源端的干扰
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2.2 模拟信号采样抗干扰技术
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2.3 数字信号传输通道的抗干扰技术
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2.4 硬件监控电路
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2.5 PCB电路布线合理
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2.6 软件抗干扰原理及方法
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3 总结
2、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，同一电力系统中的各种电气设备通过电或磁的连接紧密相连，相互影响。由于运行模式的变化、故障和开关操作引起的电磁振荡会影响许多电气设备。
这对我们单片机系统的可靠性和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，否则会增加控制误差，严重时会导致系统故障，甚至造成巨大损失。
因此，单片机的抗干扰问题已成为一个不容忽视的问题。
3、干扰对单片机应用系统的影响
1.1测量数据误差增加
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，会增加数据采集误差。特别是检测一些弱信号，干扰信号，甚至淹没测量信号。
1.2 控制系统故障
单片机输出的控制信号通常取决于某些条件下的状态输入信号和这些信号的逻辑处理结果。如果这些输入状态信号受到干扰，引入虚假状态信息会增加输出控制误差，甚至失效。
1.3 影响单片机RAM存储器和E2PROM等
程序存储器存在于单片机系统中EPROM或FLASH这些数据在中间被干扰和损坏。然而，对于电影RAM、外扩RAM、E2PROM 数据可能会受到外界的干扰。
1.4 程序运行异常
外部干扰有时会导致机器频繁复位，影响程序的正常运行。如果外部干扰导致单片机程序计数器PC该值的变化破坏了程序的正常运行。
受干扰后PC 值是随机的，程序将执行一系列毫无意义的指令，最终进入死循环
4.如何提高设备的抗干扰能力？
2.1 解决电源端的干扰
单片机系统中的每个单元都需要使用直流电源，而直流电源通常是由市政电网的交流电变压、整流、滤波和稳压引起的。因此，系统将引入电源上的各种干扰。
此外，由于交流电源的共享，电子设备之间的电源也会相互干扰，因此抑制电源干扰尤为重要。电源干扰主要包括以下几类：
1.电源线中的高频干扰(传导骚扰)
电源线相当于接收天线，通过电源变压器将雷电、电弧、广播电台等辐射的高频干扰信号耦合到次级，形成对单片机系统的干扰；
通常通过接口保护来解决这种干扰；在接口处增加滤波器、或者使用隔离电源模块解决。
2.感性负载产生的瞬变噪声（EFT）
切断大容量感性负载时，会产生大的电流和电压变化率瞬变噪声干扰，成为电磁干扰的主要形式；
解决这种干扰，一般通过屏蔽线与双胶线，或在电源接口、信号接口进行滤波处理。
这两种方法都需要在系统接地良好的情况下进行，滤波器和接口滤波电路必须接地良好，才能有效地排出干扰。
5.模拟信号采样抗干扰技术
单片机应用系统通常采样一个或多个模拟信号，并通过A/D转换成数字信号进行处理。
提高测量精度和稳定性；
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保证传感器本身的转换精度；
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传感器供电稳定；
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测量放大器的稳定性；
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A/D转换基准电压的稳定性；
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防止外部电磁感应噪声的影响；
如果处理不当，微弱的有用信号可能会完全被无用的噪声信号淹没。
在实际工作中，可采用差动输入测量放大器，屏蔽双胶线传输测量信号，或将电压信号改为电流信号，采用电阻滤波等技术。
6.数字信号传输通道的抗干扰技术
数字输出信号可作为系统被控设备的驱动信号（如继电器等），数字输入信号可作为设备的响应答案和指令信号（如行程开关、启动按钮等）。
数字信号接口部分是单片机系统外部干扰的主要通道之一。
在工程设计中，数字信号输入/输出的抗干扰措施包括：
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使用屏蔽线、双胶线等传输线的屏蔽技术；
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采用信号隔离措施；
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由于数字信号在电平转换过程中形成公共阻抗干扰，选择合适的接地点可以有效地抑制地线噪声。
7.硬件监控电路
在单片机系统中，为了保证系统的可靠稳定运行，提高抗干扰能力，需要配置硬件监控电路，其功能包括以下几个方面：
