星載單片機系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

　　摘要：單片機系統(tǒng)在星載儀器中往往擔(dān)負(fù)著非常重要的任務(wù)，由于單片機對干擾屬于敏感器件，容易受到干擾影響，導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，因此在系統(tǒng)設(shè)計上應(yīng)充分考慮抗干擾問題，以提高系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)干擾產(chǎn)生的原因，結(jié)合實踐，從硬件和軟件兩方面介紹了星載儀器中單片機系統(tǒng)抗干擾措施。

　　關(guān)鍵詞：單片機，抗干擾，硬件，軟件

　　1引言

　　目前，單片機系統(tǒng)在星載儀器中擔(dān)負(fù)著非常重要的任務(wù)，星載儀器往往處于復(fù)雜的空間環(huán)境之中，存在著大量的干擾源，如高能帶電粒子主要通過單粒子效應(yīng)對單片機系統(tǒng)構(gòu)成影響，使其發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)事件，將導(dǎo)致程序走向混亂，使系統(tǒng)無法正常工作。因此，在系統(tǒng)設(shè)計上充分考慮抗干擾設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性尤為重要。對于單片機系統(tǒng)而言，干擾有兩種，一是來源于系統(tǒng)外部環(huán)境和其它電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾，通過傳導(dǎo)和輻射等途徑影響單片機系統(tǒng)正常工作;二是來源于系統(tǒng)內(nèi)部，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝等決定以及內(nèi)部元器件在工作時產(chǎn)生干擾，通過地址、電源線、信號線、分布電容等傳輸，影響系統(tǒng)工作狀態(tài)。單片機系統(tǒng)抗干擾措施主要從硬件、軟件兩個方面展開避錯、容錯設(shè)計，以提高系統(tǒng)的可靠性。

　　2干擾產(chǎn)生的原因

　　2.1干擾源

　　干擾源是指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號。產(chǎn)生的干擾包括：

　　(1)電磁干擾，如繼電器開關(guān)啟動、靜電放電、電網(wǎng)電壓波動等都可能引起不同程度的瞬變浪涌電壓，會造成IC和半導(dǎo)體器件PN結(jié)燒毀、氧化層擊穿等。

　　(2)人為干擾，如機械振動、繼電器觸點抖動、元器件安裝和電路板布線引起的電磁耦合、接插件接觸不良、虛焊、放大器自激、電源紋波等。

　　(3)環(huán)境因素干擾，如噪聲和環(huán)境溫濕度、以及太陽黑子的變化，空間粒子輻射等。

　　2.2干擾傳輸途徑

　　干擾對單片機系統(tǒng)的影響主要通過三種途徑傳輸，包括：

　　(1)輸入系統(tǒng)。一般情況下，星載儀器的檢測對象往往是微弱物理信號，通過放大的運放電路和高精度A/D轉(zhuǎn)換電路組成。如串入干擾，會使輸入的模擬信號失真，數(shù)字信號出錯，從而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)誤差增大。

　　(2)輸出系統(tǒng)。一旦受到干擾，將使各輸出信號混亂，不能正常反應(yīng)單片機系統(tǒng)的真實輸出。但一般單片機輸出電路都具有較高的電平，不易受到干擾，需要注意的是其對其他電路的干擾影響。

　　(3)CPU系統(tǒng)。該干擾主要是由CPU內(nèi)部時鐘和噪聲引起的，它可使單片機系統(tǒng)總線上的數(shù)字信號錯亂，CPU得到錯誤的地址信號，使程序跑飛或死循環(huán)，導(dǎo)致輸出錯誤，并將這個錯誤一直傳遞，造成系統(tǒng)失敗。

　　2.3敏感器件

　　在星載儀器單片機系統(tǒng)中，通常會用到一些如A/D、D/A變換器、弱信號放大器等容易被干擾的器件，也是產(chǎn)生干擾的重要原因。

　　3單片機常用抗干擾技術(shù)

