第8章單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

1、第8章 單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù),本章學(xué)習(xí)目標(biāo)：,,本章主要介紹了單片機(jī)系統(tǒng)的干擾來源，主要干擾的形式、種類及抗干擾措施。通過對本章的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)：,熟悉單片機(jī)系統(tǒng)的各種干擾來源及形式,學(xué)會供電系統(tǒng)及過程通道的抗干擾措施,能說出在印制電路板設(shè)計中體現(xiàn)的抗干擾措施,學(xué)習(xí)設(shè)計軟件陷阱及看門狗電路,8.1 干擾的來源,在日常生活中，經(jīng)常會遇到這樣一些現(xiàn)象。比如聽收音機(jī)時，有汽車經(jīng)過，喇叭就會出現(xiàn)刺耳的噪聲，這就是干擾。所謂干擾，就是

2、有用信號外的噪聲或造成惡劣影響的變化部分的總稱。 在進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)過程中，我們經(jīng)常會碰到一個很棘手的問題，即在實驗室環(huán)境下系統(tǒng)運(yùn)行很正常，但小批量生產(chǎn)并安裝在工作現(xiàn)場后，卻出現(xiàn)一些不太規(guī)律、不太正常的現(xiàn)象。究其原因主要是系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計不全面，導(dǎo)致應(yīng)用系統(tǒng)的工作不可靠。引起單片機(jī)控制系統(tǒng)干擾的主要原因有以下幾類：,（1）供電系統(tǒng)的干擾 眾所周知，電源開關(guān)的通斷、電機(jī)和大的用電設(shè)備的啟停會使供電電

3、網(wǎng)發(fā)生波動，受這些因素的影響，電網(wǎng)上常常出現(xiàn)幾百伏、甚至幾千伏的尖峰脈沖干擾，這就會使同一電網(wǎng)供電的單片機(jī)控制系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。這種干擾是危害最嚴(yán)重也是最廣泛的一種干擾形式。,（2）過程通道的干擾 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，開關(guān)量輸入、輸出和模擬量輸入、輸出通道是必不可少的。這些通道不可避免地會使各種干擾直接進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)。同時，在這些輸入輸出通道中的控制線及信號線彼此之間會通過電磁感應(yīng)而產(chǎn)生干擾，從而使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的程序錯誤

4、，甚至?xí)拐麄€系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。,（3）空間電磁波的干擾 空間干擾主要來自太陽及其它天體輻射電磁波、廣播電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波及各種周圍電氣設(shè)備發(fā)射的電磁干擾等。如果單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作在電磁波較強(qiáng)的區(qū)域而沒有采取相關(guān)的防護(hù)措施，就容易引起干擾。但這種干擾一般可通過適當(dāng)?shù)钠帘渭敖拥卮胧┘右越鉀Q。 因此，針對以上出現(xiàn)的問題，我們必須采用有效措施以提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾的能力。,8.2 主要干擾通道及抗

5、干擾措施,8.2.1 供電系統(tǒng)干擾及抗干擾措施1、供電干擾的種類 如果把電源電壓變化持續(xù)時間定為Δt，那么，根據(jù)Δt的大小可以把電源干擾分為四種情況：,（1）過壓、欠壓、停電： 當(dāng)Δt>1s時產(chǎn)生的干擾，解決辦法是使用各種穩(wěn)壓器、電源調(diào)節(jié)器，對短時停電可用不間斷電源（UPS）供電。,（2）浪涌、下陷、半周降出：當(dāng)1s>Δt> 10ms時產(chǎn)生 的干擾，可使用快速響應(yīng)的交流電源調(diào)

6、壓器克服。（3）尖峰電壓：當(dāng)Δt為μs量級時產(chǎn)生的干擾， 解決辦法是使用具有噪聲抑制能力的交流電源調(diào)節(jié)器、參數(shù)穩(wěn)壓器或超隔離變壓器。 （4）射頻干擾：當(dāng)Δt為ns量級時產(chǎn)生的干擾，可加2~3節(jié)低通濾波器消除干擾。,2、抗干擾設(shè)計,在單片機(jī)系統(tǒng)中，為了提高供電系統(tǒng)的質(zhì)量，防止竄入干擾，建議采用如下措施：（1）單片機(jī)輸入電源與強(qiáng)電設(shè)備動力電源分開。（2）采用具有靜電屏蔽和抗電磁干擾的隔離電源變壓器。,隔離變壓器的初級和次

