单片机控制系统的硬件抗干扰设计

1 引言  

    单片机在工业自动化领域有着广泛的应用，但是单片机控制系统工作时往往会受到来自系统内部和外部的干扰，对系统的正常应用将带来不良的影响。为了保证和提高中系统的可靠性和安全性，通过对系统干扰源及干扰的传播途径的研究总结出几种实践中常用且有效的干扰抑制技术。  

2 干扰的途径和影响  

    单片机控制系统在工业现场工作时都会或多或少的受到周围电磁环境的干扰。干扰可以通过3种途径影响系统的正常工作，即供电系统干扰、空间电磁场干扰和信号传输通道干扰。干扰对单片机控制系统的作用及后果也分为3个部位：一是系统的前向通道，干扰叠加在输入信号上，使数据采集误差增大，在传感器小电压信号输入时，此现象尤为突出；二是系统的后向通道，干扰耦合在输出信号上使输出信号混乱，导致误操作，并有可能引发严重事故；三是控制系统的内核，干扰使微处理器内核三总线上的数字信号出错，程序指针PC发生错误，导致程序“跑飞”，干扰也可能窜改存储器RAM中的数据，导致死机、系统崩溃或误操作等严重后果。  

3 硬件抗干扰设计  

3.1 供电系统干扰及其抑制  

    单片机应用于工业控制系统中的电源往往与工业系统共用一个电源，各种大型电气设备的启停和运行都会产生很大的干扰。因此，提高供电系统的质量是非常重要的。通过分析，设计出如图1所示的供电结构图。电源通过给系统各个功能模块分别供电，从而减少了公共电源和公共阻抗的相互耦合，提高了电源的抗干扰性和可靠性。  

    图2为电源EMI滤波器网络结构，是图1中的变压器原边滤波电路的具体实现形式。该滤波器是由参数元件构成的无源低通网络，其中L1 和L2是绕在同一磁环上的两只独立线圈，称为共模电感线圈或共模线圈， L3、L4 是独立的差模抑制电感。如果把该滤波器一端接入干扰源，负载端接被干扰设备，那么L1 和Cy ，L2 和Cy 就分别构成L - E和N- E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源线上存在的共模EMI信号，使之受到衰减，被控制到很低的电平上。L1、L2 两个线圈所绕匝数相同、绕向相反，使滤波器接入电路后，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使两只线圈的电感值保持不变。但是，由于种种原因，如磁环的材料不可能做到绝对均匀，两个线圈的绕制也不可能完全对称等，使得L1 和L2 的电感量是不相等的，于是 (L1- L2 )形成差模电感，它和L3 与L4 形成的独立差模抑制电感与Cx 电容器又组成L - N独立端口间的一只低通滤波器，用来抑制电源线上存在的差模EMI信号。  

    由于图2电路是无源网络，它具有互易性。当它安装在系统中后，既能有效地抑制电子设备外部的EMI信号传入设备，又能大大衰减设备本身工作时产生的传向电网的EMI信号，起到同时衰减两组共模EMI信号和一组差模EMI信号的作用。  

    有时电源的开启关闭、瞬时降压及瞬时脉冲干扰会造成CPU的误动作及数据的丢失。因此，单片机控制系统需要有完备的电源保护电路。ICTL7705和ICTL7700是两种常用的电源电压监视集成电路芯片，它们具有电源启停时、瞬时短路及瞬间降压时产生复位信号的能力，当电源电压恢复正常后，复位信号会被自动解除，并可以在较大的范围内设定复位脉冲的宽度。  

    图3是ICTL7705与CPU连接示意图。图4为被监视的电压变化及7705输出状态的变化。从图4中可以看出在上电过程、瞬间电压降和瞬间脉冲干扰，电源监视器都能正确给出复位信号。外部条件正常后，经top时间，复位脉冲解除。top由CT来设定。ts为反应时间，因为7705在500ns的短时间内就可以侦测出压降及脉冲干扰，对于一般系统过于灵敏，可以外加RC延时网络。  

3.2 场干扰及其抑制  

    电磁干扰通过空间传播的实质是干扰能量以场的形式向四周传播。场分为近场和远场。近场又称感应场，如果场源是高电压小电流的源则近场主要是电场，如果场源是低电压大电流的源则近场主要是磁场。由于感应场传输能量，有随距离成平方衰减的本性，因而其能量随传播距离的增加而衰减甚速；并且其强度存在方向性。所以不难想到消除这种干扰的方法，只能是调整受害设备与源之间的相对位置或屏蔽来实现。  