　　抗干擾就是針對干擾產(chǎn)生的性質(zhì)、傳播途徑、侵入位置和侵入形式等，采取相應(yīng)的方法來消除干擾源，抑制傳播途徑，減弱電路或元器件對噪聲干擾的敏感性，使單片機系統(tǒng)能正常穩(wěn)定地運行。

　　3.1抑制干擾源的干擾作用

　　針對不同的干擾源采取相應(yīng)的措施，抑制干擾作用。

　　(1) 繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾。

　　(2) 在繼電器接點兩端并接火花抑制電路，一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾K到幾十K，電容選0.01uF，減少電火花影響。

　　(3) 盡可能將干擾源(與電機、繼電器)與敏感器件(單片機)遠(yuǎn)離。

　　3.2硬件干擾抑制技術(shù)

　　硬件抗干擾具有效率高的特點，只要合理布置與選擇有關(guān)參數(shù)，適當(dāng)?shù)挠布垢蓴_措施就能抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾。

　　3.2.1電源抗干擾設(shè)計

　　單片機系統(tǒng)對電源噪聲很敏感，電源的通斷、瞬時短路及電網(wǎng)串進(jìn)來的干擾脈沖都會造成單片機誤動作。主要措施為給電源加濾波電路和穩(wěn)壓器，以減少干擾。

　　3.2.2屏蔽干擾技術(shù)

　　在空間環(huán)境中，由于受空間帶電粒子輻射，會造成抗輻射能力較低的器件發(fā)生翻轉(zhuǎn)或鎖定，嚴(yán)重時會使器件失效?？刹捎娩X皮或鉭皮遮擋，進(jìn)行屏蔽加固。

　　星載儀器中，高靈敏的弱信號探測探頭引線應(yīng)用屏蔽線，避免外界信號的干擾。將可能產(chǎn)生電磁脈沖的部件如高壓電源，以及靈敏度較高的部件如前置放大器等用金屬罩屏蔽，以減少干擾。

　　3.2.3隔離抗干擾技術(shù)

　　隔離一方面可把外來的干擾通道切斷，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場干擾的目的。另一方面可將兩條信號線隔開，使彼此的串?dāng)_盡可能小，常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等。

　　a.光電隔離使用光電耦合器來完成，光電耦合器其輸入端和輸出端的電信號是以光為媒介進(jìn)行間接耦合的，因而具有較高的電氣隔離和干擾抑制能力，除此之外它還能起到很好的安全保障作用，因為在輸入輸出回路間有很高的耐壓值。

　　b.脈沖變壓器可實現(xiàn)數(shù)字信號隔離，脈沖變壓器匝數(shù)少，且一次和二次繞組分別纏繞在鐵氧體磁心的兩側(cè)，分布電容僅有幾pF，所以可作為脈沖信號的隔離器件。

　　c.繼電器的線圈和觸點之間沒有電氣上的聯(lián)系，故可利用繼電器的線圈接受電氣信號，利用觸點發(fā)送和輸出信號，避免弱電和強電信號間的直接接觸，實現(xiàn)干擾隔離。

　　3.2.4印制板PCB抗干擾設(shè)計

　　隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB密度越來越高，PCB設(shè)計好壞對單片機系統(tǒng)影響很大。

　　a.設(shè)計時盡量選擇多層PCB板，其中一層為地層，一層為電源層，這種選擇能形成良好的退耦電路，并加入地線的屏蔽，可防止產(chǎn)生低電位差和元件之間的耦合。

