单片机课件第13章.ppt

1、第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.1 概述 13.2 干扰源 13.3 模拟信号输入通道的抗干扰 13.4 单片机系统常用软件抗干扰 习题与思考题 第第13章章 单片机应用系统抗干扰技术设计单片机应用系统抗干扰技术设计 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.1 概概 述述随着单片机应用的普及，采用单片机控制的产品与设备也日益增多，而某些设备所在的工作环境往往比较恶劣，干扰严重，这些干扰会严重影响设备的正常工作，使其不能正常运行。因此，为了保证设备能在实际应用中可靠地工作，必须要周密考虑和解决抗干扰的问题。抗干扰措施对于一个单片机系统的设计来说，具有非常重要的意义，也是设计单

2、片机系统必须要考虑的重要问题之一。对于产生的干扰，首先找出干扰源，剖析干扰的作用原因、路径及造成的后果，进而有的放矢，针对具体干扰采取相应措施。抗干扰的措施有很多种，下面将分别从硬件抗干扰和软件抗干扰所采取的不同措施加以介绍。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 干扰对微机系统的作用部位可以分为三个：(1) 输入系统。干扰使模拟信号失真，数字信号出错，微机系统根据这种输入信息作出的反应必然是错误的。(2) 输出系统。干扰使输出信号混乱，不能正常反映微机系统的真实输出量，从而导致一系列严重的后果。如果是监测系统，则其输出的信息不可靠，人们据此信息做出的决策也必然出差错；如果是控制系统，则其输出

3、将控制一批执行机构，使其做出一些不正确的动作，轻者造成一批废次产品，重者引起严重事故。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (3) 微机系统的内核。干扰使三总线上的数字信号错乱，从而引发一系列后果。CPU得到错误的数据信息，使指令或操作数失真，导致结果出错，并将这个错误一直传递下去，形成一系列错误。CPU得到错误的地址信息后，引起程序计数器PC出错，使程序运行离开正常轨道，导致程序失控。程序失控后，有时几经周折，自己回到正常的轨道上来，但这时它可能已经做了几件“坏事”，造成一些明显的后果，也可能埋下了几处隐患，使后续程序出错，有时程序几经周折后便进入一个死循环，使系统瘫痪。第13章 单片机应

4、用系统抗干扰技术设计 由于程序失控，有可能不经调用指令就直接插入一个子程序，然后通过返回指令来破坏堆栈指针，使程序更加失控。如果插入到中断子程序中，不但破坏堆栈指针，而且破坏中断嵌套关系，引起中断混乱。失控的程序有可能破坏与中断有关的特殊功能寄存器，从而改变中断设置方式，关闭或打开某些中断，引起意外的非法中断。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 失控的程序还有可能修改片内RAM中的内容，使某些具有决定性的参数被破坏，引起系统决策失误。也可能修改片外RAM中的内容(这些内容多为数据)，使数据失实。各种外围芯片大多统一编址，以外部RAM的身份出现，当修改外部RAM的内容时，又可能引起对外围芯片

5、的非法操作，如改变外围芯片的工作方式，出现意外的I/O操作等。对于80C51系列CPU如果失控的程序修改了专用寄存器PCON的内容，则又可能直接进入掉电工作方式，也有可能进入“睡眠”工作方式，进入“死睡”状态。 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.2 干干 扰扰 源源13.2.1 形成干扰的基本要素形成干扰的基本要素(1) 干扰源：指产生干扰的元件、设备或信号。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

6、器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.2.2 干扰的耦合方式干扰的耦合方式 干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道才对测控系统产生作用的。因此，我们有必要了解干扰源和被干扰对象之间的传递方式。干扰的耦合方式无非是通过导线、空间、公共线等，主要有以下几种：(1) 直接耦合：这是最直接的方式，也是系统中普遍存在的一种方式。比如干扰信号通过电源线侵入系统，对于这种形式，最有效的方法就是增加去耦电路。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (2) 公共阻抗耦合：这也是常见的耦合方式，这种形式常常发生在两个电路电流有共同通路的情况。为了防止这种耦合，通常在

