单片机原理及应用第14章

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1、第14章单片机应用系统的可靠性及抗干扰设计单片机系统的可靠性是由多种因素决定，其中系统的抗干扰性能的好坏是影响系统可靠性的重要因素。本章将从干扰源的来源、硬件、软件以及电源系统、接地系统等方面研究分析并给出有效可行的解决措施。14.1干扰的来源影响单片机测控系统正常工作的信号称为噪声，又称干扰。干扰会影响指令的正常执行，造成控制事故或控制失灵，在测量通道中产生了干扰，就会使测量产生误差，电压的冲击有可能使系统遭到致命的破坏。干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的，窜入单片机系统的干扰渠道主要有三条：(1)空间干扰(2)供电系统干扰(3)过程通道干扰(1)空间干扰电气设备如发射机、中频炉、可控

2、硅逆变电源等发出的电干扰和磁干扰；广播电台或通讯发射台发出的电磁波；空中雷电，甚至地磁场的变化也会引起干扰。会使单片机系统不能正常工作。(2)供电系统干扰大功率设备，大感性负载设备的启停使电网电压大幅度涨落（浪涌），欠压或过压常常达到额定电压的15%以上。长达几分钟、几小时、甚至几天。由于大功率开关的通断，电机的启停，电焊等原因，电网上常出现几百伏，甚至几千伏的尖脉冲干扰。(3)过程通道干扰开关量/模拟量输入输出的信号线多至几百条甚至几千条，长度往往达几百或几千米，不可避免地将干扰引入单片机系统。大的电气设备漏电，接地系统不完善，或者测量部件绝缘不好，会使通道中直接串入干扰信号；各通道的

3、线路如果同出一根电缆中或绑扎在一起，各路间会通过电磁感应而产生瞬间的干扰，尤其是0～15V的信号与交流220V的电源线同套在一根长达几百米的管中其干扰更为严重。这种彼此感应产生的干扰其表现形式仍然是通道中形成干扰电压。这样，轻者会使测量的信号发生误差，重者会使有用的信号完全淹没。这种通过感应产生的干扰电压会达到几十伏以上，使单片机系统无法工作。三种干扰以来自供电系统的干扰最甚，其次为来自过程通道的干扰。对于来自空间的辐射干扰，需加适当的屏蔽及接地来解决。14.2供电系统干扰及其抗干扰措施任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰。如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源

4、短路吸收，在线路中不会建立起任何干扰电压。系统中最重要、危害最严重的干扰源来源于电源。在某些大功率耗电设备的电网中，经对电源检测发现，在50周正弦波上叠加有很多1000多伏的尖峰电压。14.2.1电源噪声来源、种类及危害（1）过压、欠压、停电：>1s;（2）浪涌、下陷：1s>t>10ms;（3）尖峰电压：t为µs量级；（4）射频干扰：t为ns量级；（5）其它：半周内的停电或者过欠压。过压、欠压、停电的危害是显而易见的，解决的办法:使用各种稳压器、电源调节器，对付暂短的停电则配置不间断电源（UPS）。浪涌与下陷是电压的快变化，如幅度过大也会毁坏系统。即使变化不大（10％～15％），直接使用

5、不一定会毁坏系统，但由于电源系统中接有反应迟缓的磁饱和或电子交流稳压器，往往会在这些变化点附近产生振荡，使得电压忽高忽低。如有连续几个10％～15％的浪涌或下陷，由此造成的振荡能产生30％～40％的电源变化，使系统无法工作，解决办法：使用快速响应的交流电源稳压器。尖峰电压持续时间很短，一般不会毁坏系统，但对单片机系统正常运行危害很大，会造成逻辑功能紊乱，甚至冲坏源程序。解决办法：使用具有噪声抑制能力的交流电源调节器、参数稳压器或超隔离变压器。射频干扰对单片机系统影响不大，一般加接2～3节低通滤波器既可解决。14.2.2供电系统的抗干扰设计单单一台高质量的电源不足以解决干扰和电压波动问题的

6、，必须完整地设计整个电源供电系统。如果逻辑电路是在低电压、大电流下工作，电源的分配就必须引起注意，譬如一条0.1Ω的电源线回路，对于5A的供电系统，就会把电源电压从5V降到4.5V，以至不能正常工作。另一方面工作在极高频率下的数字电路，对电源线有高频要求，所以一般电源线上的干扰是数字系统最常出现的问题之一。电源分配系统首要的就是良好的接地，系统的地线必须能够吸收来自所有电源系统的全部电流。应该采用粗导线作为电源连接线，地线应尽量短而直接走线；对于插件式线路板，应多给电源线、地线分配几个沿插头方向均匀分布的插针。在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止窜入干扰，建议采用如图14-2的形

7、式。所示的供电配置和采取如下措施：（1）交流进线端加交流滤波器，可滤掉高频干扰，如电网上大功率设备启停造成的瞬间干扰。滤波器市场上的产品有一级、二级滤波器之分，安装时外壳要加屏蔽并良好接地，进出线要分开，防止感应和辐射耦合。低通滤波器仅允许50Hz交流电通过，对高频和中频干扰有良好的衰减作用。（2）要求高的系统加交流稳压器。（3）采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。（4）采用集成稳压块两级稳压目前市场上集成稳压块有许多种，