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上电复位：确保系统正确启动；
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断电复位：当电源故障或电压降至电压值以下时，产生复位信号复位系统；
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电源监测：当电源电压异常时，给出报警指示信号或中断请求信号；
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硬件看门狗：当处理器遇到干扰或程序运行混乱时，对系统进行复位。
8、PCB电路布线合理
PCB板材设计对抗干扰能力影响很大。因此，正在进行中PCB 设计时，必须遵守PCB 设计的一般原则应符合抗干扰设计的要求。以下是两点：
1.放置关键设备
在设备布置方面，与其他逻辑电路一样，相关设备应尽可能靠近，以获得更好的抗噪效果。
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时钟发生器，晶振和CPU 时钟输入端容易产生噪音，应相互靠近；
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CPU 复位电路和硬件看门狗电路应尽可能靠近CPU相应引脚；
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易产生噪声的设备和大电流电路应尽可能远离逻辑电路。
2、 D/A、A/D 正确连接转换电路地线
D/A、A/D 芯片和采样芯片分别提供数字和模拟管脚。
在线路设计中，所有设备的数字地和模拟地必须单独连接，但数字地和模拟地只有一点连接。此外，屏蔽保护也可用于隔离空间辐射。
对于噪声特别大的部件（如变频电源和开关电源），可以用金属盒覆盖，以减少噪声源对单片机的干扰。对于易受干扰的部件，可增加屏蔽罩并接地，使干扰信号短路接地。
9.软件抗干扰的原理和方法
虽然我们采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号的复杂性和随机性，很难证系统完全不受干扰。
因此，软件抗干扰技术往往是在硬件抗干扰措施的基础上补充的，作为硬件措施的辅助手段。软件抗干扰方法简单、灵活、方便、成本低，广泛应用于系统中。
1、 数字滤波法
数字滤波器是通过软件算法在多次采样模拟信号的基础上提取最接近真实值数据的过程。数字滤波器算法灵活，可选择权限参数，硬件滤波器电路往往无法达到效果。
2、 输入信号重复检测方法
输入信号的干扰是叠加在有效电平信号上的一系列离散尖脉冲。
当控制系统存在输入干扰，无法有效抑制硬件时，软件可以重复检测，直到连续两次或两次以上的收集结果完全一致才有效。
如果信号总是不确定，当达到最高限额时，可以给出报警信号。这种输入方式可用于各种开关传感器的信号，如限位开关、行程开关、操作按钮等。
若将延迟插入连续采集数据之间，则可处理较宽的干扰。
3、输出端口数据刷新方法
开关输出软件的抗干扰设计主要采用重复输出的方法，是提高输出界面抗干扰性能的有效措施。有必要使用锁定器输出的控制信号。
在尽可能短的周期内，重复输出数据。受干扰影响的设备没有时间响应时，正确的信息又到来，这样就可以及时防止误动作的产生。在程序结构的安排上，可为输出数据建立一个数据缓冲区，在程序的周期性循环体内将数据输出。
对于增量控制型设备不能这样重复送数，只有通过检测通道，从设备的反馈信息中判断数据传输的正确与否。在执行重复输出功能时，对于可编程接口芯片，工作方式控制字与输出状态字一并重复设置，使输出模块可靠地工作。
4、 软件拦截技术
当窜入单片机系统的干扰作用在CPU 部位时，后果更加严重，将使系统失灵。
最典型的故障是破坏程序计数器PC 的状态，导致程序从一个区域跳转到另一个区域，或者程序在地址空间内“乱飞”，或者陷入“死循环”。
使用软件拦截技术可以拦截“乱飞”的程序或者使程序摆脱“死循环”，并将运行程序纳入正轨，转到指定的程序入口。
5、 “软件看门狗”技术
PC 受到干扰而失控，引起程序“乱飞”，也可能使程序陷入“死循环”。当软件拦截技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术WDT TIMER（WDT），又称看门狗技术，使程序脱离“死循环”。
WDT 是一种软、硬件结合的抗程序跑飞措施，其硬件主体是一个用于产生定时T 的计数器或单稳，该计数器或单稳基本独立运行，其定时输出端接至CPU 的复位线，而其定时清零则由CPU 控制。
在正常情况下，程序启动WDT 后，CPU 周期性的将WDT 清零，这样WDT 的定时溢出就不会发生，如同睡眠一般不起任何作用。在受到干扰的异常情况下，CPU 时序逻辑被破坏，程序执行混乱，不可能周期性的将WDT 清零，这样当WDT 的定时溢出时，其输出使系统复位，避免CPU因一时干扰而陷入瘫痪的状态。
10、总结
随着单片机系统的广泛应用和技术的进步，电磁干扰问题越来越突出，推广现有的、成熟的抗干扰技术，研究抗干扰的新技术、新方向是单片机应用技术的当务之急。在单片机应用系统设计及应用中，只要充分考虑设备的电磁兼容性，并通过各种技术措施来消除干扰，就可以大大提高设备的稳定性和可靠性。
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