7、电路设计上就要考虑，使干扰源和被干扰对象之间没有公共阻抗。(3) 电容耦合：又称电场耦合或静电耦合，是由于分布电容的存在而产生的耦合。 (4) 电磁感应耦合：又称磁场耦合，是由于分布电磁感应而产生的耦合。(5) 漏电耦合：这种耦合是纯电阻性的，在绝缘不好时就会发生。 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.2.3 抑制干扰措施抑制干扰措施 针对形成干扰的原因，采取的抗干扰主要有抑制干扰源、切断干扰传播路径、提高敏感器件的抗干扰性能等手段。 1抑制干扰源抑制干扰源抑制干扰源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。减小干扰源一般是通过在干扰源两端并联电容来实现，通过

8、串联电感、电阻或增加续流二极管来实现。 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 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，电阻一般选几千欧姆到几十千欧姆，电容选0.01F)，以减小电火花影响。(3) 给电机加滤波电路。注意，电容、电感引线要尽量短。 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (4) 电路板上每个集成片的电源和地之间要并接一个0.010.1F的高频电容，以减小IC对电源的影响。

9、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。布线时避免90折线，减少高频噪声发射。双面板布线尽量做到电路板两面不要平行布线，以减小分布电容的影响。(5) 可控硅两端并接RC抑制电路，以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)。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 2切断干扰传播路径切断干扰传播路径 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。所谓辐射干扰，是

10、指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是用地线把它们隔离和在敏感器件上加屏蔽罩，以增大干扰源与敏感器件的距离。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 切断干扰传播路径的常用措施如下： (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形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100电阻代替磁珠。(2) 选用频率低的微控制器。(3) 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(增加形滤波电路)。(4) 注意晶振

11、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。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (5) 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)隔开。(6) 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。 (7) 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。(8) 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，可显著提高电路的抗干扰性能。第13章 单片机应用系统抗干

12、扰技术设计 3提高敏感器件的抗干扰性能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干扰。主要措施如下：(1) 布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。(2) 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。其他IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下也要接地或接电源。 (4) 对单片机使用电源监控及看门狗电路，如IMP809、IMP706、IMP813、X5043、X5045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (5) 在速度能满足要求的前提下，

13、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。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.3 模拟信号输入通道的抗干扰模拟信号输入通道的抗干扰模拟信号输入通道是数据采集和单片机、传感器之间进行信息交换的渠道，对这一信息渠道侵入的干扰主要是因公共地线所引起的，其次当传输线较长时，也会受到静电和电磁波噪声的干扰，这些干扰将严重影响采样信号的准确性和可靠性，因此必须予以消除或抑制。13.3.1 采用隔离技术隔离干扰采用隔离技术隔离干扰所谓隔离干扰，就是从电路上把干扰源与敏感电路部分隔离开来，使它们不存在电的联系，或者削弱它们之间点的联系。隔离技术从原理

14、上可分为光电隔离和电磁隔离。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 1光电隔离光电隔离光电隔离是利用光电耦合器件实现电路上的隔离，其工作原理如下： (1) 光电隔离器的输入端为发光二极管，输出端为光敏三极管，输入与输出端之间通过光传递信息，而其又是在密封的条件下进行的，故不受外界光的影响。光电耦合器的结构如图13-1所示。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 图13-1 二极管三极管型的光电耦合器第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (2) 光电耦合器的输入阻抗很低，一般在1001000之间，而干扰源的内阻一般很大，通常为105106，根据分压原理可知，这些能够馈送到光电耦合器输入端的噪声

15、很小。(3) 由于干扰源的内阻一般很大，尽管它能提供较大幅度的干扰电压，但是能够提供的能量很小，即形成微弱的电流，而光电耦合输入端的发光二极管，只有当流过的电流超过其阈值时才能发光。输出的光敏三极管只在一定光强度下才能工作，因此即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量而不能使发光二极管发光，从而被抑制掉。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (4) 光电耦合器件的输入端与输出端之间的寄生电容极小，一般仅为0.52pF，而绝缘电阻又非常大，通常为10111013，因此输出端的各种干扰很难反馈到输入端中。由于光电耦合器件的以上优点，使得光电耦合在系统与外界以及系统内部电路之间的隔离方面有着广