7、級之間均采用隔離屏蔽層（可用漆包線或銅等非導(dǎo)磁材料在初級和次級繞一層，但電氣上不能與初級、次級線圈短路，而后引出一個頭接地）。各初級、次級間的靜電屏蔽與初級間的零電位線相接，再用電容耦合接地。如圖8—1所示。,圖8—1 隔離變壓器,（3）交流進(jìn)線端加低通濾波器，可濾掉高頻干擾。安裝時外殼要加屏蔽并使其良好接地，濾波器的輸入、輸出引線必須相互隔離，以防止感應(yīng)和輻射耦合。直流輸出部分采用大容量電解電容進(jìn)行平滑濾波。（4）對于功率不大的小

8、型或微型計算機(jī)系統(tǒng)，為了抑制電網(wǎng)電壓起伏的影響，可設(shè)置交流穩(wěn)壓器。（5）采用獨(dú)立功能塊單獨(dú)供電，并用集成穩(wěn)壓塊實現(xiàn)兩級穩(wěn)壓。例如主板電源先用7809穩(wěn)壓到9V，再用7805穩(wěn)壓到5V。如圖8—2所示。（6）盡量提高接口器件的電源電壓，提高接口的抗干擾能力。例如用光耦合器輸出端驅(qū)動直流繼電器，選用直流24V繼電器比6V繼電器效果好。,8.2.2過程通道干擾及抗干擾措施,圖8—2 供電系統(tǒng)配置圖,過程通道是系統(tǒng)輸入、輸出以及單片機(jī)之間

9、進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂健Ｓ捎谳斎胼敵鰧ο笈c單片機(jī)之間的連接線長，容易串入干擾，必須采用隔離技術(shù)、雙絞線傳輸、阻抗匹配等措施抑制。,,（1）光電隔離器 光電耦合器是把一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管封裝在一個外殼里的器件，光電耦合器的電路符號如圖8—3所示。輸入信號使發(fā)光二極管發(fā)光，其光線又使光敏三極管產(chǎn)生電信號輸出，從而既完成了信號的傳遞，又實現(xiàn)了電氣上的隔離，如圖8—4所示。對啟動或停止負(fù)荷不太大的設(shè)備，常采用光電耦合器來抑制輸

10、出通道的干擾。,圖8—4 開關(guān)量輸入光電隔離電路,圖8—3 光電隔離器圖形符號,1、開關(guān)量隔離 常用的開關(guān)量隔離器有光電隔離器、繼電器、光電隔離固態(tài)繼電器(SSR)。,如果輸出開關(guān)量是用于控制大負(fù)荷設(shè)備時，就需采用繼電器隔離輸出。因為繼電器觸點(diǎn)的負(fù)載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光電隔離的負(fù)載能力，它能直接控制動力回路。在采用繼電器做開關(guān)量隔離輸出時，要在單片機(jī)輸出端的鎖存器74LS273與繼電器間設(shè)置一個OC門驅(qū)動器。用以提供較高的

11、驅(qū)動電流。如圖8—5所示。,圖8—5 開關(guān)量繼電器隔離電路,（2）繼電器,雙向晶閘管是在普通晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它也是一種常用的大功率半導(dǎo)體器件，具有弱電控制，強(qiáng)電輸出的特點(diǎn)，只需要很小的功率，就可以控制較大的電流。 圖8-6（a）給出了普通小功率雙向晶閘管的外形及引腳排列。,（a）普通小功率雙向晶閘管的外形 （b）結(jié)構(gòu)符號圖8-6 雙向晶閘管的外形及結(jié)構(gòu)符號,（3）雙向晶閘管,雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)符號見圖8-

12、6（b）。三個電極分別是T1、T2、G。其特點(diǎn)是，當(dāng)G極和T2極相對于T1的電壓均為正時，T2是陽極，T1是陰極。反之，當(dāng)G極和T2極相對于T1的電壓均為負(fù)時，T1變成陽極，T2為陰極。（4）光電隔離固態(tài)繼電器(SSR),圖8—7 SSR的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,圖8—8 SSR基本單元電路,固態(tài)繼電器是將發(fā)光二極管與雙向晶閘管封裝在一起的一種新型電子開關(guān)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖8—7所示。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，可控硅被觸發(fā)而接通電路。固態(tài)繼電器