    无论场源是什么性质，当离场源距离大于λ/2π以后的场都变成了远场，又称辐射场。电磁辐射场能量的特点与电磁感应场的能量传输完全不同。辐射场能量存在方式是：电场与磁场在空间位置上共存一处、矢量上相互垂直、时间上同位相。因此可以把它看成为一能量团独立存在，并依据左手定则永远向前传播，而形成辐射场，并且它的能量损耗只与其传播距离成反比，所以它的传播要比感应场远得多。消除辐射干扰只能藉助于屏蔽一法。所以，对于距离较远的系统间的电磁兼容问题，一般都用远场辐射来分析。对于系统内，特别是同一设备内的问题基本上是近场耦合问题。  

3.2.1 远场辐射  

    干扰源向周围空间的辐射发射需要根据天线与电波传播理论来计算，下面主要介绍单片机系统中常见的几种辐射方式。  

（1）单点辐射。单点辐射主要指各向同性的较小的干扰源。  


  
    如果印制板上有多条高频率长轨线则可能产生严重的辐射。由上式可知减小信号环路的面积可以减小辐射，或者增加信号的最大波长，这可以通过延长信号的上升时间来实现。同样当供电电源环路中有高频电流流过时，电源环路也是很好的辐射源，所以应该在高频噪声源处加去耦电容。给噪声一条高频旁路，以免流入电源环路，产生辐射。  

（3）单导线辐射。当平行双线环路中环路面积足够小时，其差模电流产生的辐射可以忽略，而共模电流产生的辐射将成为主要因素，称为单导线辐射。  

（4）感应。周围空间的干扰电场和磁场都会在闭合环路中产生感应电压，从而对环路产生干扰。闭合环路产生的感应电压于环路面积成正比，环路面积越大感应电压越大，所以要避免外界噪声场的干扰应尽量减小环路面积。同时还可看到频率越高产生的感应电压也越大，即高频噪声容易对环路产生干扰。  

3.2.2 近场耦合  

    同一设备内各部分电路之间距离较近的相互干扰常用近场耦合的方式处理。近场条件是离干扰源的距离小于λ/2π。近场有电场和磁场，通常把干扰源通过电场的耦合看成是电容耦合，通过磁场的耦合看成是互感耦合。对于近场耦合主要采取屏蔽的方法来减小耦合程度。  

3.2.3 屏蔽  

    通过上面的分析，对于场的干扰可以通过屏蔽的方法加以抑制，下面将针对电场干扰，磁场干扰，电磁场干扰分别讨论各自的屏蔽方法。  

(1) 电场屏蔽  

    使用接地的金属体包裹或隔离信号传输线，金属体可以是很薄的金属箔，屏蔽体必须接地，最好直接接地。对于屏蔽体的形状，最好是盒形和全封闭的。  

(2) 磁场屏蔽  

    磁场屏蔽通常指对直流磁场或甚高频磁场的屏蔽，其屏蔽的效果比电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多。磁场屏蔽主要是利用高磁导率、低磁阻特性的屏蔽体对磁通所起的磁分路作用，使屏蔽体内部的磁场大大减小。  

    在磁场频率比较低时(100 kHz以下)，通常采用铁磁性材料如铁、硅钢片等进行磁场屏蔽。铁磁性物质的磁导率很大，所以可把磁力线集中在其内部通过。高频磁场屏蔽材料采用金属良导体，例如铜、铝等。当高频磁场穿过金属板时在金属板上产生感应电动势，由于金属板的电导率很高，所以产生很大的涡流，涡流又产生反磁场，与穿过金属板的原磁场相互抵消，同时又增加了金属板周围的原磁场，总的效果是使磁力线在金属板四周绕行而过。  