16、泛的应用。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 2电磁隔离电磁隔离电磁隔离是在传感器与输入通道之间加入一个隔离放大器，利用隔离放大器的电磁耦合，将外界的模拟信号与系统进行隔离传送。美国AD公司的Model277隔离放大器的结构如图13-2所示，这是既具有一般放大器的特性，又在其输出和输入端之间无直接耦合通路的一类放大器，其信息传送通过磁路来完成。隔离放大器在系统中的使用如图13-3所示。由图13-3可知，外界的模拟信号由隔离放大器进行隔离放大，然后以高电平低阻抗的特性输出至多路开关。为抑制市电频率对系统的影响，电源部分由变压器隔离。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 图13-2 Mode

17、l277结构图第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 图13-3 隔离放大器隔离图第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.3.2 采用滤波器滤除干扰采用滤波器滤除干扰滤波是一种只允许某一频带信号通过的抑制干扰措施之一，特别适用于抑制经导线传导耦合到电路中的噪声信号。从现场采集到的信号，是经过传输线送入采集电路或微机接口电路的，因此在信号传输过程中可能引入干扰信号，为使信号在进入采集电路或微机接口电路之前就消除或减弱这种干扰，可在信号传输线上加上滤波器。图13-4为热电偶测温系统信号滤波原理图，Z为热电偶到地的漏阻抗，为干扰磁通，Ucm为不稳定地电位差，电阻R和电容C组成RC滤波器。在信号

18、之间采用RC滤波，会对信号造成一定的损失，对于微弱信号，采用这种方法时应注意这一点。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 图13-4 信号间的滤波第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.3.3 采用浮置措施抑制干扰采用浮置措施抑制干扰浮置又称浮空、浮接，是指数据采集电路的模拟信号地不接机壳或大地。对于被浮置的数据采集系统，数据采集电路和机壳或地之间无直流联系，阻断了干扰电流的通路。数据采集系统被浮置后，明显加大了系统的信号放大器公共线与地之间的阻抗，大大减少了共模干扰电流，因此其抑制共模干扰的能力得到提高。要注意的是，只有在对电路要求高并且采用多层屏蔽的条件下，才采用浮置技术，而且浮置

19、采集电路的供电系统应该是单独的浮置供电系统，否则浮置将无效。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.3.4 A/D转换器的抗干扰转换器的抗干扰A/D转换器抗干扰措施应该从以下两个方面来考虑。1抗串模干扰的措施抗串模干扰的措施(1) 在串模干扰严重的场合，可以采用积分式或双积分式A/D转换器，由于转换的是平均值，瞬间干扰和高频噪声对转换结果的影响较小。同时由同一积分电路进行的正反两次积分使积分电路的非线性误差得到补偿，所以转换精度较高，动态性能较好。这种措施的缺点是转换速度慢。(2) 对于高频干扰，可以采用低通滤波器加以滤除，对于低频干扰可采用同步采样的方式加以消除，这需要检测出干扰的频率

20、，例如f=50Hz的工频干扰，选取与干扰频率成整数倍的采样频率，并使两者同步，如图13-5所示。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 图13-5 同步采样滤除干扰第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (3) 当传感器和A/D转换器相距较远时，容易引起干扰，解决的办法是用电流传输代替电压传输。如图13-6所示，传感器输出420mA电流信号，在长距离线上传输。在接收端并接250电阻，将电流信号转换成电压信号，然后送A/D转换器输入端，且屏蔽线在接收端接地。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 图13-6 电流传输代替电压传输第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 2抗共模干扰的措施抗共模干扰

21、的措施(1) 采用三线采样双层屏蔽浮置技术。所谓三线采样，就是将信号线和地线一起采样，实践证明，这种双层屏蔽采样技术是抗共模干扰的最有效的方法。由于传感器和机壳之间会引起共模干扰，因此A/D转换器的模拟地一般采取浮置接地方式，其电路如图13-7所示。(2) 采用隔离技术。这种方法前面已有介绍，这里不再重复。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.3.5 印刷电路板及电路的抗干扰设计措施印刷电路板及电路的抗干扰设计措施1合理布置印刷电路板上的器件合理布置印刷电路板上的器件印刷电路板上器件布置应符合器件之间电气干扰小和易于散热的原则。一般印刷电路板上同时具有电源变压器、模拟器件、数字逻辑器件