　　b.晶振與單片機引腳盡量靠近，引線越短越好，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。

　　c.電源線，地線應(yīng)盡量加粗，除減小壓降外，還能降低耦合噪聲。

　　d.TTL，CMOS器件的地線要呈輻射網(wǎng)狀，避免環(huán)形。兩種器件接口應(yīng)考慮電平匹配。

　　e.印制板布線時，將微弱信號電路與易產(chǎn)生噪聲污染的電路分開布線，信號線與強電控制線路、電源線路分開走線，且相互間保持一定的距離。配線時應(yīng)區(qū)分交流線、直流穩(wěn)壓電源線、數(shù)字信號線、模擬信號線、數(shù)字地、模擬地等。配線間隔越大，配線越短，則噪聲越小。信號線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線路，如受條件限制，信號線不能與高壓線離得足夠遠(yuǎn)，就要采用信號線接電容等各種抑制電磁感應(yīng)噪聲的措施。用地線將數(shù)字與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地分離，最后在一點接于電源地。交流地和信號地不能共用。

　　f.布線時避免90°折線，減少高頻噪聲發(fā)射。盡量減少回路環(huán)面積，以降低感應(yīng)噪聲。

　　g.元件面與焊接面應(yīng)采用垂直、斜交或彎曲走線，避免相互平行以減小寄生耦合，避免相鄰導(dǎo)線平行段過長。

　　h.單片機和大功率器件要單獨接地，大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

　　i.信號頻率過高的信號線，要加終端匹配電阻。為提高干擾抑制能力，探測器連接電纜可采用金屬網(wǎng)狀屏蔽線抑制靜電感應(yīng)，采用雙絞屏蔽線抑制電磁感應(yīng)。

　　j.高頻電路應(yīng)就近多點接地，以避免地線間耦合，低頻電路應(yīng)一點接地，以減少地線造成的地環(huán)路。

　　3.2.5EFT抗干擾技術(shù)

　　振蕩電路的正弦波信號受到外界干擾時，其波形上會疊加一些毛刺。以施密特電路對其整形時，這種毛刺會成為觸發(fā)信號干擾正常的時鐘信號，交替使用施密特電路和RC濾波可使這種毛刺不起作用，這就是EFT抗干擾技術(shù)。

　　3.2.6減少敏感元件的干擾性

　　a.根據(jù)電路參數(shù)選擇合理器件，盡量選用集成度高、溫漂小、抗干擾性能好以及功耗小的器件。

　　b.對單片機閑置的I/O口，不能懸空，應(yīng)接地或電源。其它IC的閑置端，在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下，接地或電源。

　　c.在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機晶振和選用低速數(shù)字電路。

　　d.電路板上每個IC都要在VCC與地間并接一個0.01uF~0.1uF去耦電容，起到濾波的作用。注意電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會影響濾波效果。

　　e.對單片機使用電源監(jiān)控和看門狗電路。

　　f.單片機的標(biāo)準(zhǔn)退耦電路是一只100uF的電容并聯(lián)一只0.1uF的高頻電容，這兩只電容應(yīng)盡量靠近V/V的地方，以減少環(huán)路效應(yīng)。

　　g.單片機數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線是單片機與外界進(jìn)行信息交換的唯一通道，為提高總線的可靠性，可為總線配置總線驅(qū)動器，以及配置總線上拉電阻。

　　3.3軟件干擾抑制技術(shù)

　　硬件抗干擾措施往往并不能完全消除干擾，單片機系統(tǒng)仍會受到侵害，軟件抗干擾技術(shù)可進(jìn)一步減小各種干擾的影響。

　　3.3.1指令冗余技術(shù)

　　以MCS-51為例，CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)，當(dāng)CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當(dāng)作操作碼來執(zhí)行，引起程序混亂。為了使“跑飛”的程序迅速回到正軌，應(yīng)多用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵地方插入兩個字節(jié)以上的單字節(jié)NOP指令，通常是在雙字節(jié)和3字節(jié)指令之后插入。以及在一些對程序流向起決定作用的指令(如RET、RETI、LCALL、SJMP等)前插入兩條NOP指令，以保證程序迅速納入正軌，或?qū)⒂行е噶钪貙?，保證指令正確執(zhí)行，這便是指令冗余。

　　3.3.2軟件陷阱技術(shù)

