2018年03月22日 | 单片机控制系统的可靠性及电磁兼容

　　一般来说，完成单片机的功能设计与制作过程并不非常复杂，系统功能的设计不过是应用系统设计的起点，系统能否在实用中完好无误地实现这些功能是该系统设计更困难的内容。由于实际的工作环境充满各种电磁干扰，极易使控制系统接收干扰信号而产生误动作，从而使整个控制系统陷于混乱乃至瘫痪，导致实验失败和设备损失。因此，一个在实际工程环境中运行的微机应用系统必须具有较强的抗干扰能力，具有电磁兼容(NEC)的性质。所谓电磁兼容是指两个方面的含义：(1)电子系统或设备之间在电磁环境中的相互兼顾。(2)电子系统或设备在电磁环境中能按设计要求正常工作[1]。既要防止干扰别的系统，又要防止被干扰。
　　
　　一、电磁干扰的来源
　　
　　构成干扰必须具备三个主要因素，即干扰源、耦合通道或传播途径，以及干扰接受器，进入控制系统的干扰多种多样，按照其来源，一般分为五种类型[2][3]。
　　
　　(1)电磁干扰由于供电电网的输出电压不稳或毛刺干扰使得系统工作不稳定，甚至产生对系统的损坏。
　　
　　例如，美国的弹道导弹防御系统曾在1979年和1980年由于中心计算机被电网干扰误触发而错误地发出信号，致使防御导弹险些升空而造成震撼世界的事故。
　　
　　(2)过程通道干扰为达到数据采集或实行控制的目的，开关量的输入、输出是微机控制系统与外界不可缺少的联系手段。但电磁干扰也不可避免地通过这些通道进入系统，从而导致输入、输出信号的混乱和数据的错误传输，最终使系统无法正常工作。
　　
　　(3)外来干扰外部的空间中充满了无数的电磁波、电磁场，强烈的电磁场干扰信号会影响系统的运行。
　　
　　(4)印制版及电路间产生的相互干扰这种干扰是由于系统内部印制电路板设计中走线不合理，元件布局不正确以及接地有误等原因引起的自身性干扰。
　　
　　(5)地电流干扰由于实际地电阻不为零，不同的地线之间会产生电位差，这也是干扰的一个来源。

　　二、硬件的可靠性及抗干扰设计　　
　　
　　以上所涉及到的几种干扰在我们所采用的控制系统中都可能出现，因此对每一种干扰都要采取相应的措施予以防范，以下分别就对五种干扰在硬件上采取的应付措施分别讨论。
　　
　　1．供电系统的干扰及其抑制措施
　　
　　供电系统的稳定性是关系到单片机控制系统正常可靠工作的重要因素之一。据统计，计算机故障中有90%以上是由电网干扰引起的[4]，随着工业发展，电源的污染的问题日益严重，尤其是在大功率耗电设备当中，电源干扰的异常情况包括：
　　
　　1)过压、欠压、停电（瞬时）（秒级）
　　
　　2)浪涌和跌落（毫秒级）
　　
　　3)瞬变脉冲(0.5毫秒级)
　　
　　4)尖峰脉冲（毫微秒级）
　　
　　一般说来，对于过压、欠压的解决办法是用稳压器；而浪涌和跌落由于幅值过大会损坏系统，常用快速响应的交流电源稳压器；而瞬变脉冲则可以低通滤波器予以滤除；尖峰脉冲虽然持续时间短，不会对系统造成损坏，但对系统正常运行却危害很大，可造成逻辑功能的紊乱，解决办法可使具有噪声抑制能力的交流电源调节器，参数稳定器和隔离变压器。
　　
　　因此，为了避免来自电源方面的污染，就需要对电源部分进行抗干扰设计，给予合理的供电　　配置，如下图。

　　
　　在直流输出后还应有滤波电路，另外，分散的独立功能的模块应分别供电，这样应在每个模块上可分别再通过三端稳压块(7805、7812等)稳压，交流稳压器用以保证供电的稳定性；防止电源系统的过压与欠压，可提高系统的可靠性；隔离变压器由于在初级和次级之间均采用屏蔽层隔离，减少了分布电容，因而限制了高频噪声从此通过；低通滤波器则可滤去大部分高次谐波的干扰。
　　
　　若考虑滤去50Hz工频干扰时，则可在整流电路的滤波电路采用双T形网络如下图。

