单片机电磁干扰技术

单片机应用系统电磁干扰技术研究

单片机系统在工业应用中越来越广泛，是产品研发和生产中的重要技术手段，但由于系统所处的电磁环境往往比较恶劣，单片机工作时，常受到内部和外部的各种干扰，对单片机正常工作带来不利影响。为了确保单片机系统的可靠性和安全性，必须了解干扰原因，这是解决干扰的重要问题。

一、单片机系统干扰类别及分析

1.1单片机系统电磁干扰的要素

单片机系统发生电磁干扰问题，存在三个因素，即电磁干扰源、耦合途径、敏感设备。

其中干扰源是指产生干扰的元器件、设备和信号；耦合途径是指从干扰源到敏感设备的通路和媒介。典型的耦合途径是通过导线的传导和空间的辐射；敏感设备是指被干扰的对象，比如单片机、放大器、数模转换器等。

1.2单片机电磁干扰的分类

单片机系统中电磁的干扰通常分为好多种，按照传播方式、噪声产生的原因、波形特征等进行分类。按照传播方式可分为串模噪声和共模噪声；2）按产生的原因可分为高频振荡噪声，放电噪声，浪涌噪声；3）波形特征可分为脉冲电压，持续正弦波，脉冲序列等。

单片机系统的干扰源主要是电磁能量干扰。干扰源主要分为内部干扰源和外部干扰源：
（1）内部的干扰源主要来自印制电路板和电路之间形成相互的干扰；主要由于系统内部印制电路板设计走线不合理，元器件布局不正确及接地等使得单片机系统不能正常工作。
（2）外部干扰源主要是电磁波和电磁场。强烈的电磁场干扰信号会影响单片机系统工作，较强的外部干扰信号主要通过电源而进入单片机内部系统，所以，供电电源的抗干扰的方法是我们进行电磁抗干扰的一个研究重点。

1.3电磁干扰对单片机造成的影响

1）单片机系统数据采集误差加大，使得RAM数据发生篡改，降低数据的可靠性。

2）单片机控制系统失灵，自动控制系统受到电磁干扰时，可能出现误动作误控和失控，使单片机控制系统的有效性和可靠性降低。

3）程序运行失常，干扰使得单片机的PC值到了未使用的地址空间而进行毫无意义的运行，或者程序虽然在正常的地址空间运行，但干扰使程序跳转到不应去的地方运行或进入死循环。

二、电磁干扰抑制技术

2.1硬件的抗干扰技术

硬件的抗干扰技术是单片机系统应用和设计中首选抗干扰措施，能有效阻断干扰传播途径，抑制干扰源，合理地布置与选择有关参数，硬件抗干扰措施能抑制绝大部分电磁干扰，常用的硬件干扰如下。

1）印制电路板设计。印制电路板的设计与布局合理与否对单片机系统的可靠性很重要，这里是噪声的产生、传播和吸收的关键步骤。

从减小辐射干扰的角度出发，尽量选用多层板。内层分别做电源层、接地层。对信号形成均匀的接地面，加大信号线和接地面间的分布电容，抑制其向空间辐射的内力。对于多层线路板，不同区域的地线面在边远处要满足20 H法则（即地线面的边沿要比电源层或信号线层的边沿外延出20 H，H为地线面与信号层之间的高度）。

电源线、地线、印制板走线对高频信号应保持低阻抗。在频率很高的情况下，电源线、地线或印制板走线都会成为接收与发射干扰的小天线。减低这种干扰是减少电源线、地线、印制板走线本身的高频阻抗，而且排列要恰当，尽量做到短而直。线路板上有不同的功能电路时，不同类型的电路应分离，其接地也应分离；不能有信号线穿过地线面上的裂缝。

I/O接口上使用独立的地线，为滤波和屏蔽层提供干净地点，滤波器尽量靠近电缆进出口。高速时钟地线尽量短，不要换层，拐角不要90°，尽量远离I/O端口；芯片上安装的散热片要多接到信号地上；I/O接口的驱动电路要靠近。

