单片机系统抗干扰

单片机系统的抗干扰抗干扰问题是单片机控制系统工程实现中须解决的关键问题之一。

对干扰产生的机理及其抑制技术的研究，受到国内外普遍重视。

大约在50年代，就开始了对电磁干扰的系统研究，逐步形成了以研究干扰的产生、传播、抑制和使装臵在其所处电磁环境中既不被干扰又不干扰周围设备，从而都能长期稳定运行等为主要内容的技术学科—电磁兼容技术、EMC技术。

按国家军用标准GJB 72—85《电磁场干扰和电磁兼容性名词术语》其定义为：“设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一齐执行各自功能的共存状态。

即：该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中其它设备（分系统、系统），因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。

”一、干扰的作用机制及后果干扰对单片机系统的作用可分为三个部分，第一个部位是输入系统，它使模拟信号失真，数字信号出错，系统如根据该信号做出的反应必然是错误的。

第二个部位是输出系统，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。

第三个部位是单片机的内核，干扰使三总线上的数字信号错乱，使CPU工作出错。

对单片机系统而言，抗干扰有硬件和软件措施，硬件如设臵得当，可将绝大多数的干扰拒之门外，但仍然有部分的干扰窜入系统，引起不良后果，因此，软件抗干扰也是必不可少的。

但软件抗干扰是以CPU的开销为代价的，如果没有硬件措施消除大部分的干扰，CPU将忙于应付，会影响到系统的实时性和工作效率。

成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合而构成的。

硬件抗干扰具有效率高的优点，但要增加系统的成本和体积，软件抗干扰具有投资低的优点，但要降低系统的工作效率。

由于应用系统的工作现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工作过程将对单片机产生强烈的干扰；也由于被控制对象和被测信号往往分布在不同的地方，即整个控制系统的各部分之间有较远的距离，信号线和控制线均可能是长线，这样电磁干扰就很容易以不同的途径和方式混入应用系统之中。

如果上述来源于生产现场的干扰称为系统内部的干扰源的话，那么还有来源于现场以外的所谓外部干扰源，如外电源（如雷电）对电网的冲击，外来的电磁辐射等。

不管哪种干扰源，对单片机的干扰总是以辐射、电源和直接传导等三种方式进入的，其途径主要是空间、电源和过程通道。

按干扰的作用形式分类，干扰一般有串模干扰和共模干扰两种。

抗干扰的方法则针对干扰传导的源特征和传导方式，采取抑制源噪声，切断干扰路径，和强化系统抵抗干扰等三种方式。

控制干扰源的发射，除了从源的机理着手降低其产生电磁噪声的电平之外，广泛的应用着屏蔽（包括隔离）、滤波与接地技术。

屏蔽主要用于切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径。

此三种耦合分别对应于采取的静电屏蔽、磁场屏蔽与电磁屏蔽。

衡量屏蔽的质量采用屏蔽效能这一指标。

屏蔽主要研究各种材料（例如：金属材料、磁性材料、复合材料等）、各种结构（例如：多层、单层、孔隙等）及各种形状的屏蔽体的屏蔽效能，研究屏蔽体的设计以及屏蔽与接地的关系等。