13、可分為交流固態(tài)繼電器和直流固態(tài)繼電器兩大類。其基本單元接口電路如圖8—8所示。,圖8—7 SSR的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,圖8—8 SSR基本單元電路,2、 A/D、D/A與單片機(jī)之間的隔離措施,（1）模擬量隔離 對A/D、D/A變換前后的模擬信號進(jìn)行隔離，是常用的一種方法。通常采用隔離型放大器對模擬量進(jìn)行隔離。但所用的隔離型放大器必須滿足A/D、D/A變換的精度和線性要求。,圖8—9 數(shù)字量隔離,利用若干個鎖存器對高速的

14、地址信號、控制信號及數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存．然后用該信號對A/D、D/A芯片進(jìn)行操作，完成多路開關(guān)的選通，進(jìn)行A/D、D/A變換。換言之，A/D變換時，先將模擬量變?yōu)閿?shù)字量進(jìn)行隔離，然后再送入單片機(jī)。D/A變換時，先將數(shù)字量進(jìn)行隔離，然后進(jìn)行D/A變換。如圖8—9所示。,（2）數(shù)字量隔離,雙絞線是較常用的一種傳輸線。與同軸電纜相比，其波阻抗高、抗共模噪聲能力強(qiáng)，對電磁場具有一定抑制效果。根據(jù)傳送距離不同，雙絞線使用方法不同，如表8—1所示。當(dāng)

15、用雙絞線傳輸與光電耦合器配合使用時，可按圖8—10所示的方式連接。圖中（a）是集電極開路驅(qū)動器與光電耦合器的一般情況。（b）是開關(guān)接點(diǎn)通過雙絞線與光電耦合器連接的情況。如光電耦合器的光敏晶體管的基極上接有電容（12pF~0.01μF）及電阻（10~20M），且后面連接施密特集成電路驅(qū)動器，則會大大加強(qiáng)抗噪聲能力，如圖（c）所示。,3、利用雙絞線抑制長線傳輸干擾,表8—1 雙絞線的使用方法,,,,,,,圖8—10 雙絞線與光電耦合器聯(lián)

16、合使用,4、機(jī)械觸點(diǎn)及交流、直流電路的噪聲抑制,（1）機(jī)械觸點(diǎn)的抗干擾措施 開關(guān)、按鈕、繼電器觸點(diǎn)等在操作時，經(jīng)常會發(fā)生抖動，如不采取措施，則會造成誤動作。這類器件可采用如圖8—11所示的辦法，以獲得沒有振蕩的邏輯信號。,（a）濾波消抖電路 （b）單穩(wěn)態(tài)電路 （c）觸發(fā)器消抖電路 （d）施密特電路圖8—11 機(jī)械觸點(diǎn)的抗干擾措施,（2）抑制反電動勢的抗干擾措施,電機(jī)、變壓器、繼電器、電磁閥等工業(yè)電氣設(shè)備多為

17、感性負(fù)載，投切時會產(chǎn)生很高的反電勢，這不僅可能損壞元件，而且會產(chǎn)生高頻的電磁波干擾其它電路，通過電源直接侵入到單片機(jī)裝置中。因此，在輸入/輸出通道中使用這類器件時，必須在繼電器線圈或開關(guān)觸頭兩端并接抗干擾電路，如圖8—12所示。其中，（a）（b）用于直流電流的干擾抑制；（c）圖電路對交、直流干擾均適用；（d）（e）用于接觸器和繼電器觸頭的兩端。,（a）二極管—穩(wěn)壓管抑制電路 （b）電阻—二極管抑制電路（c）R-C阻容抑制電路

18、 （d）（e）開關(guān)觸頭兩端的反電勢抑制電路圖8—12 反電勢抑制電路,,☆8.3 印制電路板及電路的抗干擾設(shè)計,在單片機(jī)系統(tǒng)中，印制電路板的設(shè)計好壞對抗干擾能力影響很大。印制電路板是用來支撐電路元件，并提供電路元件和器件之間電氣連接的重要組件。為了減少干擾，在印制電路板設(shè)計過程中必須遵循以下三大原則： ●盡量控制噪聲源； ● 盡量減小噪聲的傳播與耦合； ● 盡量增加噪聲的吸收。,8.3.1印制

19、電路板的尺寸及元件的選擇,1．印制電路板大小要適中 如果印制電路板太大，會增加線路的阻抗及成本，降低抗干擾能力；太小，則散熱不好，而且線路間干擾也會大大增加。 2．合理配置去耦電容（1）直流電源輸入端應(yīng)跨接10~100μF以上的電解電容器。（2）原則上每個集成電路芯片的Vcc引腳都應(yīng)安置—個0.01μF的陶瓷電容器。也可每4~10個芯片安置一個1~10μF的鉭電容器。,（3）對于抗噪聲能力弱、關(guān)斷時電流變化

