第8章 单片机系统的可靠性与抗干扰技术

第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术主编范立南谢子殿副主编刘彤尹授远李雪飞单片机原理及应用教程第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.1可靠性与抗干扰技术概述8.2单片机系统的硬件抗干扰技术8.3单片机系统的软件抗干扰技术8.4Watchdog技术第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.1可靠性与抗干扰技术概述近年来，随着单片机在智能化仪器、自动检测、工业控制以及火箭导航尖端技术等领域的广泛应用，有效地提高了生产效率，改善了工作条件，大大提高了控制质量与经济效益。但是，单片机系统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其必须长期可靠、安全、稳定地运行，否则将导致控制误差加大，严重时会使系统失灵，造成巨大的经济损失，甚至危及人们的生命安全。所以，人们在不断完善单片机系统硬件配置过程中，分析系统受干扰的原因，探讨和提高系统的抗干扰能力，这不仅具有一定的科学理论意义，并且具有很高的工程实用价值。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.1.1干扰窜入单片机系统的主要途径干扰窜入单片机系统的主要途径如图8.1所示。图8.1干扰窜入单片机系统主要途径示意图(1)空间感应；(2)过程通道窜入的干扰；(3)电源系统窜入的干扰；(4)地电位波动窜入的干扰；(5)反射波干扰第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.1.1干扰窜入单片机系统的主要途径1.空间感应的干扰2.过程通道的干扰过程通道的干扰一般分为串模干扰和共模干扰。(a)内部串扰(b)外部串扰图8.2串模干扰示意图第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.1.1干扰窜入单片机系统的主要途径(a)单端输入(b)双端输入图8.3共模干扰示意图第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.1.1干扰窜入单片机系统的主要途径3.交流电源的干扰4.地电位波动的干扰5.反射波的干扰第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.1.2干扰的耦合方式1.直接耦合方式2.公共阻抗耦合方式3.电容耦合方式4.电磁感应耦合方式5.辐射耦合方式6.漏电耦合方式第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.1.3抗干扰原则所谓抗干扰，就是针对干扰的产生、性质、传播途径、侵入的位置和侵入的形式，采取适当的方法消除干扰源，抑制耦合通道，减弱电路对噪声干扰的敏感性。1.消除干扰源2.抑制耦合通道3.减弱电路对噪声干扰的敏感性第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2单片机系统的硬件抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制1.光电隔离光电隔离是由光电耦合器来完成的。光电耦合器的结构如图8.4所示。图8.4光电耦合器结构第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制图8.5光电隔离基本配置第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制光电耦合器的几个特点：(1)输入和输出在电气上是隔离的。(2)光电耦合器的光电耦合部分不会受到外界光的干扰。(3)光电耦合器的输入阻抗很低(一般为100Ω~1KΩ)，而干扰源内阻一般都很大(105~106Ω)。按分压原理，传送到光电耦合器输入端的干扰电压就变得很小了。(4)光电耦合器的发光二极管只有通过一定的电流才发光，因此，即使电压幅值很高的干扰，若没有足够的能量，也不能使二极管发光，显然，干扰就被抑制掉了。(5)输入回路与输出回路之间分布电容极小，因此，在回路中，一端的干扰很难通过光电耦合器馈送到另一端去。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制图8.6长线传输光电耦合浮置处理第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制2.继电器隔离图8.7继电器隔离第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制3.变压器隔离图8.8脉冲变压器隔离法脉冲变压器隔离法传递脉冲输入/输出信号时，不能传递直流分量。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制对于一般的交流信号，可以用普通变压器实现隔离。图8.9交流信号的幅度检测第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制4.采用双绞线作信号线使双绞线中一根用作屏蔽线，另一根用作信号传输线；这样可以抑制电磁感应干扰。在使用过程中，把信号输出线和返回线两根导线拧和，其扭绞节距与该导线的线径有关。线径越细，节距越短，抑制感应噪声的效果越明显。实际上，节距越短，所用的导线长度就越长，从而增加了导线的成本。一般节距以5cm左右为宜。表8.1列出了双绞线节距与噪声衰减率的关系。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制表8.1双绞线的节距与噪声衰减率导线节距/cm噪声衰减率抑制噪声效果/dB空气中平行导线—1:10双绞线1014:123双绞线7.571:137双绞线5112:141双绞线2.5141:143钢管中平行导线—22:127第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制(a)图8.10所示为传送的距离不同时，双绞线的不同使用方法。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制(b)(c)图8.10双绞线数字信号的传送第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制为了增强其抗干扰能力，可以将双绞线与光电耦合器联合使用，如图8.11所示。(a)第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.1过程通道干扰的抑制(b)(c)图8.11光电耦合器与双绞线联合使用第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.2反射波干扰的抑制影响反射波干扰的因素有两个：其一是信号频率，传输信号频率越高，越容易产生反射波干扰，因此在满足系统功能的前提下，尽量降低传输信号的频率；其二是传输线的阻抗，合理配置传输线的阻抗，可以抑制反射波干扰或大大削弱反射次数。