隔离是用于切断传导形式的电磁噪声的传播途径。

例如应用继电器、隔离变压器或光电隔离器件等。

其特点是可将两部分电路的地线系统分割开来，切断通过地阻抗进行耦合的可能性。

滤波是在频域上处理噪声的一种技术。

其特点是将不需要的一部分频谱滤掉。

例如对电源滤波器，只保留50Hz的电源频率，滤除所有其它频率的电磁噪声，而对于各种不同的信号滤波器，其保留的通带视其信号所需而定。

接地是提供有用信号或无用信号，电磁噪声的公共通路。

包括安全地、信号地、电源中线以及系统内的各种地线等等。

其研究内容主要是如何正确地布臵地线，接地体的设计，地线在各种不同频率时的阻抗等等。

对于电气与电子产品，应该采用各种干扰抑制技术，使产品的电磁发射低于标准所允许的限值。

单片机控制系统的抗干扰，包含两个部分，硬件抗干扰和软件抗干扰。

二、抗干扰的硬件措施实践表明，在干扰中，电感性负载切投所产生的干扰是单片机控制系统最常见、最严重、最难克服的干扰之一。

1．抑制电感性负载切投所产生干扰的措施（1）采用阻容（RC）网络，对电感性负载切投所产生干扰的抑制，可采用在负载两端并联RC网络的方法，其目的是降低干扰幅值，减少干扰频率。

（2）采用压敏电阻，压敏电阻是一种对电压敏感的非线性电阻器件，其特性就象双向稳压管一样，是一种无极性的非线性对称的抑制电感性负载反电势干扰和保护触头的器件，既实用于直流电路也实用于交流电路，可接在触点上也可接在线圈上。

与RC网络相比，其参数选择较容易，且不会由于电容的充放电而损伤触点。

压敏电阻还具有温度系数小，电压范围宽（几伏到上万伏），耐冲击性好，寿命长，体积小，重量轻，价格便宜，使用方便等优点。

电源的干扰很多，而交流电的质量不好，也会成为一个重要的干扰源，如下表所列，2．接地的方式（1）一点接地与多点接地的原则，一般而言，低频（1MHz以下）电路应一点接地，高频（10MHz以上）电路应多点就近接地。

因为在低频电路中，布线和元件的电感较小，而接地电路形成的环路，对干扰的影响却较大，因此应一点接地；对高频电路，地线上具有电感，因而增加了地线阻抗，同时各地线之间又产生了电感耦合。

当频率甚高时，特别是当地线长度等于1/4波长的奇数倍时，地线阻抗就会变得很高，这时地线变成了天线，可以向外辐射噪声信号。

单片机控制系统的频率较低，对其起作用的干扰频率也大多在1MHz以下，故宜采用一点接地。

在1MHz~10MHz之间，如果用一点接地，其地线长度不得超过波长的1/20。

否则宜采用多点接地。

一点接地方式有串联一点接地和并联一点接地，串联一点接地的每一个支路之间地线应尽可能缩短，线径应足够粗，电平较低的支路应安排在距电源最近。

并联一点接地各支路电流在导线上所产生的压降互不影响，不会形成干扰，这是其优点，但实现较为麻烦。

（2）交流地与信号地不能共用，因为在一段电源地线的两点之间会有数毫伏，甚至几伏电压，对低电平信号电路来说，这是一个非常严重的干扰，所以交流地和信号地不能共用。

（3）数字地和模拟地，数字地通常具有很大的噪声，而且电平的跳跃会造成很大的电流尖峰。

所有的数字公共导线地应该与模拟公共导线地分开走线，然后只是在一点汇在一起。

特别是在ADC和DAC电路中，尤其要注意地线的正确连接，否则转换将不准确，且干扰严重。

因此ADC和DAC应提供一个独立的模拟地和数字地，将所有器件的模拟地和数字地分别连接，模拟公共地和数字公共地仅在一点上相连接。

（4）微弱信号的模拟地，如果A/D转换器在采集0~50mv的微小信号时，模拟地的接法极为重要，为提高抗干扰能力，可采用三线采样双层屏蔽浮地技术。

（5）抑制干扰的其它措施，如果是电源或电源线路的干扰，可在每一块的集成块电源线与地线的引入端之间接一个容量在0.01uF~0.1uF的无感瓷片电容。

如一装臵中有多块逻辑线路板，一般应在每板的电源与地线的引入端附近并接一个10~100uF的大电容和一个0.01~0.1uF的无感瓷片电容，以防板与板之间的干扰，如对抗干扰要求较高，可在各逻辑板上给予独立的供电系统，这样能非常有效的防止板间干扰。

