综述单片机控制系统的抗干扰设计
- 格式：pdf
- 大小：241.26 KB
- 文档页数：3
在本电控系统中, 模拟电路电源与逻辑电路电源 分离, 一是为了去除通过电源耦合逻辑电路产生的干 扰进入模拟电路, 二是为了避免传感器通过电源耦合 对 ECU 干扰。各功能模块供电系统如图 1 所示, 皆采 用 7812 和 7805 三端稳压集成芯片, 且都单独对电源 进行负压差保护, 这样不会因其中某一稳压电源出现 故障而影响整个系统电路; 使用低通滤波器亦可减少 以高次谐波为主的干扰源, 从而改善电源波形; 在输 出端采用了过压保护电路。 通过上述设计可大大提高 供电的可靠性。图中D 1、D 2 用于负压差保护, 防止压 差 击穿稳压器的 b e 结使器件永久失效, 稳压管 W Y1、晶闸管Q 1 用于过压保护, 电容 E 1、E 2、C 1、C 2 使输出电压波纹限制在一定范围内。
《现代电子技术》2003 年第 1 期总第 144 期
信息与安全
综述单片机控制系统的抗干扰设计
汪胜聪, 滕 勤, 左承基
(合肥工业大学 安徽 合肥 230069)
摘 要: 单片机应用系统在发动机电喷中得到了广泛的应用, 然而由于发动机工作环境恶劣, 提高控制系统的抗干 扰性至关重要。 分析了单片机干扰的主要来源, 并从硬件和软件抗干扰设计中总结了一些取得良好抗干扰性的方法。
屏蔽措施可以防止电子设备向外辐射干扰电磁 波, 也可以削弱电磁干扰源对电子设备的干扰。 对于 噪声源较大的开关电源, 可采用双重屏蔽, 即开关电 源内部把高频变压器和扼流圈进行屏蔽, 然后对整个 开关电源进行屏蔽保护。 316 去耦电路
数字信号电平转换在转换过程中会产生很大的冲 击电流, 并在传输线和供应电源内阻上产生较大压降, 形成严重干扰。 为抑制此干扰, 在电源电路、 数字电 路和信号处理电路中适当配置去耦电容, 即形成去耦 电路, 这样可旁路集成电路产生的干扰。 去耦电容计 算可按以下方法计算:
C ≥ ∃ i (∃v ∃ t) 其中 ∃ i、∃v 为电流、电压的变化量, ∃ t 为变化的时间。 317 印刷电路板的设计 31711 组件的布局
在电路板上元器件按功能集中布置, 各功能模块 的组件分开布局且不同模块分别与对应的电源、 地线 相连, 最后集中一点接地。
(1) 单片机和外围扩展电路布置在一起以缩短他 们之间资料和地址总线长度, 这样能获得较好抗干扰 效果。
参 考 文 献
[1 ] 余勇, 李建秋, 周明, 等 1 车用柴油机 ECU 兼 容性分析与设计 [J ] 1 汽车工程, 2001, 6
[ 2 ] 韩晓东, 杜宇 1 电动汽车单片机测控系统的抗 干扰设计 [J ] 1 电子技术, 1999, 9
收稿日期: 2002 11 12
拟电路输出信号的准确性。
2 干扰的耦合方式
干扰源产生的干扰是通过耦合信道对微机测控系 统产生干扰作用, 因而需要隔离干扰源与控制系统之 间的耦合信道。 表 1 列出了干扰源的主要干扰方式及 特征。
表 1 干扰源的主要干扰方式及特征
干扰途径 干扰方式
特征
预防措施
直接 耦合
如果输入输出连接线路较长, 最好提高传送电压 或电流, 以减少信号的衰减或干扰引起的信号失真。较 简单的方法是在传送端加一个 1488, 接收端加一个 1489。
4 单片机软件的抗干扰设计
尽管采取了硬件抗干扰措施, 但由于干扰信号产 生的原因很复杂, 且有很大的随机性, 因此在采取硬 件抗干扰措施的基础上, 采取软件抗干扰措施加以补 充。 常见的软件抗干扰技术有: 数字滤波、 指令冗余 和 “看门狗”技术、 系统运行状态监视和提高开关量 输入、 输出干扰。
电源开启和断电及 CPU 受到干扰有可能破坏 RAM 中的资料。 只有采用资料冗余技术保护 RAM 中的资料。系统复位后, 立即将备用的RAM 对重要参 数进行自我检验和恢复, 从而保护 RAM 中的资料。 414 提高开关量输入、 输出抗干扰