20、大的器件和ROM、RAM等存儲器件，應(yīng)在芯片的電源線（Vcc）和地線（GND）間直接接入去耦電容。（4）電容引線不能太長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。（5）在選用作為電路充電的儲能電容時，盡量采用大容量的鉭電容或聚脂電容，而不用電解電容。若使用電解電容則要與高頻特性好的去耦電容成對使用。如圖8—13所示為去耦電容的安裝位置圖。,圖8—13 去耦電容的安裝位置圖,3．選擇時鐘頻率低的單片機(jī)及外部時鐘部件。4．元件的選擇盡量采用

21、低速器件。5．對進(jìn)入電路板的信號源及從高噪聲區(qū)來的信號要加濾波，繼電器線圈處要加續(xù)流二極管。 6．盡量不使用IC插座，而把IC直接焊在印制板上，這樣可減少IC插座間較大的分布電容。7．電源插接件與信號插接件要盡量遠(yuǎn)離，主要信號的插接件外面最好帶有屏蔽。 在安排插針信號時，用一部分插針為接地針，均勻分布于各信號針之間，起到隔離干擾的作用。信號針與接地針理想的比例為1：1。,1．元件布置要合理分區(qū)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通?？?/p>

22、分三區(qū)，即模擬電路區(qū)（怕干擾）、 數(shù)字電路區(qū)（既怕干擾、又產(chǎn)生干擾）、功率驅(qū)動區(qū)（干擾源）。應(yīng)將這三個區(qū)合理分開，使它們相互間的信號耦合最小。2．印制電路板要按單點(diǎn)接電源、單點(diǎn)接地的原則送電。三個區(qū)的電源線、地線由該點(diǎn)分三路引出。3．噪聲元件與非噪聲元件要離得遠(yuǎn)一些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離計算機(jī)邏輯電路，如有可能，應(yīng)另做電路板。4．時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端要盡量靠近，并遠(yuǎn)離I/O線及接插

23、件。,8.3.2印制電路板的合理布局,5．I/O驅(qū)動器件、功率放大器件盡量靠近印制電路板的邊緣、靠近引出接插件。6．器件的布置上也應(yīng)考慮到散熱。最好把ROM、RAM、時鐘發(fā)生器等發(fā)熱較多的器件布置在印制板的偏上方部位（當(dāng)印制板豎直安裝時）或易通風(fēng)散熱的地方。單片機(jī)組件的參考布局如圖8—14所示。,圖8—14 單片機(jī)組件位置分配示意圖,1．正確處理電源線 根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。

24、同時，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致。電源線和地線最好分別設(shè)計在不同的版面上，以防雜物引起短路。,8.3.3印制電路板的合理布線,圖8—15 接地的3種方式,（1）正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。當(dāng)信號頻率小于1MHz時，應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實際布線有困難時，可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；當(dāng)頻率大于10MHz時，宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地；當(dāng)信號頻率在1~10MHz之間時，如地線長度不超過波長的1/20，可用單點(diǎn)接地。3種接地方式如圖8—

25、15所示。,2．正確處理地線,（2）將數(shù)字地、模擬地、電源地等分開走線，在一點(diǎn)上可靠連接。如圖8—16所示。,圖8—16 數(shù)字地與模擬地的正確連接,（3）接地線應(yīng)盡量加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。一般接地線寬度應(yīng)在2~3mm以上。地線、電源線與信號線的關(guān)系是：地線＞電源線＞信號線。 （4）使數(shù)字電路的接地線形成閉環(huán)路。（5）高頻部分盡量采用大面積包圍式地線。,（1）用地線將時鐘振蕩電路圈起來，讓周圍電場趨近于零。

26、（2）石英晶體振蕩器外殼要接地，時鐘線盡量短，且在石英晶體振蕩器下面要加大接地的面積，不要走其它信號線。（3）時鐘線垂直于I/O線，必要時要遠(yuǎn)離I/O線。,3．時鐘振蕩電路的處理,數(shù)字電路中，閑置不用的門電路輸入端不能懸空。運(yùn)算放大器中，閑置不用的正輸入端接地，閑置的負(fù)輸入端與輸出端連接。單片機(jī)中不用的I/O口定義成輸出。單片機(jī)上有一個以上電源、接地端的，每一端都要接上，不要懸空。如圖8—17所示。,圖8—17 不用空閑端的處理

