单片机PCCPU设计及开发的7个规则及原则+单片机和数字电路形成干扰要素与抗干扰措施方法.docx

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单片机PCCPU设计及开发的7个规则及原则+单片机和数字电路形成干扰要素与抗干扰措施方法

单片机（PC、CPU）设计及开发的7个规则及原则

+单片机和数字电路形成干扰要素与抗干扰措施方法

第一章、单片机（PC、CPU）设计及开发的7个规则及原则

01、设计满足要求的最精简的系统：

正确估计单片机的能力，知道单片机能做什么，最大程度的挖掘单片机的潜力对一个单片机系统设计者来说是至关重要的。

我们应该有这样一个认识，即单片机的处理能力是非常强大的。

早期的PC机，其CPU（8086）处理能力和8051相当，却能处理相当复杂的任务。

单片机的能力的关键就在软件设计者编写的软件上。

只有充分地了解到单片机的能力，才不会做出“冗余”的系统设计。

而采用许多的外围芯片来实现单片机能实现的功能。

这样做,即增加了系统成本，也可能会降低了系统的可靠性。

02、使用看门狗：

看门狗电路通常是一块在有规律的时间间隔中进行更新的硬件。

更新一般由单片机来完成，如果在一定间隔内没能更新看门狗，那看门狗将产生复位信号，重新复位单片机。

更新看门狗的具体形式多是给看门狗芯片相关引脚提供一个电平上升沿或读写它的某个寄存器。

使用看门狗电路将在单片机发生故障进行死机状态时，重新复位单片机。

当前有多种看门狗的芯片，而且，有好多种单片机中本身就集成有看门狗。

一个外部的看门狗是最好的，因为它不依赖于单片机。

如果可能的话，看门狗更新程序不应该放在中断或是子程序中，原则上应该放在主程序中。

工程师调试的程序在运行时偶而会引起看门狗的复位动作，于是他干脆在每10ms就中断一次的时钟中断程序中清看门狗。

知道使看门狗失去作用，可他却没有不是去查明引起这个现象的真正原因。

因此，不论什么理由，绝对不要忽略系统故障的真正原因。

高质量的产品来自于高素质的工程师，高质量的产品造就高素质的工程师。

03、确定系统的复位信号可靠：

这是一个很容易忽略的问题。

当你在设计单片机系统时，你脑中有这个概念吗？

什么样的复位信号才是可靠的吗？

你用示波器查看过你设计的产品的复位信号吗？

不稳定的复位信号可能会产生什么样的后果？

你有没有发现过你所设计的单片机系统，每次重新上电启动后，数据变得乱七八糟，并且每一次现象并不相同，找不出规律，或者有时候干脆不运行，或者有时候进入一种死机状态，有时候又一点事都没有正常运行？

在这种情况下，你应该查一下你的系统的复位信号。

一般在单片机的数据手册中都会提到该单片机需要的复位信号的要求。

一般复位信号的宽度应为。

复位电平的宽度和幅度都应满足芯片的要求，并且要求保持稳定。

还有特别重要的一点就是复位电平应与电源上电在同一时刻发生，即芯片一上电，复位信号就已产生。

不然，由于没有经过复位，单片机中的寄存器的值为随机值，上电时就会按PC寄存器中的随机内容开始运行程序，这样很容易进行误操作或进入死机状态。

04、确定系统的初始化有效：

系统程序开始应延时一段时间。

这是很多单片机程序设计中的常用方法，为什么呢？

因为系统中的芯片以及器件从上电开始到正常工作的状态往往有一段时间，程序开始时延时一段时间，是让系统中所有器件到达正常工作状态。

究竟延时多少才算合适？

这取决于系统的各芯片中到达正常工作状态的时间，通常以最慢的为准。

一般来说，延时20-100毫秒已经足够。

对于系统中使用嵌入式等“慢热”型的器件来说，则应更长。

当然，这都需要在系统实际运行中进行调整。

05、上电时对系统进行检测：

上电时对系统中进行检测是单片机程序中的一个良好设计。

在硬件设计时也应该细细考虑将各个使用到的芯片、接口设计成容易使用软件进行测试的模式。

很多有经验的单片机设计者都会在系统上电时（特别是第一次上电时）进行全面的检测，或者更进一步，将系统的运行状态中分为测试模式和正常运行模式，通过加入测试模式对系统进行详细的检测，使得系统的批量检测更为方便容易。