22、、输出驱动器件等，为了减少器件之间的电气干扰，应将器件按功率大小及抗干扰能力强弱分类集中布置。将电源变压器和输出驱动等大功率器件作为一类集中布置，将数字逻辑作为一类集中布置，将易于受干扰的模拟器件作为一类集中布置，各类器件之间应尽量远离，以防止相互之间的干扰。此外，每一类器件再按照小电气干扰原则进一步分类布置。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 2印刷电路板合理布线印刷电路板合理布线印刷电路板合理布线的原则如下：(1) 电源线加粗，合理走线、接地，三总线分开以减少互感振荡。 (2) CPU、RAM、ROM等主芯片以及VCC和GND之间接电解电容及瓷片电容，以去掉高、低频干扰信号。(3) 独

23、立系统结构，减少接插件与连线，提高可靠性,减少故障率。 (4) 集成块与插座接触可靠，用双簧插座，集成块最好直接焊在印制板上，以防止器件接触不良。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (5) 印刷电路板是一个平面，不能交叉配线；配线不要做成环路，特别是不要沿印刷电路板周围做成环路；不要有长段窄条并行；单元电路的输入线和输出线应当用地线隔开，有条件的采用四层以上印制板，中间两层为电源及地。(6) 闲置不用的门电路输入端不要悬空；闲置不用的运放同相端接地，反相端接输出端。印刷电路板按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声元件的距离要远一些。电源线、地线应尽量粗一些。(7) 元件布置要合理分区。

24、元件在印刷电路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题，原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上，要把模拟信号部分、高速数字电路部分、噪声源部分(如继电器、大电流开关等)这三部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (8) 处理好接地线。印刷电路板上的电源线和地线最重要。接地设计的基本目的是消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压，以免受电磁场和地电位差的影响，即不形成地环路。在低频电路中，接地电路形成的环路对系统影响很大，一般应采用一点接地。在高频电路中，地线上具有点感应，增加了地线阻抗，而且地线向外辐射噪声信号，因此要多点就近接地。对噪声和干扰

25、非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路应该用金属罩屏蔽起来。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 3数字电路的抗干扰数字电路的抗干扰在采集系统中，会用到许多类型的数字电路，如接口电路、数字量的采集电路等，数字电路与模拟电路相似，电源的性能、接地方式以及外界及内部的电场和磁场噪声等都可能成为数字电路的干扰源，因此前述的抗干扰方法同样适用于数字电路，此外还可以采用以下抗干扰措施。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 1) 采用积分电路抑制干扰在脉冲电路中，为抑制脉冲型的噪声干扰，使用积分电路是一种有效的方法。使用积分电路，脉冲宽度大的信号噪声输出大，而脉冲宽度小的信号噪声输出也小，所以能将噪声

26、干扰除掉。2) 采用脉冲隔离门抑制干扰利用硅二极管正向压降对幅度小的干扰脉冲加以阻挡，让幅度大的信号脉冲顺利通过。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.4 单片机系统常用软件抗干扰单片机系统常用软件抗干扰13.4.1 数据采集和滤波软件抗干扰数据采集和滤波软件抗干扰可靠性设计是一项系统工程，单片机系统的可靠性必须从软件、硬件以及结构设计等方面全面考虑。硬件系统的可靠性设计是单片机系统可靠性的根本，而软件系统的可靠性设计起着抑制外来干扰的作用。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 干扰产生在I/O通道上而CPU能够正常工作的情况下，则在输入通道上采用多次重复采集，直到连续两次或两次以上

27、采集结果完全一致时方为有效；若多次采集后，信号一直变化不定，则停止采集数据，发出报警信息；在满足采样实时性要求的情况下，若在各次采集数字信号之间接入一段延时，抗干扰的效果会更好。在输出通道上，抑制干扰最有效的办法就是重复输出同一个数据，只要有可能，其重复周期应尽可能地短一些；在外部设备接收到一个被干扰的错误信息还未做出反应时，一个正确的输出信息又来到，这样可以及时防止错误动作的产生。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 软件设计时要为每一个输出端口所接外部设备分配一个暂存单元，各决策算法负责将结果写入对应设备的暂存单元，输出功能模块负责将所有暂存单元中的数据一一输出，而不管这个数据是刚刚算出

