[原创]单片机应用系统的抗干扰技术(上)

单片机应用系统的抗干扰技术
    随着工业控制的发展，单片机应用系统以其高性价比逐步取代模拟式控制系统，被广泛应用于各个领域。应用现场存在着各种干扰源，对单片机应用系统的工作影响很大，在实验室里设计好的控制系统，安装调试时完全符合设计要求，而置入现场后，系统常常无法正常稳定地工作。干扰虽不能直接造成硬件的损坏，但常使计算机不能正常运行以致控制失灵，造成设备和生产事故。因此，为了保证设备在实际应用中可靠地工作，从系统设计开始就必须充分考虑到对系统抗干扰性能的要求。
    1 干扰源、干扰途径和干扰的影响
    1.1 应用系统自身干扰源及干扰途径
    应用系统自身干扰源是因在设计系统时对某些问题考虑不全面，如元器件布局不合理、电路工作不可靠、元器件质量差等，形成诸如电阻热噪声干扰、半导体散粒噪声干扰、接触噪声干扰、过程通道干扰、公共电阻形成的干扰等。这些干扰现象随流动元器件电流增大越加明显，这些噪声电流通过系统自身电路和通道而影响系统，其结果是使系统控制精度下降。
    1.2 电磁干扰源及干扰途径
    工业现场的电磁干扰源很多，如动力断路器断弧过程中的多次复燃、电磁铁线圈电感和分布电容的谐振、大电流电弧的电磁辐射、工频输电线附近所存在的强大交变电场和磁场以及来源于太阳等天体辐射的电磁波、雷电和地磁场的变化都可归结为电磁干扰。干扰信号通过导线或回路之间的互感耦合、电容耦合进入控制系统。电磁干扰造成的后果轻者使控制系统产生误差，重者将使系统不能正常工作。
    1.3 供电系统干扰
    由于工业现场运行的大功率设备众多，特别是大感性负载设备的启停，使得电网电压大幅度浪涌与下陷，有时会出现长时间的过压、欠压和短时间的尖峰电压，他们十分方便地以线路传输形式经电源线进入控制系统，其中过压干扰是单片机控制系统最为恶劣的干扰。
    1.4 干扰产生的后果
    干扰常使系统程序"跑飞"，造成"死机"，数据采集误差加大或数据发生变化，控制状态失灵，系统被控对象不稳定或误操作等。
    2 应用系统的硬件抗干扰技术
    硬件抗干扰总的原则是消除干扰源、切断干扰侵入途径和设计低噪声电路。
    2.1 电磁干扰的抑制措施
    工业微机系统比一般计算机更多地受着各种电磁场干扰的影响。电磁场干扰可能来自系统外部，也可能来自系统内部，抑制电磁干扰的主要手段就是采取屏蔽。方式有两种：一是将易干扰的电路或设备等屏蔽起来，以防接收辐射干扰；另一种是将辐射源屏蔽起来，防止辐射出干扰影响其他电路。另外，系统可以浮置(如信号地不接机壳或大地)来阻断干扰电流的通路，设备内部具有辐射能力的电路要独立远置，以减少对其他电路的影响。
    2.2过程通道干扰的抑制
    (1) 光电耦合隔离，采用光电耦合可以切断主机与前向、后向通道电路以及其他主机电路的联系，能有效地防止干扰从过程通道进入主机，同时对抗共地干扰也有好处。
    (2)双绞线传输，双绞线能使各小环路的电磁感应干扰相抵消，对电磁场干扰、共模噪声有一定的抑制效果。
    (3)长线传输的阻抗匹配，要求信号源的输出阻抗、传输线的特性阻抗与接收端的输入阻抗相等。否则，信号在传输线上会产生反射，造成失真。
    2.3 印制电路板的抗干扰设计
    电路板是微机系统中器件、信号线、电源线高密度集合体，对抗干扰性能影响很大，电路板设计、布线及接地不妥可能使整个系统无法正常运行。
    (1)印制电路板：大小要适中。过大时，印刷线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也高；过小，散热不好，且易受干扰。尽量使用多层印制板，保证良好的接地网，减少地电位差。
  (2)器件布置上：把相关的器件就近放置，易产生噪声的电路应尽量远离主机电路，发热量大的器件应考虑散热问题，I/O驱动器件尽量靠近印制板边上放置。闭置的lC管脚不要悬空，元器件脚避免相互平行，以减少寄生耦合。如有可能，尽量使用贴片元件。
    (3)布线：电路之间的连接应尽量短，容易受干扰的信号线要重点保护，不能与能够产生干扰或传递干扰的线路长距离平行；交直流电路要分开；对双面布线的印制电路板，应使两面线条垂直交叉，以减少磁场耦合效应。
    (4)接地：交流地与信号地不能共用，以减少电源对信号的干扰；数字地、模拟地分开设计，在电源端两种地线相连；对于多级电路，设计时要考虑各级动态电流，注意接地阻抗相互耦合的影响，工作频率低于1 MHz时采用一点接地，工作频率较高时采取多点接地，接地线应尽量粗。
    (5)去耦电容：加去耦电容是印制电路板设计的一项常规做法。在电源输入端跨接10～100 μF的电解电容或钽电容，在每个集成电路芯片上安装一个0.01 μF的陶瓷电容器。
    2.4 供电系统抗干扰措施
    (1)使用交流稳压器，可防止电网过电压、欠电压干扰，保证供电的稳定性。
    (2)变压器初次级用屏蔽层隔离，减少其间分布电容，提高共模抗干扰能力。
    (3)低通滤波器可滤去干扰带来的高次谐波。
    (4)整个系统采用分立式供电方式，分别对各部分进行供电。
    (5)采用开关电源并提供足够的功率余量。
    3 应用系统的软件抗干扰技术
东西太多明天继续写下！