27、方法,4．閑置不用的引腳要做好處理,（1）盡量使用多層板，過孔要盡量少。（2）電路板銅膜線的布線盡量使用45°的折線，不要使用90°折線，以減小高頻信號的發(fā)射。其布線方式如圖8—18所示。,圖8—18 銅膜線的布線方式,5．信號線的布線,（3）重要的信號線應(yīng)盡量短且要盡量粗，并在兩側(cè)加上保護(hù)地。將信號通過扁平電纜引出時，要使用地線—信號—地線……的結(jié)構(gòu)。（4）任何信號線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應(yīng)盡量小

28、。（5）對于A/D類器件，數(shù)字部分與模擬部分信號線不能交叉。對噪聲敏感的信號線不要與高速線、大電流線平行。,☆8.4軟件的抗干擾設(shè)計,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，軟件抗干擾設(shè)計也是防止和消除應(yīng)用系統(tǒng)故障的重要途徑。8.4.1　控制狀態(tài)失常的軟件對策 軟件冗余。將對控制條件的一次采樣、處理控制輸出改為循環(huán)采樣、處理控制輸出的方式。這種方法對于慣性較大的控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾作用。如軟件去抖動

29、。,設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元。當(dāng)干擾侵入輸出通道造成輸出狀態(tài)破壞時，系統(tǒng)能及時將寄存單元的輸出狀態(tài)信息傳送到各輸出接口的端口寄存器中，以維持正確的輸出控制。 設(shè)置自檢程序。在單片機(jī)上電復(fù)位后或在程序中間特定部位及某些內(nèi)存單元插入狀態(tài)標(biāo)志，在單片機(jī)運(yùn)行中不斷循環(huán)檢測，以保證系統(tǒng)中信息存儲、運(yùn)輸、運(yùn)算的高可靠性。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)需要自檢的部件有EPROM、RAM、I/O口等。,8.4.2程序運(yùn)行失常的軟件對策,一旦單片機(jī)因干擾

30、而使得程序計數(shù)器PC偏離了原定的值，程序便脫離正常運(yùn)行軌道，出現(xiàn)操作數(shù)數(shù)值改變或?qū)⒉僮鲾?shù)當(dāng)作操作碼的“跑飛”現(xiàn)象。此時，可采用軟件陷阱和“看門狗”技術(shù)使程序恢復(fù)到正常狀態(tài)。1、設(shè)置軟件陷阱 所謂軟件陷阱，是指一些可以使混亂的程序恢復(fù)正常運(yùn)行或使“跑飛“的程序恢復(fù)到初始狀態(tài)的—系列指令。其主要形式見表8—2。,表8—2 軟件陷阱的兩種指令形式及適用范圍,注：形式一的機(jī)器碼為0000020000（十六進(jìn)制）

31、 形式二的機(jī)器碼為020202020000（十六進(jìn)制）,當(dāng)未使用的中斷因干擾而開放時，在對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，就能及時捕捉到錯誤的中斷。在中斷服務(wù)程序中要注意：返回指令用RETI，也可用LJMP。其中斷服務(wù)程序形式為以下兩種：,（1）未使用的中斷區(qū),單片機(jī)系統(tǒng)中使用的EPROM很少能夠全部用完，這些非程序區(qū)可用0000020000或020202020000數(shù)據(jù)填滿。需要注意的是，最后一條填入數(shù)據(jù)應(yīng)為020000。當(dāng)程序“跑

32、飛”進(jìn)入此區(qū)后，便會迅速自動入軌。,（2）未使用的EPROM空間,單片機(jī)系統(tǒng)尋址空間為64K。如果系統(tǒng)僅選用了一片2764，其地址空間為8K，那么還有56K地址空間閑置。當(dāng)程序“跑飛”到這些空間時，讀入數(shù)據(jù)將為FFH，這是“MOV R7，A”指令的機(jī)器碼，此代碼的執(zhí)行將修改R7中的內(nèi)容。因此，可采用圖8—19所示電路來避免。圖中74LS08為四二與門，當(dāng)PC落入2000H~FFFFH這段閑置空間時，定有為高電平。當(dāng)執(zhí)行取指令操作時，為

