单片机系统地干扰分析报告.docx

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单片机系统地干扰分析报告

单片机系统的干扰分析

摘要：

单片机系统在工业自动化控制、检测、家用电器等领域得到了广泛的应用，其可靠性直接决定控制、测量系统的精确性。

单片机系统的抗干扰性能是影响系统可靠性的重要因素之一。

本文在简要介绍单片机系统组成的基础上，分析单片机应用系统的主要干扰渠道，并分别从硬件和软件角度提出了对应的抗干扰措施。

这些措施的应用能有效抑制单片机系统的各种干扰，从而提高系统的可靠性。

关键词：

单片机系统；抗干扰；硬件；软件

引言

单片机自问世以来，以其极高的性价比广泛应用于工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器等领域。

由于单片机对于干扰来说属于敏感器件，容易受到干扰的影响导致整个系统瘫痪，因此在系统设计上应充分考虑抗干扰问题，以提高系统的可靠性。

抗干扰就是针对干扰产生的性质、传播途径、侵入的位置和侵入的形式，采取相应的方法消除干扰源，抑制干扰传播途径，减弱电路或元件对噪声干扰的敏感性，使单片机系统能够正常、稳定地运行。

1单片机系统的组成

一般一个单片机应用系统的硬件电路由以下几部分构成：

信号检测部分、信号处理及控制部分、控制信号驱动部分、系统交互部分、显示部分。

由此可见一个单片机应用系统的组成是比较复杂的，任意一个环节有干扰信号侵入都可能造成系统工作的不稳定。

2单片机应用系统的主要干扰渠道分析

所谓干扰就是叠加在有用信号上的不需要的信号，是影响电路正常工作的另一种噪声。

干扰以某种电信号的形式，通过某一渠道，混入有用信号中侵入单片机系统，造成系统工作不稳定。

在实际环境中，干扰总是存在的，这些干扰降低了电子系统的准确性甚至破坏其可靠性。

2.1外部环境所产生的干扰

单片机控制系统是为工业控制而设计制造的，经常工作于工业生产现场。

在实际的生产现场，存在着大量的电磁干扰信号，对单片机控制系统的正常工作造成极大的危害，从而有可能带来系统误操作甚至失控的危险。

测控通道引入的干扰，通过与系统连接的测控通道或与其它主机连接的相互通道引入，会对系统的正常工作造成有害影响。

2.2干扰对单片机应用系统的作用部位[1]

干扰作用于输入系统，将使模拟信号失真、数字信号出错，单片机根据这种输入信息作出的反应必然是错误的。

干扰作用于输出系统，将使各输出信号混乱，不能正常反映系统的真实输出量，从而导致一系列严重后果。

干扰作用于CPU系统，使CPU得到错误的数据信息，导致运算操作数据失真进而使结果出错，并将这个错误一直传递下去，形成一系列错误。

3单片机系统抗干扰措施

3.1硬件抗干扰措施

硬件系统的抗干扰性设计是单片机系统可靠性的根本，它能把干扰消除在外围，因此硬件设计时要尽可能采取抗干扰措施，最大限度抑制干扰的产生。

3.1.1抑止干扰源

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：

，

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。

抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的

和

，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

主要是通过在干扰源两端并联电容来实现，减小干扰源的

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[2]：

若应用系统中有继电器，则给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。

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。

为了减小IC对电源的影响，电路板上每个IC要并联接一个0.01～0.1μF高频电容，注意高频电容的布线，布线时避免90°折线，以减少高频噪声发射，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。

3.1.2切断干扰传播路径

切断干扰传播路径，就是要在干扰信号传播途径上对干扰信号进行隔离、滤波等减小干扰信号对敏感元器件的干扰，常用措施如下[3]：

在单片机I/O口、电源线、电路板连接线等关键地方使用磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩等抗干扰元件，可显著提高电路的抗干扰性能。

电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号要分区设计，尽可能把干扰源（如电机、继电器）与敏感元件（如单片机）远离。

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，但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。

线路板要合理布线并在关键部位配置去耦电容，使可能的干扰信号以最短的途径形成回路。

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。

3.1.3抑制电源干扰

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。

单片机系统大多采用市电（个别采用电池供电），极易受到各种原因造成的电网波动产生的干扰，从而造成系统工作不稳定或出现“死机”现象，可采取如下措施来抑制电源干扰[4]：