3．抗串模干扰的措施串模干扰通常叠加在各种不平衡输入信号和输出信号上，还有很多时候是通过供电系统窜入的。

因此，抗干扰电路通常设臵在这些干扰的必经之路上。

（1）光电隔离在输入和输出通道上采用光耦器件来进行信息传输，可将单片机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，绝大多数的外部设备干扰都将被阻挡在外，各类数字信号利用光耦传输无问题，对于模拟信号则可用线性光耦传输。

（2）硬件滤波在低频信号传送电路中接入一些RC低通滤波器，可大大削弱各类高频干扰信号，但硬件滤波的缺点是体积过大，增加成本，而且如截至频率过低则难于胜任，需以软件数字滤波配合。

（3）过压保护电路为防止引入过高电压伤害系统，可在输入输出通道上采用一定的过压保护，电路由限流电阻和稳压管组成，限流电阻选择要适宜，太大了会引起信号衰减，太小了起不到保护稳压管的作用。

稳压管的选择也要适宜，其稳压值以略高于传送电压信号为宜，太低会对有效信号起限幅作用，使信号失真，对于微弱信号（0.2V以下），通常用两只反并联的二极管来代替稳压管，同样可起到过压保护作用。

（4）调制解调技术一些情况下，有效信号的频谱与干扰信号的频谱相互交错，常规的硬件滤波很难将其分离，这时可采用调制解调技术，先用某一已知频率信号对有效信号进行调制，调制后的信号频谱就可移至远离干扰信号频谱的区域，然后再进行传输，传输中混入的干扰信号很容易被滤波环节清除，被调制的有效信号经解调器解调后，恢复原来面目。

（5）抗干扰稳压电源单片机系统的供电线路是干扰的主要入侵途径，所以给系统供电的稳压电源必须设计成为抗干扰性强的，一般有下述几种措施。

a．系统的供电线路和产生干扰的用电设备分开供电。

对一些小型化的产品，可采用COMS芯片，设计成为低功耗系统，直接用电池供电，则干扰可大大降低。

b．通过低通滤波器或隔离变压器接入电网。

c．整流元件上并接滤波电容，可在很大程度上削弱高频干扰，电容可选用1000pF~0.01uF 的无感瓷片电容。

d．采用高质量的稳压电路，较低的等效内阻，输出的直流电压波纹很小，在电路板的各个位臵多接一些滤波电容等。

（6）数字信号采用负逻辑传输干扰源作用于高阻线路上时，容易形成较大幅度的干扰信号，而对低阻线路的影响就要小一些。

在数字信号系统中，输出低电平时内阻要小，输出高电平时内阻大，如果定义低电平为有效电平（使能信号），高电平为无效电平，就可减少干扰引起的错误动作，提高数字信号传输的可靠性。

4．抗共模干扰的措施（1）平衡对称输入在设计信号源（通常是各类传感器）时，尽可能做到平衡与对称，否则易产生附加差模干扰，使后续电路不易应付。

（2）选用高质量的差动放大器高质量的差动放大器特点为高增益、低噪声、低漂移、宽频带，由其构成的运算放大器将获得足够高的共摸抑制比。

（3）良好的接地系统接地不良时将形成较明显的共模干扰，如无法进行良好接地，可将系统浮臵，再配合采用合适的屏蔽措施，不能将供电系统的中线当地线使用。

（4）系统接地点的正确连接方式数字地与模拟地要分开走线，最后只在一点相连接，如果系统中的数字地和模拟地不分，则数字信号的电流会在模拟系统的地线中形成干扰，使模拟信号失真。

（5）屏蔽对于各种电磁感应引起的干扰，屏蔽能起到很好的作用，用金属外壳或金属闸将整机或部分元器件包围起来，再将金属外壳或金属闸接地即可。

屏蔽外壳的接地点要与系统信号参考点相接，而且只能在一处相连，所有具有同参考点的电路部分必须全部装入同一金属外壳中，如有引出线，应采用屏蔽线，其屏蔽层和外壳应在同一点接系统参考点。