2）选择元器件。元器件是系统的基础，同时也是控制系统中重要环节，只有合理地选择元器件，才能提高整个系统的可靠性和稳定性，因此，应选择集成度高，抗干扰能力强，功耗小的电子器件。

3）接地技术。信号地通常分为单点接地、多点接地和混合接地等种类。按信号频率小于1MHz时，采用单点接地；工作频率在1 MHz～10 MHz时，采用单点接地时，地线长度不得超过波长的1/20，否则采用多点接地；信号工作频率大于10 MHz时，为了降低地线阻抗应采用多点接地。多级电路接地点应选在低电平电路输入端，使该端最接近于基准地位，输入级的接地缩短，受到的电磁干扰可能性减少。

4）隔离技术。通过隔离可以把外来的干扰通断切断，同时起到抑制漂移和安全保护的作用。一般分为物理隔离和光电隔离。物理隔离一般针对单片机前段的输入信号，在工业测量中分为两部分。（1）显示及控制部分，称为二次仪表；（2）传感器，称为一次仪表。有时一次仪表和二次仪表距离较远，在传输过程中信号容易受到干扰，其信号线要远大于功率导线；光电隔离是将两个电路系统的电信号隔离开，通过光耦来传递信号，既能确保隔断噪声信号从一个电路传输到另一个电路，也能保证信号的正确传输。在直流和低频系统中，大多采用光电耦合的方法来隔离，由于以光为媒介进行间接耦合，因而具有较高的电气隔离和干扰抑制能力。

2.2软件的抗干扰技术

尽管采用了硬件抗干扰技术，但由于产生干扰的原因复杂，具有很大的随机性，难保证单片机系统不受到干扰，所以采用采用软件抗干扰技术措施加以补充。

1）指令冗余技术。单片机受到强干扰会造成程序计数器PC值改变，程序脱离正常运行轨迹，出现乱飞，操作数值改变，及操作数当作操作码放入错误。指令冗余与软件陷阱相似，但有区别，软件陷阱用在程序存储器的未使用区域中，而指令冗余通常在程序中，其做法是在正常的指令后插入一些NOP指令或将有效字节重写，采用指令冗余技术不仅可以使跑飞的程序纳入正规，还有助于消除随机干扰，提高可靠性。

2）软件陷阱技术。软件陷阱是指一些可以使失控程序恢复正常运行或恢复到初始状态的一系列指令，通常采用NOP空指令充当软件陷阱，当程序失控时，只要PC指向这些单元，连续执行几个空操作后，程序就会执行后面的正常程序或被强制跳转到某个指定位置而自动恢复正常，在程序正常工作，该软件陷阱并不影响系统的正常工作。

3）数字滤波技术。数字滤波是用程序实现的，不用增加硬件设备可多通道共用，具有高可靠性和高稳定性，可对低频信号滤波。而模拟RC滤波器受电容量的限制频率不能太低，灵活性好，改变程序就可改变不同的滤波方法。

4）看门狗。有时单片机在受理电磁干扰就会出现程序的无序执行，如果程序进入死循环则使单片机死机，解决这个问题的方法是在系统上加看门狗。

在各程序段中加如下程序：

其中YS为延时子程序，WATCHDOG是看门狗子程序，计数器的计数值（计数时间）要大于主程序循环一次的时间，否则系统就会总复位而不能正常运行。正常工作时程序每运行一次LCALL WATCHDOG就从P2.7送一个脉冲使计数器清零，其Qn输出端始终为低电平，不会使系统复位，一但系统受到电磁干扰后程序进入死循环，程序不能被正常执行也就不能从P2.7送脉冲，就会使计数计满Qn被罩“1”通过47uF电容送至8051的RESET脚，使系统复位，重新执行主程序。

总结

在设计单片机应用系统中，只要认真分析系统的硬件构成，精心选择元器件，确认干扰源和敏感器件，对他们进行合理布局，能提高系统的稳定性。实践证明，只有从硬件和软件两个方面采取措施，以硬件抗干扰技术为主，软件抗干扰技术为辅，二者相结合，才能有效地排除干扰信号的影响，使系统稳定性得到提高。

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