33、低電平，從而引起中斷，在中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱可將“跑飛”的程序迅速拉入正軌。,圖8—19 非EPROM區(qū)防“跑飛”電路,（3）非EPROM芯片空間,由于程序是采用模塊化的設(shè)計方法，因此，程序也是以模塊方式運(yùn)行的。此時可以將陷阱指令組分散放置在用戶程序各模塊之間空余的單元里。一般每1K字節(jié)有幾個陷阱就夠了。 在正常程序中不執(zhí)行這些陷阱指令，保證用戶程序正常運(yùn)行；但當(dāng)程序“跑飛”時，一旦落入這些陷阱區(qū)，馬上就可將“跑

34、飛”的程序拉到正確軌道。,（4）運(yùn)行程序區(qū),設(shè)用戶主程序運(yùn)行區(qū)間為add1~add2，且定時器T0產(chǎn)生10ms定時中斷；當(dāng)程序“跑飛”落入add1~add2以外的區(qū)間，此時又發(fā)生了定時中斷，則可在中斷服務(wù)程序中判定中斷斷點(diǎn)地址addx是否在add1~add2之間，若不在則說明發(fā)生了程序“跑飛”，應(yīng)使程序返回到復(fù)位入口地址0000H，使跑飛程序納入正軌。,（5）中斷服務(wù)程序區(qū),程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)又稱“看門狗”（WATCHDOG）?！翱撮T狗

35、”好比是主人（單片機(jī)）養(yǎng)的一條“狗”，在正常工作時，每隔—段固定時間就給“狗”吃點(diǎn)東西．“狗”吃過東西后就不會影響主人干活了。如果主人打瞌睡，到一定時間，“狗”餓了，發(fā)現(xiàn)主人還沒有給它吃東西，就會叫醒主人。由此可以看出，“看門狗”就是一個監(jiān)視跟蹤定時器，應(yīng)用“看門狗”技術(shù)可以使單片機(jī)從死循環(huán)中恢復(fù)到正常狀態(tài)。 “看門狗”可以用硬件電路實現(xiàn)，也可采用軟件技術(shù)通過內(nèi)部定時/計數(shù)器實現(xiàn)。目前，大多數(shù)單片機(jī)片內(nèi)都集成有程序運(yùn)行監(jiān)

36、視系統(tǒng)。（1）硬件“看門狗” MAX706是一款帶有“看門狗”和電壓監(jiān)控功能的芯片，其外形如圖8—20（a）所示。由其構(gòu)成的硬件“看門狗”見圖8—20（b）。,2．設(shè)置程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)。,在MAX706內(nèi)部有一個定時器，它獨(dú)立工作于單片機(jī)之外。若單片機(jī)正常工作，每隔一段時間就通過P1.1向“看門狗”輸出一個脈沖，使“看門狗”電路復(fù)位，“看門狗”從0開始重新計數(shù)。但當(dāng)單片機(jī)由于干擾等原因不能正常向“看門狗”電路輸出復(fù)

37、位脈沖時，如果“看門狗”的定時時間已到，MAX706的端就會輸出一個脈沖給單片機(jī)，使單片機(jī)復(fù)位，使其從故障狀態(tài)恢復(fù)正常。,圖8—20 MAX706實現(xiàn)的硬件“看門狗”電路,（2）軟件“看門狗” 軟件“看門狗”技術(shù)的基本思路是：在主程序中對定時器T0中斷服務(wù)程序進(jìn)行監(jiān)視；在定時器T1中斷服務(wù)程序中對主程序進(jìn)行監(jiān)視；定時器T0中斷監(jiān)視定時器T1中斷。軟件“看門狗”設(shè)計請參閱相關(guān)書籍，這里就不再詳述。（3）“看門狗”設(shè)計時

38、的注意事項 ?復(fù)位看門狗，使看門狗電路繼續(xù)起作用的程序段應(yīng)安排在等待查詢的循環(huán)體內(nèi)部、耗時很大的函數(shù)體內(nèi)部及主程序任務(wù)隊列中，而不要加在定時器中斷服務(wù)程序中. ? “硬狗”實現(xiàn)冷啟動，“軟狗”實現(xiàn)熱啟動[8.4]，“硬狗”的可靠性和作用都要比“軟狗”強(qiáng)。在開發(fā)產(chǎn)品時，“硬狗”是必須得加的，而“軟狗”不一定要加。,（1）算術(shù)平均值法 算術(shù)平均值法就是連續(xù)取N個值進(jìn)行采樣，然后算術(shù)平均。這種方法適用于對—般具有