    在设计磁场屏蔽时，应遵循如下准则：磁屏蔽体应选用高磁导率的铁磁性材料，防止磁饱和；被屏蔽物与屏蔽体内壁应留有一定间隙，防止磁短路现象发生；可增加屏蔽体壁厚，单层屏蔽体壁厚不宜超过2. 5 mm。若单层屏蔽体的屏蔽效果不好，可采用双层屏蔽或多层屏蔽，也可防止磁饱和；应使屏蔽体的接缝与孔洞的长边平行于磁场分布的方向，圆孔的排列方向要使磁路增加量最小，目的是尽可能不阻断磁通的通过；屏蔽体加工成型后都要进行退火处理；从磁屏蔽的机理而言，屏蔽体不需接地，但为了防止电场感应，一般还是要接地。  

（3）电磁场屏蔽  

    电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播。电磁场屏蔽是靠对电磁波的反射和吸收来完成的，屏蔽效果与屏蔽体的厚度无关，这与电场屏蔽和磁场屏蔽不同。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元器件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。  

    在设计电磁场屏蔽时，选择屏蔽体材料的原则是：当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率（高电导率）的金属材料中产生的涡流（ ，电阻率越低，消耗的功率越大），形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果；当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去；在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用不同的金属材料和磁材料组成多层屏蔽体。  

3.3 I／O接口的硬件抗干扰  

    由于单片机控制系统中的I／0接口多数负责数据采集、控制执行等工作。其受到干扰的机会比别的单元更多，通常情况下可采用：  

(1) 光电耦合隔离。通过光电耦合器可以切断2个电路间的电气联系，信号通过光路进行传递，发光管和晶体管之间无导线连接，能有效抑制尖峰脉冲和各种噪声的干扰，从而能有效地防止干扰从过程通道进入主机。光耦的抗干扰能力很强，主要有以下三方面的原因：光耦的输入阻抗很低，一般在100"1000Ω，而干扰源的内阻一般都很大，通常为105"106Ω，根据分压原理可知，这时能馈送到光耦输入端的噪声很小。即使有时干扰电压的幅值很高，但所提供的能量却很小，只能形成微弱的电流，而光耦输入部分的发光二极管，只有通过一定强度的电流时才能发光，输出部分的光敏三极管只在一定的光强下才能工作，因此电压幅值很高的干扰，会由于没有足够的能量使发光二极管发光而被抑制掉；其次，光耦的输入回路和输出回路之间是光耦合的，而且又是在密封的条件下进行的，故不会受到外界光的干扰；最后，光耦的输入回路和输出回路之间的分布电容极小，绝缘电阻阻抗很大，因此回路一边的各种噪声很难通过光耦馈送到另一边去。而且光耦隔离由于采用的是电流环路传输，所以能避免在长线传输的时候，在传输线上积累高压和感应信号，使得数据紊乱甚至损坏TTL接口芯片，或者干扰单片机控制系统的正常运行。但是在使用光耦时，它的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源供电，如果两端共用一个电源，则光耦的隔离作用将失去意义。  

(2) 双绞线传输。双绞线能使各个小环路的电磁感应干扰相抵消，对电磁场干扰有一定的抑制作用。  

(3)长线传输的阻抗匹配。要求源的输出阻抗、传输线的特性阻抗与接受端的输入阻抗三者相等。否则信号在传输线上会产生反射，造成失真，其危害程度与系统工作速度、传输线长度以及不匹配的程度有关。  

(4)用电流传输代替电压传输。其结果可获得较好的抗干扰性能。例如：RS-485的抗干扰能力明显高于RS-232。  

    另外，单片机不用的I/O口定义成输出；闲置不用的门电路输入端不要悬空，要接高电平或者接地；闲置不用的运算放大器正输入端要接地，负输入端接输出端。  

4 结束语  

    除了前面所讲的硬件抗干扰设计外，还应该采用软件抗干扰措施，如数字滤波技术，软件陷阱技术，软件看门狗技术等等，通过综合软件和硬件抗干扰技术各自的特点、优点，使得设计出来的系统达到最优的性价比。总之，干扰的产生和传递是很复杂的，各种措施的有效性也不尽相同，在系统设计过程中，一开始便着手考虑干扰的抑制，精心进行硬件电路设计和软件程序编写。成功的抗干扰设计需要一定的理论指导，更需要实践经验的积累，做到二者相结合，便能在短期内设计出高质量，高可靠性，连续稳定运行的单片机控制系统。  

    本文的创新点是：通过分析单片机控制系统中电磁干扰产生的机理，总结出了一些实用的抑制电磁干扰的方法。