控制量有效信号上叠加一系列离散尖脉冲, 这种 干扰不易用硬件加以抑制, 可采用软件重复检测以提 高输入、 输出接口抗干扰性。
W AN G Shengcong, T EN G Q in, ZU O Chengji
(H efei U n iversity of T echno logy, H efei, 230069, Ch ina)
con troller System
Abstract: Em bedded con tro l system is w idely u sed in the electron ic con tro l of va riou s engines1 B ecau se of severe environm en t of these engines, an ti distu rbance p rob lem of Em bedded con tro l System is of grea t im po rtance1 Som e sou rces of in terference in the system a re discu ssed and som e of m ethods fo r im p roving an ti distu rbance a re p resen ted from ha rdw a re and softw a re an ti dis2 tu rbance1
Keywords: m icro con tro ller; an ti distu rbance; sh ielding techno logy; digita l filtering
在进行单片机应用开发的过程中, 经常遇到在实 验室调整很好的单片机一到工作现场就会出现这样或 那样的问题, 这主要是由于设计未充分考虑到外界环 境存在的干扰, 如机械震动、 各种电磁波和环境温差 都会影响硬件系统的性能, 导致电控单元不能正常工 作。 鉴于此本文较全面分析了干扰单片机应用系统的 因素并结合自己的研究课题, 提出一些可增强系统抗 干扰性的方法。
图 1 电源电路简图
312 模拟电路抗干扰设计 在硬件电路的设计中, 模拟电路设计非常重要。发
动机的工作环境温度变化比较大, 因此在模拟电路中 应选择低温漂系数的集成放大器; 在模拟电路中共模 信号对电路板影响较大, 故在模拟电路中采用差动放 大电路, 可得出两端输出信号; 接收时, 将双端信号 转化为单端信号, 可非常有效地抑制共模信号。 若电 路中输入信号变化比较大, 需在放大器或比较器前加 输入端保护电路以避免器件的损坏。 外界交流电路产 生的工频干扰对模拟信号有较大的影响, 在电路中采 用有源滤波器和低通滤波器。 313 选用时钟频率低的单片机
系统常见的出错现象: 死机、 被控对象误操作和 定时不准, 他们主要由于内部程序指针错乱使程序进 入 “死循环”和 RAM 资料被冲乱或改变导致的。 411 数字滤波
当干扰叠加输入信道的模拟信号时, 使数据采集 误差加大。 特别当输入信道模拟信号较弱时, 此现象 更加严重。 为了消除数据采集的误差, 常用算术平均 法、 比较取舍法、 一阶滞后滤波法和中值法, 可根据 信号和干扰的规律, 采用最优的设计方法。 输入模拟 信号处理如图 2 所示, 通过数字滤波器可滤掉大部分 由于输入信号干扰而引起的输出控制错误。
耦合 电磁波
或屏蔽
电磁感 任何载流导体周围空间都会产生 接地
应耦合 磁场
或屏蔽
3 单片机的硬件抗干扰设计
硬件抗干扰技术是系统设计首选的抗干扰措施, 他能有效的抑制干扰源, 阻断干扰的传输信道。 常用 的措施有: 滤波技术、 去耦技术、 屏蔽技术和接地技