采用开关电源供电，并在开关电源前增加电源滤波模块，即采取电网滤波技术，以滤去电网中由各种大功率设备产生的尖峰脉冲干扰。

直流电源滤波，对稳压后的直流电源进一步采取滤波技术，如对各种芯片电源增加电容滤波，对直流电源与地线增加电感滤波。

3.1.4抑制反电势

在单片机应用系统中，如果负载是具有较大电感量的元件或设备，它可产生反电势，为了抑制其产生的反电势，可在线圈两端并联电阻、电容、二极管和稳压管。

当线圈通直流电时，可并联二极管和稳压管或电阻或电阻和电容组成的旁路；当线圈通交流电时，可并联电阻和电容组成的旁路。

3.1.5滤波

滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。

利用电容、电感等储能元件可以抑制因负载变化而产生的噪声电压，可在电源线的入端并联两只50!

F和0.01!

F的电容，大电容用来抑制电源噪声中的低频分量，小电容用来抑制电源噪声中的高频分量，为了取得更好的效果可在电容的前面加上一个电感。

3.1.6配置去耦电容

数字电路信号电平转换过程中产生很大的冲击电流，并在传输线和供用电源内阻上产生较大的压降，形成严重的干扰。

为了抑制这种干扰，在电路中适当配置去耦电容，即去耦电路，作为储能元件，其作用一方面提供和吸收集成电路开门瞬间的充放电能量，另一方面旁路滤掉集成电路的高频噪声，集成电路的电源端与地线端加接的电容为去耦电容，电路布线的时候去耦电容尽量靠近集成电路的电源输入端，对于微机控制系统，去耦电容值一般取0.01～0.1μF，且一般应选用高频特性好的独石电容或瓷片电容作去耦电容。

3.1.7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：

布线时，尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声，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。

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。

3.1.8采用过压保护电路

以防引入高电压，伤害微机系统，在输入输出通道上应采用一过压保护电路。

过压保护电路由限流电阻和稳压管组成，限流电阻选择要适宜，太大会引起信号衰减，太小起不到保护稳压管的作用，稳压管的选择也要适宜，其稳压值以略高于最高传送信号电压为宜，太低将对有效信号起限幅效果，使信号失真，步进电机驱动电路即采用过压保护电路。

3.1.9采用“看门狗”电路

在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，从而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称"看门狗"（watchdog）。

“看门狗”电路的工作原理是在系统运行过程中，每隔一段固定时间给“看门狗”一个信号，表示系统运行正常，如果超过这一时间没有给出信号，则表示系统运行失控，于是“看门狗”电路将自动产生一复位信号使系统复位，或产生一个中断请求要求系统响应中断，使系统转去执行一中断程序处理当前的故障。

设计“看门狗”电路可采用专用的集成电路，如MAX813L等，亦可选用内置“看门狗”电路的微处理器，如89S52单片机就内置了“看门狗”定时器，采用这种内置“看门狗”微处理器可使电路设计更加简捷可靠。

3.1.10采用接地技术[5]

接地是抑制噪声、防止干扰及确保人身及设备安全的重要环节，对提高系统的抗干扰性能极为有益。

对于一个较大的单片机系统，应根据信号电压和电流的大小，以及电源的类别等分类接地。

首先是弱信号接地，即把系统中的小信号回路、控制回路、逻辑电路以及它们的直流电源等连在一起接地，是为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地，弱信号接地实际上就是工作地。

其次是功率接地，即把系统中的电磁阀及其驱动电源等连在一起构成功率地，因为这些电路的功率较大，是弱信号回路的主要噪声源，因此弱信号地线与功率地线要分开布线，最后在输出端汇合。

第三是变压器屏蔽层接地，对于初级线圈带有屏蔽层的变压器，使用时应将屏蔽层同变压器的初级绕组交流零线相连，对于初级和次级线圈都带有屏蔽层的变压器，使用时应将中间屏蔽层与初级绕组屏蔽层相连。

第四是双绞线或同轴电缆接地，为了减少信号回路的电磁干扰，送入单片机的信号一般采用双绞线或同轴电缆，当采用带屏蔽的双绞线时，屏蔽体和工作地应良好连接，而且这种连接只能在一个点接地。

3.1.11采用屏蔽技术

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，割断其空间场的耦合通道，从而大大降低噪声耦合，取得较好的抗干扰效果。