28、来的还是早就算好的。即使前面的输出是错误的，由于很快重复输出在同一个端口地址，也可以覆盖掉原来的错误结果。同时，在程序结构上，可将输出过程安排在监控循环中。一般情况下，监控循环程序周期比较短，可以有效地防止输出设备的错误动作。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 对于带有增量控制的输出设备，如自带环型分配器和功率驱动的步进电机组件，方向信号可以重复输出，而步进脉冲则不能重复输出，因为每重复一次电机就要前进一步，这种情况如果有位置检测功能，则可实现闭环控制，闭环控制本身就有足够的抗干扰性能，不用重复输出。如果没有检测装置，则建议采用软件算法实现环型分配器的功能，这时仍可以采用重复输出的方式来防

29、止步进电机的失步。只是这时的重复周期与步进电机之间有严格的关系，例如每个换相周期内重复二三次。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 在执行输出功能时，应将有关输出芯片的状态一并重复输出，为确保输出的正确实现，输出功能模块在执行具体的数据输出之前，应先执行芯片的编程指令，再输出有关的数据。这样做能准确定义这些编程芯片的端口，确保数据模块正确地执行命令。单片机能够识别的是数字信号，因此模拟信号都必须通过A/D转换后才能为单片机所接受。干扰作用于模拟信号之后，使A/D转换的结果偏离真实值，如果仅采样一次，无法确定该结果是否可信，必须多次采样，才能得到满意的结果。这种通过软件从数据系列中提取逼近真实

30、值的方法，我们称之为数字滤波算法。对于非周期的随机干扰，常采用这种算法来抑制。数字滤波算法主要有程序判断滤波算法、中值滤波、算术平均滤波、去极值平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波、低通滤波等。下面我们以加权平均滤波为例加以说明。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 所谓加权平均滤波，就是对连续的n次采样值，不是直接求累加和，而是分别乘以不同的加权系数之后再累加求和的方法。加权系数一般先小后大，以突出后若干次采样效果，加强系统对参数变化趋势的辨识。各加权系数均为小于1的数，且满足总和等于1的约束条件。这样一来，加权运算之后的累加和即为有效采样值。对于8位单片机，为方便计算，可取各加权系数为整

31、数，且总和为256，加权之后的累加和再除以256，即是有效采样值。各加权系数存放在一个表格中，各次采样值一次存放在RAM中，算法流程如图13-8所示。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 图13-8 加权平均滤波流程图 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 13.4.2 CPU抗干扰抗干扰前面的抗干扰措施都是针对通道而言的，当干扰作用到CPU本身时，CPU将不能正常工作，从而引起混乱。软件系统的可靠性设计的主要方法有：开机自检、掉电保护、指令冗余、软件陷阱(进行程序“跑飞”检测)、设置程序运行状态标记、软件“看

32、门狗”等。通过软件系统的可靠性设计，达到最大限度地降低干扰对系统工作的影响，确保单片机及时发现因干扰导致程序出现的错误，并使系统恢复到正常工作状态或及时报警的目的。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 1开机自检开机自检开机后单片机首先对系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就进行相应的处理。开机自检程序通常包括对RAM、ROM、I/O口状态等的检测。(1) 检测RAM。检查RAM读、写是否正常，实际操作是向RAM单元写“00H”，读出也应为“00H”，再向其写“FFH”，读出也应为“FFH”。如果RAM单元读或写出错，应给出RAM出错提示(声光或其他形式)，等待处理。第13章 单片

33、机应用系统抗干扰技术设计 (2) 检查ROM单元的内容。对ROM单元的检测主要是检查ROM单元内容的校验和。所谓ROM的校验和是将ROM的内容逐一相加后得到一个数值，该值便称为校验和。ROM单元存储的是程序、常数和表格。一旦程序编写完成，ROM中的内容就确定了，其校验和也就是唯一的。若ROM校验和出错，应给出ROM出错提示(声光或其他形式)，等待处理。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (3) 检查I/O口状态。首先确定系统的I/O口在待机状态时应处的状态，然后检测单片机的I/O口在待机状态下的状态是否正常(如是否有短路或开路现象等)。若不正常，应给出出错提示(声光或其他形式)，等待处理。

34、(4) 其他接口电路检测。除了对上述单片机内部资源进行检测外，对系统中的其他接口电路，比如扩展的EEPROM、A/D转换电路等，又如数字测温仪中的555单稳测温电路，均应通过软件进行检测，确定是否有故障。只有各项检查均正常，程序方能继续执行，否则应提示出错。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 2掉电保护掉电保护瞬间断电或电压的突然下降，将使系统陷入混乱状态，在电压正常后系统难以恢复正常。对付这类事故的有效方法就是掉电保护，掉电信号由外部硬件电路加到单片机的外部中断输入端，软件将掉电中断优先级设置为高级，使系统能够对掉电及时作出反应。在掉电子程序中，首先对现场进行保护，把当前的重要状态参数和