　　其频率特性为　　当f=50Hz，只需分别给定R与C，使

　　即可。除此以外，消除电源干扰的设备还有开关稳压电源、干扰抑制器等，视具体情况而分别采用。

　　2．过程通道的干扰及其抑制措施
　　
　　在实际的应用中，单片机的弱电开关常常要与外部强电电路的功率接口相连接。而外部电路中的干扰可能通过功率接口反窜回控制系统，这些干扰包括开关闭合时产生的高频强电磁脉冲、电火花等干扰信号。
　　
　　对此可采用光导纤维传输控制系统的输出信号。因此光电信号不受电磁信号的干扰，故具有很强的抗电磁干扰能力。此外，亦可采用光电耦合器将微处理机浮置隔离。在强干扰环境下通过对微处理机和其它功率接口单独供电的方式也可有效地抑制环路产生的干扰和外界干扰。
　　
　　3．外来干扰及其抑制措施
　　
　　外来的干扰通常是电场、磁场或电磁场通过辐射侵入系统的干扰，对此我们可通过良好的屏蔽和正确合理的接地来消除这种干扰。我们的控制室应该具有良好的屏蔽，采用导电性能良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频电场对屏蔽金属的作用，在屏蔽金属内产生涡流，由涡流产生的磁场抵消或减弱高频电磁场的干扰。高压脉冲电源在放电过程中（毫秒级）会产生高频电磁披和电磁场，屏蔽是最好的抗干扰方法之一。另外，控制系统本身亦处于一个相应的屏蔽箱之内，以尽量减少这种干扰。
　　
　　4．印制板抗干扰电路的设计
　　
　　印制电路板是微机系统中器件、信号线、电源的高密度集合体。
　　
　　印制板电路设计的好坏对系统抗干扰能力影响很大，所以对于该电路的设计布局必须符合抗干扰的原则。
　　
　　(1)印制线路板上器件的合理布局
　　
　　印制板是系统的核心部件，器件的配置、布局对系统的可靠性有着很大的影响。通常按功率不同而将不同的元件分布在不同的区域。例如对电源电路甚至可以单独用一块板子；而易受干扰的器件又可集中布置加以屏幕；微处理器等逻辑部件集中布置；热敏元件要远离发热元件等。对于器件的布局常常要综合考虑各种因素，对于可能影响系统可靠性的元件分别予以相应的处理，使得印制板的器件布置尽量在合理的范围之内。在符合上面所述的电气原则之后应尽可能布局协调，达到美观的目的。
　　
　　(2)印制电路板本身的可靠性设计
　　
　　印制板设计的过程中要注意的问题有：
　　
　　·线路板本身尺寸要合适，过大时，铜皮走线过长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；过小则影响散热，同时临近线条可能会产生相互干扰。
　　
　　·两条平行布置的导线之间存在寄生电容及耦合电感，可能会因此而产生相互干扰。为了抑制这类干扰，需要在线路布局上尽量合理，如避免出现大的环形；尽量减少线路所包围的面积，以降低寄生耦合所产生的电磁干扰；转弯的地方应有弧度或加宽；以地线屏蔽信号线等。
　　
　　(3)电源线布置
　　
　　电源线走向应尽量与数据传递方向一致，并且电源线、地线都应尽量加宽，以使其承受功率增大。另外，地线的加宽可降低地线阻抗，使接地的电位不会有太大的变化，这些都能有效地抑制干扰。
　　
　　(4)地线抗干扰设计
　　
　　接地是个重要的问题。除了上一项中所说地线应加宽以外，微机系统中接地还有一些原则。因为在控制系统中地的概念分为好几种，包括信号地（数字地、模拟地、信号源地）、噪声地、屏蔽地、交流地、直流地，对这些具有不同作用的地有不同的接地方法，通常地线抗干扰设计应符合下述原则。
　　
　　·一点接地与多点接地的选择原则在低频线路中，布线和元件间的寄生电感不大，为减少地线造成环路常采用一点接地。在高频线路中，布线和元件间的寄生电感及分布电容易造成各接地线间的耦合，为此多采用多点接地。
　　
　　·不同性质的地线应分开设置，而后通过一点接地．模拟地与数字地要分别接地。
　　
　　·去耦为了阻止电源输入元件时的干扰信号，在每一个元件的电源输入端与地之间（包括电源输入到电路板上的）都要接一去耦电容以滤去噪声干扰。一般电源输入端跨接10～l00μF的电解电容，每个集成电路芯片都接0.01μF的陶瓷电容。
　　
　　硬件的抗干扰设计有许多内容，以上所讨论的仅是单片机系统在设计过程中碰到的一般问题和解决原则。
　　
　　单片机控制系统的可靠性不仅关系到硬件设计，并且关系到硬件的电器性能，以统计的观点研究系统的可靠性，文献[5]给出了系统的电子元器件可靠性分析，指出了元件可靠性对系统可靠性的影响。

