单片机抗干扰性设计集锦

soso · 发表于 2009-11-17 22:24

单片机抗干扰性设计集锦 [复制链接]

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来源：http://blog.21ic.com/user1/405/archives/2006/17765.html

一、主要干扰渠道及抗干扰措施

●干扰途径：空间干扰。通过电磁波的辐射进入系统
  解决措施：良好的屏蔽与正确的接地和高频滤波

●干扰途径：供电系统干扰，最严重最广泛
  经验积累：开关电源一般没有线性电源干净

●干扰途径：过程通道干扰，通过前向通道，后向通道及其他主机之间的相互通道进入单片机系统

● 供电系统干扰及抗干扰措施

   干扰分类
   设△t为电源电压变化的持续时间
1）过压、欠压、停电干扰：当△t>1s时
解决办法：使用稳压器、电源调节器、对短时间的停电可以用不间断电源来供电，如备用电源

2）浪涌、下陷干扰：  当10ms<△t<1s时产生的干扰
产生原因：电源系统中有磁饱和或电子交流稳压器，通常会产生振荡，连续几个+/ 10% ～+/ 15%的浪涌或下限就可能产生+/ 30% ～+/ 40%的电源变化。
解决措施：使用快速响应的交流电源高压器

3）尖峰电压：当△t为微秒级
            危害大，会造成逻辑功能紊乱，甚至破坏源程序
解决措施：使用对噪声具有教强抑制能力的交流电源调节器或者超隔离变压器来消除这种干扰。

4）射频干扰：当△t为毫微秒级时产生的干扰
解决措施：加两三节低通滤波器

● 抗干扰电路示意图

交流稳压器：保证供电稳定性，防止电源系统的过压，欠压
隔离变压器：初级和次级均采用屏蔽层隔离，减小分布电容，提高抗共模拟干扰的能力这样高频噪声就可以被抑制掉
低通滤波器：
对市电供电系统，让50HZ的市电基波通过，去除高次谐波。
对低压系统，当滤波电路载有大电流时，宜采用小电感和大电容构成滤波电路
对处于高压下工作的滤波电路，则应采用小电容和允许的最大电感构成滤波网络
稳压块：防止电源模块故障损坏系统，减少公共阻抗互相耦合。

●过程通道干扰及抗干扰措施：
  长线传输是造成过程通道干扰的主要原因，且主频越高，长线传输造成的干扰越大
经验值：当主频为1MHZ时，传输线在0.5m以上就要当作长线传输进行抗干扰性处理
         当主频为4MHZ时，传输线在0.3m以上就要当作长线传输进行抗干扰性处理

解决长线传输干扰的主要措施：
      光电耦合隔离、双绞线传输和阻抗匹配
①光电耦合隔离
   原理：光电耦合的输入阻抗小，一般在100欧～１千欧之间，而干扰源内阻很大，一般在105到108之间，所以光电耦合输入端分得的噪声电压很小。另外由于干扰噪声的能量小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作，干扰噪声即使有很高的电压幅值，也因为没有足够的电流，发光二极管不能发光，干扰就被抑制掉。
另外，光电耦合器的输入回路与输出回路之间的分布电容很小，一般仅为0.5～２PF，而且绝缘电阻很大，通常为1011～1012欧，因此干扰很难直接通过光电耦合器进入单片机系统。
  光电耦合器可将长线完全悬浮起来，去掉长线两端的公共地线，不但可以有效地消除各逻辑电路的电流经过公共地线时产生的噪声电压之间的窜扰，而且有效地解决了长线驱动和阻抗匹配的问题，当受控系统短路时也可以防止系统损坏。
②双绞线传输
  双绞线传输频带比同轴电缆窄，但它的抗共模噪声能力强，能使各小环路的电磁感应干扰相互抵消。双绞线的分布电容只有几十皮法，可起到积分作用，对电磁场起到一定的抑制作用。
当数字信号的传送距离在5m一下时候，发送和接收端应安装负载电阻，若发送端为集电极开路，接收端的集成电路用的是施密特型集成电路，则抗干扰性更强。

二、印刷电路板及电路的抗干扰性设计
●地线设计
系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）、模拟地
① 与信号频率的关系
信号频率小于1MHZ时，接地电路形成的环流会产生较大的干扰，所以采用一点接地；当信号频率大于10MHZ时，地线的阻抗变大，为降低地线的阻抗，应采用就近多点接地；当信号频率在1～10MHZ之间时，如果地线长度不超过波长的1/20，可用一点接地。
②数字地和模拟电路分开
电路板上同时有线性电路和高速逻辑电路时，应尽量使两部分电路分开，故两部分地线也应该分开，分别与电源端地线连接。
③接地线应尽量加粗
过细会导致电阻升高，接地电位会随电流变化而变化，这会是信号电平不稳，抗噪声性能下降。应尽量使地线宽度为2～3mm以上，若空间条件不容许，也应使它至少可以通过额定电流的3倍，参见地线宽度与电流关系表：

0.2mm
0.4mm
0.8mm
1.2mm
1.6mm

20．c

1.8A
2.8A
3.5A
4A

40．c
  2A
3A
4.5A
6A
8A

④接地线构成闭合环路
在集成电路较多的电路板上，一般线条不能太粗，将地线构成闭合环路可以使地线上的电位差减小。
●电源布置
  电源线，地线走向应尽量和数据传递方向一致。同时根据电流的大小尽量加粗导体宽度。
●去耦电容配置
  直流电源输入端接一个10～100uf电解电容去低频干扰；
  每块芯片电源地引脚跨接一个104陶瓷电容，也可为每4～10个芯片安置一个1～10uf的钽电容；
  对抗噪声能力弱，电流变化大的器件及ROM，RAM存储器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线（GND）直接接入一个去耦电容
  电容引脚不能过长，特别是高频去耦电容
●印刷电路板尺寸和器件布置
  相关器件放一起；
  时钟发生器，晶振，和CPU的时钟输入端靠近
  发热器件放上方或者散热好的地方
●降低外部时钟频率
  外时钟是高频噪声源，除能引起对本系统的干扰外，还能对外界产生干扰，使电磁兼容不能达标
●低噪声系列单片机
传统的将电源和地引脚安排在对称的两边
使电源噪声穿过整块芯片
将电源和地安排在两个相邻的引脚
一方面降低了穿过整个芯片的电流
另一方面，使外部去耦电容方便放置
●时钟监测电路，看门狗技术与低电压复位电路
时钟监测电路：当发现系统始终停振时产生系统复位信号以恢复系统时钟，而时钟监测电路和省电指令（STOP）是一对矛盾，只能使用其一
低电压复位：
注意，目前单片机对电源要求范围越来越大，甚至可以低至1.8V，使用低电压复位时要参考实际情况。

三、软件抗干扰性设计
●数据采集误差的软件校正
  ①算术平均值法
多次采样取平均值，适用于变化速率慢的系统的数据采样
②比较取舍法
如果测量数据有一定规律时候，则可以根据规律将个别偏差较大的数据舍去
③函数法
利用一个特殊的函数对采集的数据进行处理，使测量结果中的干扰的影响作用减小，比如，一般干扰持续时间比较短，可以采用积分的方法降低它的影响
●控制状态失常的处理方法
①软件冗余
对条件控制系统，可以把对控制系统的一次采样和处理控制输出，改为循环采样和处理控制输出。这种方法对惯性较大的控制系统有良好的抗偶然干扰作用
②设置输出状态
根据单片机系统对数据处理后的输出结果，设置相应的状态寄存器，系统定时检测改状态寄存器的值
③设置子检程序
●程序运行失常的软件对策
①设置监视跟踪定时器