35、中间结果保存起来；其次对有关外设作出妥善处理，如关闭各输入/输出口，使外设处于安全状态等；最后还必须在片内RAM的某一或两个单元做特定标记，作为掉电标志。这些应急措施全部实施完毕后，即可进入掉电保护状态。为保护掉电子程序的正常运行，掉电检测电路必须在电压下降到CPU最低工作电压之前就提出中断申请。掉电后外围第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 电路失电，但CPU不能失电，以保持RAM中内容不变。当电源恢复正常时，CPU重新复位，复位后应首先检测是否有掉电标志，如有则说明本次复位为掉电保护之后的复位，不应将系统初始化，而应按掉电保护程序相反的方式恢复现场，以一种合理的安全方式使系统继续未完成的

36、工作。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 3指令冗余指令冗余当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，MCS-51系列指令系统中所有的指令都不超过3个字节，而且有很多单字节指令。当程序飞到某一条单字节指令上时，便会自动纳入正轨；当程序“跑飞”到某一双字节指令时，又可能落到其操作数上，从而继续出错；当程序飞到三字节指令时，因为它有两个操作数，继续出错的机会更大。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新书写，这便是指令冗余。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 在双字节指令或者三

37、字节指令之后插入两条NOP指令，可保护其后的指令不被拆散；或者说某指令前插入两条NOP指令，则这条指令就不会被前面冲下来的失控指令拆散，并将被完整执行，从而使程序走上正轨，但不能加入太多冗余指令，以免明显降低程序正常运行的效率。因此，常在一些程序流向起决定性作用的指令前，插入两条NOP指令，以保证“跑飞”的程序迅速纳入正确的轨道。此类指令有RET、RETI、ACALL、LCALL、SJMP、AJMP、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、JB、JNB、JBC、CJNZ和DJNZ等。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 4软件陷阱软件陷阱在程序存储器中总会有一些区域未使用，如果因干扰导致单片机

38、的指令计数器PC值被错置，则程序就会跳到这些未用的程序存储空间，系统就会出错。软件陷阱是在程序存储器未使用的区域中加上若干条空操作和无条件跳转指令，来指向程序 “跑飞”处理子程序的入口地址。如果程序跳到这些未用区域，就会执行无条件跳转指令，转到相应的“跑飞”处理子程序中。除程序未用区域外，还可以在程序段之间(如子程序之间及一段处理程序完成后)及一页的末尾处插入软件陷阱，效果会更好。假设这段处理错误的程序入口地址为ERR，则下面三条指令即组成一个“软件陷阱”：第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 NOPNOPLJMP ERR“软件陷阱”一般安排在下列四种地方。第13章 单片机应用系统抗干扰技术

39、设计 (1) 未使用的中断向量区。MCS-51单片机的中断向量区为0003H002FH，如果所设计的智能化测量控制仪表未使用完全中断向量区，则可在剩余的中断向量区安排“软件陷阱”，以便能捕捉到错误的中断。例如某设备使用了两个外部中断INT0、INT1 和一个定时器中断T0，它们的中断服务子程序入口地址分别为FUINT0、FUINT1 和FUT0，则可按下面的方式来设置中断向量区。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (2) 未使用的大片EPROM空间。智能化测量控制仪表中使用的EPROM芯片一般都不会使用完其全部

40、空间，对于剩余未编程的EPROM 空间，一般都维持其原状，即其内容为0FFH。0FFH对于MCS-51单片机的指令系统来说是一条单字节的指令“MOV R7，A”，如果程序“跑飞”到这一区域，则顺序向后执行，不再跳跃(除非又受到新的干扰)。因此在这段区域内每隔一段地址设一个陷阱，就一定能捕捉到“跑飞”的程序。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 (3) 表格。有两种表格，即数据表格和散转表格。由于表格的内容与检索值有一一对应的关系，在表格中间安排陷阱会破坏其连续性和对应关系，因此只能在表格的最后安排陷阱。如果表格区较长，则安排在最后的陷阱不能保证一定能捕捉到飞来程序的流向，有可能在中途再次“跑