屏蔽的方法通常是用低电阻材料作成屏蔽体，把需要隔离的部分包围起来。

静电屏蔽的方法一般是在电容耦合通道上插入一个接地的金属屏蔽导体，由于金属屏蔽导体接地，其中的干扰电压为零，从而隔断了电场干扰的原来耦合通道；磁场屏蔽，可以抑制外来高频电磁波的干扰，也可以避免作为干扰源去影响其它设备。

一般采用导磁率高的材料作屏蔽体，利用其磁阻小的特点，给干扰源产生的磁通提供一个低磁阻回路，并使其限制在屏蔽体内，从而实现磁场屏蔽，并且最好采用一定间隔的两层屏蔽或多层屏蔽。

当屏蔽电场或辐射场时，选铜、铝、钢等材料作屏蔽体；当屏蔽低频磁场时，选择磁钢、坡莫合金等材料作屏蔽体；而屏蔽高频磁场则应选择铜、铝等导电率高的材料，还应注意屏蔽体的“一点接地”问题。

3.1.12采用隔离技术[6]

隔离包括物理隔离和光电隔离两种。

物理隔离主要是指对小信号低电平的隔离，其信号连线应尽量远离高电平大功率的导线，在同一设备内部要把这两类信号导线分开走线。

远距离走线时，要把信号电缆和功率电缆分开，并保持一定的距离，必要时可以用钢管把它们分别套起来，以增加屏蔽效果。

光电隔离是通过光电耦合器将信号输入通道或信号输出通道与中央处理单元进行隔离，一方面使干扰信号不得进入单片机系统，另一方面单片机系统本身的噪声也不会以传导的方式传播出去。

光电耦合器将输入信号通过内部发光二极管变成光信号，然后再由内部光敏三极管转变成电信号，将输入均输出完全实现了电隔离，因而也就完全隔离了输入和输出间的各种干扰。

它通过光信号实现了有用信号的正常传输，是一种很好的抗干扰措施，因而得到了广泛的应用。

光电耦合器既起到传输信号，隔离干扰的作用，同时也实现了将具有220V高压的“火地”与单片机系统信号地的隔离。

3.2软件抗干扰措施

为了提高系统的可靠性，光靠硬件措施是不够的，还需要借助于软件措施来抑制某些干扰，如能正确地采用软件抗干扰措施，使其与硬件抗干扰措施构成双重抑制，将大大地提高系统的可靠性。

3.2.1自诊断技术[7]

自诊断又称自检，可以通过上电自检，键控自检，定时自检三种形式及时发现问题，防止系统病态运行，如CPU的诊断：

指令系统诊断，单片机执行完一个包括有传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令及布尔处理指令的程序，累加器A中的数据应为预定值，否则就有问题。

片内RAM诊断，可用“读出→备份→取反→写入→再读出→取反→与备份比较”这一过程进行测试，若相同，则重新写入单元；否则是不正确标志，表明片内RAM有问题。

外部RAM诊断，由于存储器的故障多数是以区域被破坏的形式出现，采用存储分段设置标志方法来判断RAM区是否受到破坏是有效的。

定时器及中断诊断，用软件延时来检测定时器定时的准确性，利用定时中断来检测中断系统是否有问题。

3.2.2输出端口刷新

由于单片机的I/O口很容易受到外部信号的干扰，输出口的状态也可能因此而改变，在程序中周期性地添加输出端刷新指令，可以降低干扰对输出口状态的影响，在程序中指定RAM单元存储输出口当时应处的状态，在程序运行过程中根据这些RAM单元的内容去刷新I/O口。

3.2.3延时抖动技术

工业测控系统往往会遇到强干扰，如浪涌电压、电源过压、欠压以及尖峰干扰等，在软件设计中可以采取措施加以避开，当干扰到来时，使CPU暂停工作，待干扰过后再恢复CPU工作。

3.2.4出错处理程序

错误处理程序的共同点是先关闭中断，防止事态扩大。

对于有“看门狗”电路的系统来讲，等待复位即可，而软件复位和硬件“看门狗”复位不同。

此时CPU片内的寄存器和I/O状态是不定的，所以错误处理程序在转向程序起点前，要将CPU片内的各寄存器、已激活的中断标志和I/0软件复位，进入初始状态，再转入程序起点。

3.2.5抗输入信号干扰[8]