39、隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波。（2）比較舍取法 當(dāng)控制系統(tǒng)測量結(jié)果的個別數(shù)據(jù)存在偏差時，為了剔除個別錯誤數(shù)據(jù)，可采用比較舍取法，即對某個采樣點(diǎn)連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采樣的變化情況確定舍取辦法，剔除偏差數(shù)據(jù)。（3）中值法 中值濾波法就是對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N取奇數(shù))，然后把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次采樣值。中值濾波能有效地克服因偶然因素引起的波動干擾。適用于緩慢變化的被測量。（4）一階遞

40、推數(shù)字濾波法 這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，代替硬件實現(xiàn)RC濾波。,8.4.3 數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對策,用軟件濾波算法，可濾掉大部分由輸入信號干擾而引起的輸出控制錯誤。最常用的方法有算術(shù)平均值法、比較舍取法、中值法、一階遞推數(shù)字濾波法等。,8.5課外閱讀,8.5.1固態(tài)繼電器的基本應(yīng)用,固態(tài)繼電器SSR (SOLID STATE RELAYS)是一種典型的弱電控制強(qiáng)電的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件，它在數(shù)控和自控設(shè)

41、備等方面應(yīng)用非常廣泛，在相當(dāng)程度上可取代傳統(tǒng)的“線圈—簧片觸點(diǎn)式”繼電器(簡稱“MER”)。因此，對于電氣自動化專業(yè)的學(xué)生來講，多學(xué)一點(diǎn)這方面的相關(guān)知識，對今后的工作會有很大的幫助。 SSR只有兩個輸入端(A和B)及兩個輸出端(C和D)，是一種四端器件。工作時只要在A、B端加上一定的控制信號，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實現(xiàn)“開關(guān)”的功能。圖8-21給出了幾種國內(nèi)、外常見的SSR的外形。,圖8-21固態(tài)繼電

42、器的外形,固態(tài)繼電器的特點(diǎn)主要體現(xiàn)為： 工作可靠性高、壽命長 SSR由全固態(tài)電子元件組成，它沒有任何可動的機(jī)械部件，工作中也沒有任何機(jī)械動作；其開關(guān)的“通”、“斷”功能由電路三極管或雙向晶閘管控制實現(xiàn)，無機(jī)械觸點(diǎn)。因而工作更加可靠。有資料表明SSR的開關(guān)次數(shù)可達(dá)108-109次，比一般傳統(tǒng)繼電器的106高幾百倍； 靈敏度高、控制功率小、電磁兼容性好SSR的輸入電壓范圍較寬、驅(qū)動功率

43、低（一般只需十幾毫瓦就能正常工作），可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容，而不需加裝緩沖器或驅(qū)動器。,1．固態(tài)繼電器的特點(diǎn),轉(zhuǎn)換速度快 SSR用固態(tài)器件控制電路通斷，所以轉(zhuǎn)換速度可達(dá)幾毫秒甚至幾微秒。產(chǎn)生的電磁干擾小 SSR沒有輸入線圈，沒有觸點(diǎn)燃弧和回跳，因而電磁干擾較小。無動作噪聲、耐振耐機(jī)械沖擊、對安裝位置無限制，能適應(yīng)環(huán)境惡劣的工作場合。 SSR很容易用絕緣防水材料灌封做成全密封形式，

44、而且具有良好的防潮防霉防腐性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳。這些特點(diǎn)使SSR可在軍事(如飛行器、火炮、艦船、車載武器系統(tǒng))、化工、井下采煤和各種工業(yè)民用電控設(shè)備的應(yīng)用中大顯身手，具有超越傳統(tǒng)繼電器的技術(shù)優(yōu)勢。SSR還能承受在數(shù)值上可達(dá)額定電流十倍左右的浪涌電流。,固態(tài)繼電器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，以下只作簡要說明。⑴多組輸出電路 圖8-22（a）為多組輸出電路。當(dāng)輸入為“0”時，三極管BG截止，SSR1、SSR2

45、、SSR3的輸入端無輸入電壓，各自的輸出端斷開；當(dāng)輸入為“1”時，三極管BG導(dǎo)通，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達(dá)到了由一個輸入端口控制多個輸出端“通”、 “斷”的目的。,2．固態(tài)繼電器的基本應(yīng)用,圖8-22(b)為單刀雙擲控制電路，當(dāng)輸入為“0”時，三極管BG截止，SSR1輸入端無輸入電壓，輸出端斷開，此時A點(diǎn)電壓加到SSR2的輸入端上(UA—UDW應(yīng)使SSR2輸出端可靠接通)，SSR2的輸出端