41、飞”。(4) 程序区。程序区是由一系列的指令所构成的，不能在这些指令中间任意安排陷阱，否则会破坏正常的程序流程。但是在这些指令中间常常有一些断点，正常的程序执行到断点处就不再往下执行了，如果在这些地方设置陷阱就能有效地捕获“跑飞”的程序。例如，在一个根据累加器A中内容的正、负和零的情况进行三分支的程序中，软件陷阱安排如下：第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，故不会影响程序的执行效率。在EPROM容量允许的条件下，这种软件陷阱多一些为好。如果“跑飞”的程序落到一个临时构

42、成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱都将无能为力。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 5设置程序运行的标志设置程序运行的标志要进行程序“跑飞”处理，就要分清程序“跑飞”所造成的影响，以及程序“跑飞”前运行的进程，这就需要设置相应的标志。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 1) RAM数据正常标志RAM数据正常标志是检测RAM区的数据是否已经因程序“跑飞”或其他干扰而改变，如果已改变，则系统无法自行恢复到原来的出错地点，只能由人工或由软件复位从头开始执行。要进行RAM单元数据正常与否的检测，首先应在初始化程序中对RAM的若干单元设置RAM数据正常标志。通常是在RAM单元中选数个单元，在初始

43、化程序中将其设置成固定的数，如“55H”或“0AAH”，只要程序正常运行，这些单元的内容是不会被修改的，若因程序“跑飞”或其他干扰导致这些RAM单元中的任何单元的数据发生变化，则说明其他RAM单元的内容也可能发生变化，这样就无法反映程序运行的结果和状态，也就不能根据RAM单元中的标志去恢复程序运行现场。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 2) 程序运行标记程序运行状态标记是在RAM区中设立一些标志位，这些标志位分别代表程序运行的不同阶段及运行后的状态。在初始化程序中，首先对这些单元设置初值，在程序运行的不同阶段，这些单元的内容将被改变成特定值，以标记程序运行的阶段和运行后的状态。这些标志除

44、了在程序正常运行中起到条件转移的作用外，还能在程序“跑飞”而RAM单元数据仍正常时起到恢复程序运行现场的作用。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 6软件软件“看门狗看门狗”(WATCHDOG)软件陷阱是在程序运行到ROM的非法区域时检测程序出错的方法，而“看门狗”是根据程序在运行指定时间间隔内未进行相应的操作，即未按时复位看门狗定时器，来判断程序运行出错的。若失控的程序进入“死循环”，则通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”，其方法是通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现

45、。在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断系统则无法定时“喂狗”，硬件看门狗电路失效。而软件看门狗可有效地解决这类问题。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 WATCHDOG 有如下特征：(1) 本身能独立工作，基本上不依赖于CPU。CPU只在一个固定的时间间隔内与之打一次交道，表明整个系统“目前尚属正常”。(2) 当CPU落入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。目前有很多单片机在内部已经集成了片内的硬件WATCHDOG电路，使用起来更为方便。也可以用软件程序来形成WATCHDOG。例如可以采用8051的定时器T0来形成WATCHDOG；将T0的溢出中断设为高级中断，其

46、他中断均设置为低级中断，若采用6MHz的时钟，则可用以下程序使T0定时约10ms来形成软件WATCHDOG。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 软件WATCHDOG启动后，系统工作程序必须每隔小于10ms的时间执行一次“MOV TH0，#0E0H”指令，重新设置T0的计数初值。如果程序“跑飞”后执行不到这条指令，则在10ms之内即会产生一次T0溢出中断，在T0的中断向量区安放一条转移到出错处理程序的指令LJMP ERR，由出错处理程序来处理各种善后工作。采用软件WATCHDOG有一个弱点，就是如果“跑飞”的程序使某些操作数成为修改T0功能的指令，则执行这种指令后软件WATCHDOG 就会失效。因此，软件WATCHDOG的可靠性不如硬件高。第13章 单片机应用系统抗干扰技术设计 习题与思考题习题与思考题13-1 简述形成干扰源的要素。13-2 单片机抗干扰从哪几个方面考虑？13-3 简述硬件抗干扰的措施。13-4 简述软件抗干扰的方法及具体措施。