7
汪胜聪等: 综述单片机控制系统的抗干扰设计
术。 311 电源电路的设计
关键词: 单片机; 抗干扰; 屏蔽技术; 数字滤波 中图分类号: T P 36811 文献标识码: B 文章编号: 1004 373X (2003) 01 007 03
Sta tem en t of the An ti d isturbance D es ign in the M icro
(2) 布置逻辑电路时, 原则上应在出线端子放置 高速器件, 稍远处放置低速器件和内存, 这样布置可 降低公共阻抗耦合和辐射耦合。
(3) 降噪电容应靠近各个 IC 组件。 (4) 为了降低外部线路引进的干扰, 光电耦合器、 隔离变压器和滤波器通常放在靠近出线端子的地方。 31712 电路板布线 (1) 电源线、 地线尽可能粗一点, 且电流流向与 信号流向一致。 (2) 晶振电路应尽量靠近单片机, 石英晶体振荡 器外壳接地, 时钟振荡电路、 特殊高速电路用地线圈 起来。 (3) 电路板铜模线尽量使用 45°折线而不用 90°折 线。 (4) 避免相邻信号线的线间干扰和减少信号在传 输导线上的延迟。
1 单片机系统的主要干扰源
系统的干扰源对电子系统的干扰主要是电磁能量 干扰。 主要内外的干扰源是:
(1) 无线电设施的射频干扰; (2) 发动机上的高压点火线圈向外辐射磁场强度 大、 频带宽的电磁波; (3) 单片机内部的晶振电路是内部干扰源之一; (4) 数字电路本身门电路频繁的导通、 截止造成 电源地线电流变化, 也会产生很大的高频电磁干扰, 各 种开关电子设备通断时产生的急剧变化的电流会产生 较宽频谱干扰; (5) 外界交流电路中产生的工频干扰亦会影响模
图 2 输入信号的数字滤波
412 指令冗余和 “看门狗”技术 单片机受强干扰会造成程序计数器 PC 值改变和
破坏程序正常运行。 针对这一问题可在关键地方插入 一些单字节指令NO P 或有效的单字节指令并用引导
信息与安全
指令L JM P M A IN 将捕获的“乱飞”程序引向复位入 口地址, 从而避免程序 “乱飞”。 可是有一些 “乱飞” 程序会导致死循环, 通常采用软、 硬件 “看门狗”技 术, “看门狗”技术就是不断监视程序运行时间, 当程 序运行出现故障时, 计数器溢出, 系统复位并重新运 行系统程序。 413 提高 RAM 资料可靠性
《现代电子技术》2003 年第 1 期总第 144 期
信息与安全
综述单片机控制系统的抗干扰设计
汪胜聪, 滕 勤, 左承基
(合肥工业大学 安徽 合肥 230069)
摘 要: 单片机应用系统在发动机电喷中得到了广泛的应用, 然而由于发动机工作环境恶劣, 提高控制系统的抗干 扰性至关重要。 分析了单片机干扰的主要来源, 并从硬件和软件抗干扰设计中总结了一些取得良好抗干扰性的方法。
屏蔽措施可以防止电子设备向外辐射干扰电磁 波, 也可以削弱电磁干扰源对电子设备的干扰。 对于 噪声源较大的开关电源, 可采用双重屏蔽, 即开关电 源内部把高频变压器和扼流圈进行屏蔽, 然后对整个 开关电源进行屏蔽保护。 316 去耦电路
数字信号电平转换在转换过程中会产生很大的冲 击电流, 并在传输线和供应电源内阻上产生较大压降, 形成严重干扰。 为抑制此干扰, 在电源电路、 数字电 路和信号处理电路中适当配置去耦电容, 即形成去耦 电路, 这样可旁路集成电路产生的干扰。 去耦电容计 算可按以下方法计算:
C ≥ ∃ i (∃v ∃ t) 其中 ∃ i、∃v 为电流、电压的变化量, ∃ t 为变化的时间。 317 印刷电路板的设计 31711 组件的布局
在电路板上元器件按功能集中布置, 各功能模块 的组件分开布局且不同模块分别与对应的电源、 地线 相连, 最后集中一点接地。