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.2反射波干扰的抑制1.传输线的特性阻抗Rp的测定根据反射理论，当传输线的特性阻抗Rp与负载电阻R相等(匹配)时，将不发生反射。特性阻抗的测定方法如图8.12所示。调节可变电阻R，当R=Rp时，A门的输出波形畸变最小，反射波几乎消失，这时的R值可以认为该传输线的特性阻抗Rp。图8.12传输线的特性阻抗Rp的测定第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.2反射波干扰的抑制2.阻抗匹配的方法(1)始端串联阻抗匹配(a)如果传输线的波阻抗是Rp，则当R=Rp时，便实现了始端串联阻抗匹配，基本上消除了波反射。考虑到门A输出低电平时的输出阻抗Rsc，一般选择始端匹配电阻R为R=Rp-Rsc。这种匹配方法会使终端的低电平抬高，相当于增加了输出阻抗，降低了低电平的抗干扰能力。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.2反射波干扰的抑制(2)终端并联阻抗匹配(b)适当调整R1和R2的阻值，可使R=Rp。为了同时兼顾高电平和低电平两种情况，可选取R1=R2=2Rp。这种匹配方法由于终端阻值低，相当于加重负载，使高电平有所下降，故高电平的抗干扰能力有所下降。按式(8-1)选取等效电阻R：(8-1)2121RRRRR第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.2反射波干扰的抑制(3)终端并联隔直阻抗匹配(c)把电容C串入匹配电路中，当C较大时，其阻抗接近于零，只起隔直流作用，不会影响阻抗匹配，只要使R=Rp就可以了。它不会引起输出高电平的降低，故增加了高电平的抗干扰能力。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.2反射波干扰的抑制(4)终端钳位二极管匹配(d)利用二极管D把B门输入端低电平钳位在0.3V以下，可以减少波的反射和振荡，提高动态抗干扰能力。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.2反射波干扰的抑制3.输入/输出驱动法图8.14应用双驱动器的反射波抑制方法当A点为低电平时，电压波从B向A传输。由于此时驱动器SN7406的输出呈现近于零的低阻抗，反射信号一到达该门的输出端就有相当部分被吸收掉，只剩下很少部分继续反射。这就是说，由于反射信号遇到的是低阻抗，它的衰减速度很快，反射能力大大地减弱了。当A点为高电平时，发送器T1的输出端对地阻抗很大，可视为开路。为了降低接收器T2的输入阻抗，接入一个负载电阻R＝1kΩ，这样大大削弱了反射波的干扰。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.2反射波干扰的抑制4.降低输入阻抗法图8.15降低输入电阻的反射波抑制方法当驱动器输出低电平时，A点对地阻抗很低；当驱动器输出高电平时，B点对地阻抗也很低。由此可见，无论是输出高电平还是低电平，反射波都将很快衰减。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.2反射波干扰的抑制5.光电耦合器图8.16光电耦合器的反射波抑制方法该方法除了有效抑制反射波干扰外，还有效地实现了信号的隔离。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.3空间干扰的抑制抗空间干扰的主要措施就是采取屏蔽措施。屏蔽是指用屏蔽体把通过空间进行电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来，隔断其空间场的耦合通道。良好的屏蔽是和接地紧密相连的，因而可以大大降低噪声耦合，取得较好的抗干扰效果。在单片机系统中，通常是把数字电子装置和模拟电子装置的工作基准地浮空，而设备外壳或机箱采用屏蔽接地。图8.17所示为一种浮空—保护屏蔽层—机壳接地方案。图8.17浮空—保护屏蔽层—机壳接地方案第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.3空间干扰的抑制这种方案的特点是将电子部件外围附加保护屏蔽层，且与机壳浮空；信号采用三线传输方式，即屏蔽电缆中的两根芯线和电缆屏蔽外皮线；机壳接地。图中信号线的屏蔽外皮A点接附加保护屏蔽层的G点，但不接机壳B。假设系统采用差动测量放大器，信号源信号采用双芯信号屏蔽线传送，r3为电缆屏蔽外皮的电阻，Z3为附加保护屏蔽层相对机壳的绝缘电阻，Z1、Z2为二信号线对保护层的阻抗，则有cm2211122133inU])Zr)(Zr(ZrZr[ZrU(8-2)显然，只要增大附加保护屏蔽层对机壳的绝缘电阻，减小相应的分布电容，则有r3/Z3远远小于1，干扰电压Uin可显著减小。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.4单片机系统的接地技术接地技术对单片机系统是极为重要的，不恰当的接地会造成极其严重的干扰，而正确接地却是单片机系统抑制干扰的重要手段。接地的目的有两个，一是保护单片机、电器设备和操作人员的安全。二是为了抑制干扰，使单片机工作稳定。通常接地可分为工作接地和保护接地两大类。保护接地主要是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降时遭受触电危险和保证设备的安全。而工作接地则主要是为了保证单片机系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰。在单片机系统中，大致有交流地、系统地、安全地、数字地(逻辑地)和模拟地等几种。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.4单片机系统的接地技术1.交流地交流地是单片机交流供电电源地，即动力线地。2.系统地是指信号回路的基准导体(如控制电源的零电位)。3.安全地其目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地。4.数字地作为单片机系统中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。5.模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D转换器和D/A转换器中模拟地的零电位。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.4单片机系统的接地技术在单片机系统中一般应该遵循如下的接地原则。(1)数字地与模拟地要分开。(2)单点接地与多点接地的选择。(3)传感器、变送器和放大器等通常采用屏蔽罩，而信号的传送往往使用屏蔽线。对于这些屏蔽层的接地要十分谨慎，应该遵循单点接地原则。(4)接地线要尽量加粗。(5)在交流地上任意两点之间，往往很容易就有几伏至几十伏的电位差存在。另外，交流地也很容易带来各种干扰。因此，交流地绝对不允许与其他几种地相连，而且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。第8章单片机系统的可靠性与抗干扰技术8.2.5单片机系统的掉电保护技术进行掉电保护有两种方法：一是在系统的电源发