另外要注意的是，一个简单明了的故障显示界面也是颇要费得心思的。

比如：

系统的外部RAM（数据存储器）是单片机系统中常用的器件。

外部RAM如果存在问题，程序通常都会成为一匹脱缰的野马。

因此，程序在启动时（至少在第一次上电启动时）一定要对外部RAM进行检测。

检测内容包括：

1）检测RAM中的单元。

这主要通过写入和读出的数据保持一致。

2）检测单片机与RAM之间的地址数据总线。

总线即没有互相短路，也没有连接到“地”上。

另外，很多芯片，都提供了测试的方法。

如串行通信芯片UART，都带环路测试的功能。

06、按EMC测试要求设计硬件：

EMC测试要求已经成为产品的必需。

07、尽可能使用Small模式编译：

对比起Large模式和Compact模式，Small模式能生成更为紧凑的代码。

在Small模式下，C51编译器将没有使用关键词，如idata、pdata、xdata特殊声明的变量通通放在data单元中。

在编程中，对于在的数据区，可以指定放在外部存储器中。

第二章、单片机和数字电路形成干扰要素与抗干扰措施方法

1、形成干扰的基本要素有三个：

（1）干扰源，

指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：

du/dt，di/dt大的地方就是干扰源。

如：

雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。

（2）传播路径，

指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。

典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

（3）敏感器件，

指容易被干扰的对象。

如：

A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。

抗干扰设计的基本原则是：

抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。

（类似于传染病的预防）。

2、抑制干扰源：

抑制干扰源

就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。

这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。

减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。

减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

抑制干扰源的常用措施

如下：

（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。

仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。

（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。

（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。

（4）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。

注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。

（5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。

（6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。

3、切断干扰传播路径

按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。

所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。

高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。

电源噪声的危害最大，要特别注意处理。

所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。

一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。

切断干扰传播途径的常用措施如下：

（1）充分考虑电源对单片机的影响。

电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。

许多单片机对电源噪声很敏感，要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。

比如，可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。

（2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。

控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。

（3）注意晶振布线。

晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。

此措施可解决许多疑难问题。

（4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。

尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。

（5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。

A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片引脚排列时已考虑此要求。

（6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。

大功率器件尽可能放在电路板边缘。

（7）在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显着提高电路的抗干扰性能。

4、提高敏感器件的抗干扰性能

提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。

提高敏感器件抗干扰性能的常用措施

如下：

（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。

（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。

除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。

（3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。

其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。

（4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。

（5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。

（6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。

5、软件方面

1、常将不用的代码空间全清成“0”，因为这等效于NOP，可在程序跑飞时归位；

2、在跳转指令前加几个NOP，目的同1；

3、在无硬件WatchDog时可采用软件模拟WatchDog，以监测程序的运行；

4、涉及处理外部器件参数调整或设置时，为防止外部器件因受干扰而出错可定时将参数重新发送一遍，这样可使外部器件尽快恢复正确；

5、通讯中的抗干扰，可加数据校验位，可采取3取2或5取3策略；

6、在有通讯线时，如I^2C、三线制等，实际中我们发现将Data线、CLK线、INH线常态置为高，其抗干扰效果要好过置为低。

6、硬件方面：

1、地线、电源线的部线肯定重要了！

2、线路的去偶；

3、数、模地的分开；

4、每个数字元件在地与电源之间都要104电容；

5、在有继电器的应用场合，尤其是大电流时，防继电器触点火花对电路的干扰，可在继电器线圈间并一104和二极管，在触点和常开端间接472电容，效果不错！

6、为防I/O口的串扰，可将I/O口隔离，方法有二极管隔离、门电路隔离、光偶隔离、电磁隔离等；

7、当然多层板的抗干扰肯定好过单面板，但成本却高了几倍。

8、选择一个抗干扰能力强的器件比之任何方法都有效，这点应该最重要。