(1) 单片机和外围扩展电路布置在一起以缩短他 们之间资料和地址总线长度, 这样能获得较好抗干扰 效果。
参 考 文 献
[1 ] 余勇, 李建秋, 周明, 等 1 车用柴油机 ECU 兼 容性分析与设计 [J ] 1 汽车工程, 2001, 6
[ 2 ] 韩晓东, 杜宇 1 电动汽车单片机测控系统的抗 干扰设计 [J ] 1 电子技术, 1999, 9
收稿日期: 2002 11 12
拟电路输出信号的准确性。
2 干扰的耦合方式
干扰源产生的干扰是通过耦合信道对微机测控系 统产生干扰作用, 因而需要隔离干扰源与控制系统之 间的耦合信道。 表 1 列出了干扰源的主要干扰方式及 特征。
表 1 干扰源的主要干扰方式及特征
干扰途径 干扰方式
特征
预防措施
直接 耦合
如果输入输出连接线路较长, 最好提高传送电压 或电流, 以减少信号的衰减或干扰引起的信号失真。较 简单的方法是在传送端加一个 1488, 接收端加一个 1489。
4 单片机软件的抗干扰设计
尽管采取了硬件抗干扰措施, 但由于干扰信号产 生的原因很复杂, 且有很大的随机性, 因此在采取硬 件抗干扰措施的基础上, 采取软件抗干扰措施加以补 充。 常见的软件抗干扰技术有: 数字滤波、 指令冗余 和 “看门狗”技术、 系统运行状态监视和提高开关量 输入、 输出干扰。
电源开启和断电及 CPU 受到干扰有可能破坏 RAM 中的资料。 只有采用资料冗余技术保护 RAM 中的资料。系统复位后, 立即将备用的RAM 对重要参 数进行自我检验和恢复, 从而保护 RAM 中的资料。 414 提高开关量输入、 输出抗干扰
控制量有效信号上叠加一系列离散尖脉冲, 这种 干扰不易用硬件加以抑制, 可采用软件重复检测以提 高输入、 输出接口抗干扰性。
W AN G Shengcong, T EN G Q in, ZU O Chengji
(H efei U n iversity of T echno logy, H efei, 230069, Ch ina)
con troller System
Abstract: Em bedded con tro l system is w idely u sed in the electron ic con tro l of va riou s engines1 B ecau se of severe environm en t of these engines, an ti distu rbance p rob lem of Em bedded con tro l System is of grea t im po rtance1 Som e sou rces of in terference in the system a re discu ssed and som e of m ethods fo r im p roving an ti distu rbance a re p resen ted from ha rdw a re and softw a re an ti dis2 tu rbance1
Keywords: m icro con tro ller; an ti distu rbance; sh ielding techno logy; digita l filtering
在进行单片机应用开发的过程中, 经常遇到在实 验室调整很好的单片机一到工作现场就会出现这样或 那样的问题, 这主要是由于设计未充分考虑到外界环 境存在的干扰, 如机械震动、 各种电磁波和环境温差 都会影响硬件系统的性能, 导致电控单元不能正常工 作。 鉴于此本文较全面分析了干扰单片机应用系统的 因素并结合自己的研究课题, 提出一些可增强系统抗 干扰性的方法。
图 1 电源电路简图
312 模拟电路抗干扰设计 在硬件电路的设计中, 模拟电路设计非常重要。发