输入信号干扰，主要是耦合在输入线上的外部干扰，干扰侵入微机系统的前向通道，叠加在信号上，致使数据采集误差加大。

对于输入信号干扰，需要采取读数延时和数字滤波技术来减少干扰信号的作用。

读数延时是指在通道启动后，先空读二次数据，即前两次转换的数据不要，排除通道切换中产生的信号扰动。

模拟信号都必须经过A/D转换后才能为单片机接收，干扰作用于模拟信号后，使A/D转换结果偏离真实值。

如果仅采样一次，是无法确定该结果是否可信，必须多次采样，得到一个A/D转换的数据系列，通过某种处理后，才能得到一个可信度较高的结果。

这种从数据系列中提取逼近真值数据的软件算法，通常称为数字滤波算法。

数字滤波就是用软件实现某种数学运算、对数据进行处理，来达到滤波的效果。

数字滤波的算法很多，常用的算法有去极值平均滤波和滑动平均滤波。

去极值平均滤波算法原理如下：

连续采样n次，将其累加求和，同时找出其中的最大值与最小值，再从累加和中减去最大值和最小值，按n-2个采样值求平均，即得有效采样值。

在实际应用中考虑到运算方便，n通常取4、6、8、10。

采用去极值平均滤波算法，每取得一个有效采样值必须连续进行若干次采样，当采样速度较慢或目标参数变化较快时，系统的实时性得不到保证。

而滑动平均滤波算法能有效地提高n次采样求平均值的速度。

算法原理是：

在内存中开辟一个放n个数据的缓冲区，采集的数据依次放在缓冲区内。

当采集了n个数据，放满缓冲区后，每采集一个新数据时，淘汰掉原来n个数据中最老的一个数，代之以新的，保持这n个数据始终是最近的数据，然后求和及平均值。

这样就使滤波处理的速度提高了n-1倍。

这种数据存放方式可以用环形队列结构方便地实现，每存入一个新数据便自动冲去一个最老的数据。

3.2.6程序失控的恢复技术

应用程序中，根据系统要求，规定了程序运行的唯一路径，体现在系统上电后，程序计数器有唯一的变化历程，保证了程序正常的有序运行。

程序失控是指系统受某种干扰后，PC值偏离了给定的唯一变化历程，导致程序运行偏离正常路径。

程序失控因素及后果往往不可预计，在很多情况下会进入死循环从而导致死机，对于这类干扰，主要采用指令冗余、软件陷阱和软件“看门狗”等技术加以克服。

指令冗余

指令由操作码和操作数组成，CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数，操作码指明CPU要完成什么样的操作，而操作数是操作码的对象。

当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱，这时首先要尽快将程序纳入正轨（执行真正的指令系列）。

MCS-51指令系统中所有的指令都不超过三个字节，而且有很多单字节指令，单字节指令只有操作码，隐含操作数，当程序弹飞到某一条单字节指令上时，便自动纳入正轨；双字节指令第一个字节是操作码，第二个字节是操作数，当程序弹飞到某一双字节指令上时，有可能落到其操作数上，从而继续出错；三字节指令第一个字节是操作码，后两个字节是操作数，当程序弹飞到三字节指令上时，因它有两个操作数，继续出错的机会就更大。

因此，应多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余。

利用指令冗余虽可以减少程序弹飞的次数，但不能在程序中加入太多的冗余指令，以免明显降低程序正常运行的效率。

因此，常在一些对程序流向起决定作用的指令（如跳转指令或调用函数指令）之前插入两条NOP指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确的控制轨道。

软件陷阱

若计算机内部出现了一个意外事件（如溢出、除零等）就会自动转移到一个特定的程序去处理它，这种转移称为捕获，捕获的手段就是设置陷阱。

所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序，若把这段程序的入口标号称为ERR，则软件陷阱即为一条LJMPERR指令，为加强其捕获效果，一般还在其前面加两条NOP指令，因此真正的软件陷阱由三条指令构成，即

NOP

NOP

LJMPERR

软件陷阱主要安排在未使用的中断向量区和未使用的大片ROM空间，也可安排在程序区的断裂点之后，即指令LJMP，SJMP，AJMP，RET，RETI之后。

程序区由一连串执行指令构成，不能在指令串中间任意安排陷阱，否则正常执行的程序也被抓走。

但在指令串中常有一些断裂点，正常执行的程序到此便不会继续往下执行了。

由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，故不影响程序执行效率。

软件“看门狗”[9]

