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单片机抗干扰技术研究与分析

2013/10/10    来源:e-works    作者:刘涛      
关键字:单片机系统  抗干扰技术  watchdog  
本文首先介绍了单片机系统干扰的来源及影响,进而给出了硬件与软件抗干扰的多种方法,包括:电源隔离、口线隔离、空间隔离、指令冗余、软件陷阱、watchdog、系统复位。最后对采用硬件与软件方式提高单片机控制系统的可靠性进行了总结。

一、引言

    干扰问题是微机控制系统中十分普遍、复杂的问题,它是影响系统可靠性的主要因素之一。干扰对微机控制系统的影响主要表现为影响系统程序的正常执行、影响采集数据的精度,使系统可靠性降低、使外设发生错误动作甚至产生严重后果。

二、干扰的来源及影响

    影响单片机系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰,并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响这些都构成单片机系统的干扰因素。

    2.1 形成干扰的基本因素

    形成干扰的基本要素有三个:

    (1)干扰源。指产生干扰的元件、设备或信号,用数学语言描述如下:du/dt,di/dt大的地方就是干扰源。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变换器,单片机,数字IC,弱信号放大器等。

    2.2 干扰产生的后果

    各种干扰一旦侵入单片机应用系统将使系统无法正常运行甚至造成重大损失。干扰产生的后果归纳起来可概括为如下几个方面:

    1.数据采集误差的加大

    当干扰侵入单片机系统的前向通道叠加在信号上会使数据采集误差增大特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入时此现象会更加严重。

    2.程序运行失常

    程序运行失常又可分为如下几种情况:

    (1)控制状态失灵:单片机输出的控制信号通常依赖于某些条件的状态输入信号和对这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰引入虚假状态信息将导致输出误差加大造成逻辑状态改变最终导致控制失常。

    (2)死机:外界的干扰有时导致机器频繁复位而影响程序的正常运行。若外界干扰导致单片机程序计数器PC值的改变破坏程序正常运行。由于受干扰后的PC值是随机的程序将执行一系列毫无意义的指令最后进入“死循环”这将使输出严重混乱或死机。

    3.系统被控对象误操作

    由于干扰的影响使单片机内部程序指针错乱指向了其它地方运行了错误的程序;RAM中的某些数据被冲乱或者特殊寄存器的值被改变使程序计算结果错误;或中断误触发使系统进行错误的中断处理都有可能使单片机对系统被控对象产生误操作。

    4.被控对象状态不稳定

    锁存电路与被控对象间的线路(包括驱动电路)受干扰从而造成被控对象状态不稳定。

    5.定时不准

    当干扰使单片机内部程序指针错乱使中断程序运行超出定时时间以及RAM中计时数据被冲乱使程序计算出错误的结果等都将影响单片机定时的准确性。

    6.数据发生变化

    在单片机应用系统中由于外部RAM是可读写的在干扰的侵入下RAM中数据有可能发生改变虽然ROM能避免干扰破坏但单片机片内RAM以及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受干扰而变化甚至EEROM中的数据也可能误读写使程序计算出错误的结果。

    单片机抗干扰设计必须从软件、硬件以及结构设计等方面进行全面的考虑。单片机系统抗干扰设计的根本是硬件系统的可靠性设计,而软件系统的可靠性设计起到抑制外来干扰的作用在进行单片机系统设计时应做到在提高硬件系统抗干扰能力的同时,采用适当的软件抗干扰措施。软件抗干扰设计因其设计灵活节省硬件资源、可靠性好越来越受到重视通过软件系统的可靠性设计可达到最大限度地降低干扰对系统工作的影响。确保单片机能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。

责任编辑:程玥
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