动机的工作环境温度变化比较大, 因此在模拟电路中 应选择低温漂系数的集成放大器; 在模拟电路中共模 信号对电路板影响较大, 故在模拟电路中采用差动放 大电路, 可得出两端输出信号; 接收时, 将双端信号 转化为单端信号, 可非常有效地抑制共模信号。 若电 路中输入信号变化比较大, 需在放大器或比较器前加 输入端保护电路以避免器件的损坏。 外界交流电路产 生的工频干扰对模拟信号有较大的影响, 在电路中采 用有源滤波器和低通滤波器。 313 选用时钟频率低的单片机
系统常见的出错现象: 死机、 被控对象误操作和 定时不准, 他们主要由于内部程序指针错乱使程序进 入 “死循环”和 RAM 资料被冲乱或改变导致的。 411 数字滤波
当干扰叠加输入信道的模拟信号时, 使数据采集 误差加大。 特别当输入信道模拟信号较弱时, 此现象 更加严重。 为了消除数据采集的误差, 常用算术平均 法、 比较取舍法、 一阶滞后滤波法和中值法, 可根据 信号和干扰的规律, 采用最优的设计方法。 输入模拟 信号处理如图 2 所示, 通过数字滤波器可滤掉大部分 由于输入信号干扰而引起的输出控制错误。
耦合 电磁波
或屏蔽
电磁感 任何载流导体周围空间都会产生 接地
应耦合 磁场
或屏蔽
3 单片机的硬件抗干扰设计
硬件抗干扰技术是系统设计首选的抗干扰措施, 他能有效的抑制干扰源, 阻断干扰的传输信道。 常用 的措施有: 滤波技术、 去耦技术、 屏蔽技术和接地技
7
汪胜聪等: 综述单片机控制系统的抗干扰设计
术。 311 电源电路的设计
关键词: 单片机; 抗干扰; 屏蔽技术; 数字滤波 中图分类号: T P 36811 文献标识码: B 文章编号: 1004 373X (2003) 01 007 03
Sta tem en t of the An ti d isturbance D es ign in the M icro
(2) 布置逻辑电路时, 原则上应在出线端子放置 高速器件, 稍远处放置低速器件和内存, 这样布置可 降低公共阻抗耦合和辐射耦合。
(3) 降噪电容应靠近各个 IC 组件。 (4) 为了降低外部线路引进的干扰, 光电耦合器、 隔离变压器和滤波器通常放在靠近出线端子的地方。 31712 电路板布线 (1) 电源线、 地线尽可能粗一点, 且电流流向与 信号流向一致。 (2) 晶振电路应尽量靠近单片机, 石英晶体振荡 器外壳接地, 时钟振荡电路、 特殊高速电路用地线圈 起来。 (3) 电路板铜模线尽量使用 45°折线而不用 90°折 线。 (4) 避免相邻信号线的线间干扰和减少信号在传 输导线上的延迟。
1 单片机系统的主要干扰源
系统的干扰源对电子系统的干扰主要是电磁能量 干扰。 主要内外的干扰源是:
(1) 无线电设施的射频干扰; (2) 发动机上的高压点火线圈向外辐射磁场强度 大、 频带宽的电磁波; (3) 单片机内部的晶振电路是内部干扰源之一; (4) 数字电路本身门电路频繁的导通、 截止造成 电源地线电流变化, 也会产生很大的高频电磁干扰, 各 种开关电子设备通断时产生的急剧变化的电流会产生 较宽频谱干扰; (5) 外界交流电路中产生的工频干扰亦会影响模
图 2 输入信号的数字滤波
412 指令冗余和 “看门狗”技术 单片机受强干扰会造成程序计数器 PC 值改变和
破坏程序正常运行。 针对这一问题可在关键地方插入 一些单字节指令NO P 或有效的单字节指令并用引导
信息与安全
指令L JM P M A IN 将捕获的“乱飞”程序引向复位入 口地址, 从而避免程序 “乱飞”。 可是有一些 “乱飞” 程序会导致死循环, 通常采用软、 硬件 “看门狗”技 术, “看门狗”技术就是不断监视程序运行时间, 当程 序运行出现故障时, 计数器溢出, 系统复位并重新运 行系统程序。 413 提高 RAM 资料可靠性