46、接通；當(dāng)輸入為“1”時，三極管BG導(dǎo)通，SSR1輸入端有輸入電壓，輸出端接通，此時A點(diǎn)雖有電壓，但UA—UDW的電壓值已不能使SSR2的輸出端接通而處于斷開狀態(tài)，因而達(dá)到了“單刀雙擲控制電路”的功能。 但需注意：選擇穩(wěn)壓二極管DW的穩(wěn)壓值時，應(yīng)保證在導(dǎo)通的SSR1“+”端的電壓不會使SSR2導(dǎo)通，同時又要兼顧到SSR1截止時期“+”端的電壓能使SSR2導(dǎo)通。,圖8-22固態(tài)繼電器的多組輸出和單刀雙擲控制電路,⑵單刀雙擲控制

47、電路,光電耦合器也常用于較遠(yuǎn)距離的信號隔離傳送。在傳送中光電耦合器可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用,使兩個系統(tǒng)電源相互獨(dú)立,形成電流環(huán)路的傳送形式.由于電流環(huán)電路是低阻抗電路,它對噪音的敏感度低,因此提高了通訊系統(tǒng)的抗干擾能力.常用于有噪音干擾的環(huán)境下作遠(yuǎn)距離的信號傳輸. 20mA電流環(huán)是EIA（電子工業(yè)協(xié)會）未經(jīng)正式頒布的一種電流控制的串行通信接口。其基本思想是要保證發(fā)送環(huán)路（由兩根線組成，一根送出電流，一根返回電流）和接

48、收環(huán)路（也由兩根線組成）中流過的電流為20mA。當(dāng)環(huán)路中有20mA電流流過時表示邏輯“1”；無20mA電流時表示邏輯“0”。圖8-23是用光電耦合器組成的20mA電流環(huán)串行通信電路.,8.5.2由光電耦合器構(gòu)成的電流環(huán)電路,,圖8-23 20mA電流環(huán)串行通信接口電路,當(dāng)系統(tǒng)傳輸距離不同時，線路上的等效電阻也不一樣，所以每個系統(tǒng)的電流環(huán)結(jié)構(gòu)不一定完全相同。這主要體現(xiàn)為環(huán)路電阻的取值。電流環(huán)電路連線的電阻對傳輸距離影響很大,要針對不同的

49、線路專門計算。計算方法如下: 設(shè)兩系統(tǒng)之間的通信距離為800m，每200m通信線電阻為1Ω，則通信線總電阻為4Ω。已知4N25中發(fā)光二極管兩端導(dǎo)通電壓約0.3V，4N25輸出的低電平約0.3V，于是R1，R2為：可以取R1＝R2＝100Ω。,,圖8-23是兩個單片機(jī)系統(tǒng)通過20mA電流環(huán)進(jìn)行串行口連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信為例，說明其應(yīng)用。電路中的兩片80C51串行口均工作在方式1，作為發(fā)送方的80C51的輸出信號經(jīng)過SN75

50、452進(jìn)行功率放大后送到傳輸線上，經(jīng)過光電耦合器4N25進(jìn)行光電隔離轉(zhuǎn)換，由反相器74LS04送入另一80C51的接收端。軟件設(shè)計可參照實訓(xùn)11中的雙機(jī)通信程序。,隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛。雖然單片機(jī)本身的抗干擾能力較強(qiáng)，但是用單片機(jī)構(gòu)造的控制系統(tǒng)仍存在著抗干擾的問題。為防止外界對系統(tǒng)的干擾，并確保單片機(jī)控制系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，必須采取相應(yīng)的抗干擾措施。 單片機(jī)系統(tǒng)的干擾主要來自于供電系統(tǒng)、過程通道及空

51、間電磁波。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計應(yīng)針對不同的干擾源采取必要的抗干擾措施。具體方法有硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。 對過程通道干擾的抑制可采用隔離技術(shù)、雙絞線傳輸、阻抗匹配等措施；印制電路板抗干擾可從電路板的尺寸、布局和布線三方面進(jìn)行；軟件抗干擾的主要方法有軟件陷阱、“看門狗”電路、軟件濾波等。,本章小結(jié),,1．說明抑制單片機(jī)系統(tǒng)供電干擾的主要方法。2．說明光電耦合器件抑制干擾的原理。3．印制電路板在哪些部位安