　　三、软件的抗干扰
　　
　　分析尽管在硬件的设计中人们处处防范，但对于强烈的干扰和偶然出现的因素作用依然会使干扰通过我们所未能低御的地方侵入单片机控制系统，此时干扰虽不一定导致硬件损坏，但亦会使系统工作紊乱从而使CPU产生误动作，同样会造成严重的后果。因此在软件设计上必须考虑到这一点，从软件上采取抗干扰措施，以提高系统自身的防御力。
　　
　　1．干扰对系统的危害
　　
　　干扰进入系统会引起以下几种可能情况的出现：
　　
　　(1)CPU中PC指针出错，程序正常的PC值成为干扰的随机数，使得程序走到一些未知的地方或进入某种死循环中，从而使系统失去控制。
　　
　　(2)RAM区遭到破坏，程序中的RAM区被随机数取代，而造成对读数据出现错误，同样使系统产生误动作或混乱。
　　
　　(3)干扰侵入微机系统的前向通道叠加在输入信号上，致使采样误差加大。
　　
　　2。软件中抗干扰的措施
　　
　　当系统受到干扰而使PC指针出错时，程序就会乱飞，使系统无法正常工作，因此必须在程序失控的状态下把乱飞的PC指针俘获并强行拉回到一个处理该故障的程序中，恢复被破坏的现场，回到受干扰之前的地址，使程序正常运行。
　　
　　(1)俘获失常程序
　　
　　有两种方法，一种是设置监视跟踪定时器（看门狗），使定时器的定时时间稍大于主程序正常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，只要程序正常运行，定时器就会中断，而当程序失控，不能刷新时间常数时，使定时中断，利用定时中断程序使系统复位。

　　另一种是常用的软件陷阱，当失控程序经过非程序区时被其捕获而送至干扰处理程序，如下一段程序：　　其中EMI是处理干扰的复位子程序，把上面一段程序散布于非程序区的EPROM当中成为捕获失常PC指针的“陷阱”，只要干扰导致PC出错，一般都会落入陷阱之中。
　　
　　(2)RAM区数据的恢复措施
　　
　　常常采用冗余存储的方法来防止干扰对RAM的破坏，即在RAM区中相隔尽可能远的不同区域备份3～5份，由于RAM中数据的破坏一般是成片的，相隔较远的RAM区就使全部数据遭受破坏的可能性降低，使有的备份还是好的，从而用好的备份修复被破坏的RAM区，一般情况下有两种方法即设置标志法和3中取2表决法。前者在每一备份块当中间隔地插入几个标志如AAAAAH，以此来验证RAM区备份是否完好：而后者则将3份数据备份相比较，如有2份相同则认为这两份完好无损，但当三份均不相同则无法判断哪个备份未损。因此为保险起见，这两个方法可同时使用。
　　
　　(3)重入程序的设计方法
　　
　　对于功能块的程序在每一模块之前加一段号，当程序执行到该块时将段号装入某存储单元。在处理干扰的复位程序中将此地址赋给PC，再恢复数据区RAM后即可从受干扰的断点处继续执行程序。　　
　　
　　单片机控制系统的抗干扰问题是微型计算机控制系统中的一个重要的实际问题，在其所控制的系统本身工作时就可能产生强烈的电磁干扰，这就使得系统应尽量做到万无一失，否则因此而产生的后果轻则使系统工作异常，数据错误，重则损失设备，浪费投资，因此应对此方面进行更深入的研究，本文所讨论的各种方法不一定全面，因此实际应用当中的情况要复杂的多，人们所采用的方法也多种多样，应视具体情况而定。