当程序受到干扰，程序弹飞到一个临时构成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱也无能为力，系统将完全瘫痪，这时如果能让计算机自己来监视系统运行情况，及时复位，就可避免引起不良后果，这就是“看门狗”（WATCHDOG）技术，即“程序运行监视系统”。

这就好比是主人养了一条狗，主人在正常干活的时候总是不忘每隔一段时间就给狗吃点东西，狗吃过东西后就安静下来，不影响主人干活，如果主人打瞌睡不干活了，到一定时间，狗饿了，发现主人还没有给它吃东西，就会大叫起来，把主人唤醒，把“程序运行监视系统”称为“看门狗”也就是这个意思。

从这个比喻中可以看出，看门狗有如下特性：

本身能独立工作，基本上不依赖CPU；

CPU在一个固定的时间间隔中和该系统打一次交道（喂一次狗），以表明系统“目前尚正常”；

当CPU掉入死循环后，能及时发觉并使系统复位。

在8096系列单片机和增强型8051系列单片机中，已将看门狗系统做入芯片里；而在普通型8051系列单片机系统中，必须由用户自己建立，可采用纯软件的看门狗技术，即在程序中设置定时器来监视程序运行状态，定时器的定时时间稍大于主程序运行一个循环的时间，而在主程序运行过程中执行一次定时器时间常数刷新操作，这样，只要程序正常运行，定时器不会出现定时中断，而当程序失常，不能刷新定时器时间常数而导致定时中断，利用定时中断将程序流程直接转向出错处理程序（即在中断向量区安放一条LJMPERR），由出错处理程序来完成各种善后工作，并用软件方法使系统复位。

3.2.7输出信号容错处理[10]

在单片机的输出中，有很多是数字信号，比如各种报警装置、步进电机的控制信号等。

即便是模拟输出信号，也是以数字信号形式给出，经D/A转换后才形成。

单片机给出正确的数据输出后，外部干扰有可能使输出装置得到错误的数据，这种错误的输出结果是否造成恶果与输出装置对干扰的耐受能力有很大关系，通常惯性大的输出设备（如各类电磁执行机构）对“毛刺”干扰有一定的耐受能力，惯性小的输出设备（如通信口、显示设备等）耐受能力就小一些。

在软件上，最为有效的方法就是重复输出同一个数据，只要有可能，重复周期应尽可能短，外部设备接收到一个被干扰的错误信息后，还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信息又来到，就可以及时防止错误动作的产生。

超界管理是输出信号容错处理的另一个有效措施，对于以D/A转换方式实现的模拟输出，其本质上仍为数字量，程序中参与D/A转换的数字量是有界的，应加以限制。

例如，假设D/A转换为12位，即值域为（0000H－0FFFH），DATA中存放参与D/A转换的数字量，则DATA的低12位有效，当DATA的值在有效范围的高端时，例如（DATA）=0FF4H，若程序出错，使（DATA）=1004H，造成数据溢出，实际有效位变为004H，经D/A转换后，输出应为高而实际为低，造成输出跳变，这种情况可通过超界管理来避免，即把D/A转换的输入值与最大值（比如0FFFH）进行比较，若大于最大值则以最大值取代原输入值。

结束语

本文结合单片机应用系统，分析讨论了其主要干扰渠道，并在此基础上提出了软、硬件抗干扰措施。

在工程实践中通常都是几种抗干扰方法并用，互相补充配合来获取可靠效果。

从根本上来说，硬件抗干扰是主动的，而软件抗干扰是被动的，即硬件设计方法主要是指如何抑制干扰信号、消除或削弱干扰的影响，是在干扰影响系统正常工作之前动作；软件抗干扰是指干扰已经影响系统的正常工作之后，如何使系统能继续回到正常工作状态。

随着环境的变化、系统的复杂化以及更高的稳定性要求，设计人员需要不断地探索更高效、更可靠的抗干扰技术。

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InterferenceAnalysisofSCMSystem

DepartmentofElectronic0504StudentLijuanjuan

TutorWangaizhen

Abstract:

SCMsystemhasbeenwidelyappliedinindustrialautomationcontrol,inspectionandhouseholdappliancesfields.ThereliabilityofSCMsystemdirectlydeterminestheaccuracyofcontrolandmeasuremen