　　當(dāng)程序“跑飛”到非程序區(qū)時，指令冗余將無法解決問題。此時可設(shè)置軟件陷阱，截斷跑飛的程序，將其引向指定位置，在進(jìn)行出錯處理。如MCS-51，假設(shè)出錯處理程序的入口地址為ERROR，可在適應(yīng)的地方如下設(shè)置指令：

　　NOP

　　NOP

　　LJMP ERROR

　　軟件陷阱主要安排在未使用的中斷區(qū)，未使用的程序空間以及非程序空間，程序運行區(qū)及中斷服務(wù)程序區(qū)。

　　3.3.3軟件看門狗技術(shù)

　　當(dāng)失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，冗余指令和軟件陷阱也無能為力，通常采用“看門狗”技術(shù)。“看門狗”技術(shù)分為硬件和軟件兩種，這里主要介紹軟件看門狗。如MCS-51，它有兩個定時器T0和T1，可用這兩個定時器對主程序進(jìn)行監(jiān)控。用定時器T0監(jiān)視定時器T1，用定時器T1監(jiān)視主程序，主程序監(jiān)視定時器T0，“看門狗”根據(jù)程序運行指定時間間隔內(nèi)未進(jìn)行操作，來判斷程序運行出錯。采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的軟件“看門狗”，具有良好的抗干擾性能。

　　3.3.4軟件濾波技術(shù)

　　干擾對單片機的輸入會造成輸入信號瞬間采樣的誤差或誤讀，為消除干擾影響，可采用軟件濾波方法。常用的軟件濾波方法有：

　　a.中位值平均濾波法。對重要信號進(jìn)行多次N個采樣，去除最大和最小值，取剩余的N-2個A/D轉(zhuǎn)換值的平均值。此方法可消除由于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾引起的采樣值偏差。

　　b.程序判斷濾波法。根據(jù)經(jīng)驗確定出兩次采樣的最大偏差值⊿Y，若兩次采樣信號相減數(shù)值大于⊿Y，表明為干擾信號，應(yīng)去除。用上次采樣值與本次采樣值比較，若小于或等于⊿Y，表明沒有受到干擾，此時采樣值有效，這種方法可濾去隨機干擾和由傳感器不穩(wěn)定引起的誤差。

　　c.遞推平均濾波法。把連續(xù)N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定，每次采到的新值放入隊尾，去掉原隊首數(shù)據(jù)，將隊列中N個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，可獲得新的濾波結(jié)果。本方法對周期性干擾有良好的抑制作用。

　　3.3.5輸出端口抗干擾技術(shù)

　　由于外圍器件動作時，常會產(chǎn)生電磁脈沖，對輸出信號造成影響。對輸出通道的干擾，可采用在程序中周期性的添加輸出端口刷新指令的方法，以降低干擾。在程序指定RAM單元，存儲輸出口當(dāng)時應(yīng)處的狀態(tài)，在程序運行時根據(jù)這些RAM單元的內(nèi)容刷新I/O口。也可采用多次重復(fù)寫控制命令的方式，重復(fù)周期盡量短，這樣輸出設(shè)備得到一個干擾還來不及響應(yīng)時，正確信號到來，可以防止誤動作的發(fā)生。

　　4結(jié)束語

　　抗干擾技術(shù)是單片機系統(tǒng)設(shè)計過程中重要的環(huán)節(jié)，合理的使用軟件、硬件抗干擾技術(shù)，可使系統(tǒng)最大限度地避免干擾的產(chǎn)生和使系統(tǒng)恢復(fù)正常，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。在以往的星載儀器設(shè)計中，根據(jù)系統(tǒng)實際情況，均采用了上述相應(yīng)的幾種方法相結(jié)合的抗干擾措施，實踐證明，上述抗干擾方法是有效的。航天工程要求高可靠、高質(zhì)量的產(chǎn)品，因此只有針對不同情況，采取相應(yīng)措施，將干擾影響降到最低，才能保證儀器長期穩(wěn)定、可靠、安全的運行。

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