單片�(jī)在嵌入式系統(tǒng)�(yīng)用中的抗干擾措施
2011�08�30�資料類型 | 文件 | 資料大小 | |
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- 【資料簡(jiǎn)介�
單片�(jī)在嵌入式系統(tǒng)�(yīng)用中,抗干擾性能是系�(tǒng)可靠性的重要指標(biāo),抗干擾�(shè)�(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)研制中不可忽視的一�(gè)重要�(nèi)容。本文根�(jù)筆者在�(shí)際工作中的體�(huì),就單片�(jī)在嵌入式系統(tǒng)�(yīng)用中的抗干擾�(wèn)題�(jìn)行探討,并給出了排錯(cuò)�(shè)�(jì)、容�(cuò)�(shè)�(jì)的一些方法和措施�
隨著科學(xué)技�(shù)的迅速發(fā)展,單片�(jī)在各�(gè)�(lǐng)域中的應(yīng)用越�(lái)越廣泛。在眾多的應(yīng)用系�(tǒng)中共同面臨的一�(gè)�(wèn)題,就是它在�(yīng)用系�(tǒng)中的可靠性,這就要求我�?cè)谠O(shè)�(jì)�(shí)�(yīng)根據(jù)�(xiàn)�(chǎng)具體情況,在硬件�(shè)�(jì)、線路板�(shè)�(jì)、軟件設(shè)�(jì)等方面來(lái)采取相應(yīng)的抗干擾措施�
一、抗電源干擾的措�
大部分單片機(jī)嵌入式系�(tǒng)都采用市電電源供電,在應(yīng)用系�(tǒng)中一�(gè)很重要的干擾就來(lái)自電源。市電的各種干擾,如雷電、大容量感性負(fù)載的起停等,都會(huì)造成電源瞬間欠壓、過(guò)載,�(chǎn)生浪涌、下陷、尖峰等干擾,但我們可采取如下有效抗干擾措施�
1.用壓敏電阻抑制尖峰、浪�
壓敏電阻兩端的電壓如超過(guò)其限定值時(shí),電流會(huì)迅速增大,呈短路狀�(tài),利用這一特點(diǎn),可以用它吸收瞬間的尖峰、浪涌電壓。壓敏電阻并�(lián)在電源變壓器的初、次�(jí),加入壓敏電阻后,電源干擾造成單片�(jī)程序失控的可能性減小。壓敏電壓的�(jì)算公式為:VIMA�1�56×32×V~(V~:交流電壓有效值)
2.濾波器抑制高頻干擾
市電中含有多種高次諧波,它們很容易�(jīng)電源�(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng),另外一些射頻發(fā)射、電磁波等也�(huì)由電源線感應(yīng)反饋入單片機(jī)系統(tǒng)造成干擾,因此在電源電路中加入低通濾波電路讓50 Hz市電基波通過(guò),抑制掉高頻信號(hào)。此外在電源變壓器的初次�(jí)之間均用屏蔽層隔離,減少其分布電容,提高抗共模干擾的能力�
�1中列出了幾種不同形式的濾波電路�二、印刷電路板的抗干擾�(shè)�(jì)
印刷電路板是單片�(jī)�(yīng)用系�(tǒng)中器件、信�(hào)、電源線的高密度集合體,印刷電路板設(shè)�(jì)的好壞對(duì)�*力的影響很大�
1.電源線、地線的�(shè)�(jì)
在單片機(jī)�(yīng)用系�(tǒng),接地是抑制干擾的重要方法。線路板上既有邏輯電路,又有模擬電路,兩者的地線要分別與電源端地線相連。低頻電路的地線盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地,高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地。接地線如果很細(xì),接地電位則隨電流的變化而變化,使系�(tǒng)抗噪聲性能變壞,因此應(yīng)加粗接地線條,使它能通過(guò)3倍于印刷電路板上的允許電流�
電源線與地線�(yīng)盡量靠近走線以減少所包圍的環(huán)路面積,從而減少外界磁�(chǎng)�(duì)�(huán)路切割而產(chǎn)生的電場(chǎng)干擾,同�(shí)也減少環(huán)路對(duì)外電磁輻射。電源線、地線的走向與數(shù)�(jù)傳遞方向一致也有助于增�(qiáng)抗噪聲能力�
2.一些特殊措�
在印刷電路板的各�(gè)�(guān)鍵部位配置去耦電容應(yīng)視為印刷電路板設(shè)�(jì)的一�(xiàng)常規(guī)做法。原則上每�(gè)集成電路芯片都應(yīng)安置一�(gè)0�01μF的瓷片電容排除射頻耦合干擾,電容引線不能太�(zhǎng),應(yīng)緊靠芯片的電源線、地線。如印刷電路空隙小裝不下�(shí),可�4�10�(gè)芯片安置一�(gè)1�10μF的限噪聲用的電容鉭電容。線路板布局�(shí),應(yīng)使單片機(jī)的振蕩晶體盡量放在單片機(jī)兩引腳近端�
三、程序運(yùn)行失常的�(duì)�
前面所介紹的抗干擾措施僅是盡量減少干擾,提高系�(tǒng)�(yùn)行的可靠性,但在惡劣的工作環(huán)境下程序�(zhǎng)期運(yùn)行仍可能失控:PC值指向操作數(shù),將操作�(shù)作為指令碼執(zhí)行;PC值超出應(yīng)用程序區(qū),將非程序區(qū)中的隨機(jī)�(shù)作為指令碼運(yùn)行。不管何種情況,都會(huì)造成程序的非正常�(yùn)行或死機(jī)。看門狗就是在程序跑飛或死�(jī)�(shí),對(duì)系統(tǒng)�(jìn)行重新置位或�(fù)位,使系�(tǒng)恢復(fù)正常�(yùn)行的一種電路。常用的看門狗有2種:軟件狗和硬件狗�
1.硬件看門�
所謂硬件狗,就是一�(gè)能發(fā)�“�(fù)�”信號(hào)的計(jì)�(shù)器或定時(shí)器電路。圖2是一�(gè)硬件看門狗電路。其工作原理是:P1�0作為看門狗的“喂狗”信號(hào)定時(shí)給出一脈沖,設(shè)其脈沖間隔為△t<tw�2△t,當(dāng)程序正常�(yùn)行時(shí),每隔△t輸出一脈沖觸發(fā)CC4098單穩(wěn)電路,使始終為低電平,若程序一旦出�(xiàn)異常,不能在tw�(shí)間內(nèi)送出一“喂狗”脈沖,產(chǎn)生一正脈沖,使單片機(jī)系統(tǒng)�(fù)位,使其能重新正常運(yùn)行��(xiàn)在已有許多更*的集電源�(jiān)視和“看門�”于一身的新型芯片,如MAX705、MAX706、MAX813L等,有的還具備掉電檢�(cè)、備用電池自�(dòng)切換功能�
2.軟件看門�
軟件狗實(shí)際上就是通常所�(shuō)的軟件陷井。它是在程序存儲(chǔ)器的空余地址中全部填�1條跳�(zhuǎn)指令,一旦程序跑飛,只要程序指針指向這些地址,便立即被強(qiáng)行跳�(zhuǎn)至程序開(kāi)頭或其他地址處,從而使程序繼續(xù)正常�(yùn)行�
四、軟件中的抗干擾措施
提高系統(tǒng)可靠性的方法有排�(cuò)�(shè)�(jì)和容�(cuò)�(shè)�(jì)。前面提到的排錯(cuò)�(shè)�(jì)并不能將干擾�*。而容�(cuò)就是允許系統(tǒng)�(fā)生故障,借助冗余技�(shù)使其自動(dòng)抵消,在故障存在的情況下也能使系�(tǒng)正常�(yùn)行。下面介紹一下常用的幾種軟件容錯(cuò)方法�
1�?dāng)?shù)�(jù)采集誤差的軟件對(duì)�
�(duì)于實(shí)�(shí)�(shù)�(jù)采集系統(tǒng),為了消除傳感通器中的干擾信號(hào),在硬件上常采取模擬濾波器對(duì)信號(hào)�(shí)�(xiàn)頻率濾波,也可以用CPU的運(yùn)算控制功能也可以�(shí)�(xiàn)頻率濾波,這就是數(shù)字濾波(軟件濾波)。對(duì)一�(diǎn)�(shù)�(jù)連續(xù)采樣多次,計(jì)算其平均值,以平均值作為點(diǎn)的采樣結(jié)果,這樣可以減少系統(tǒng)的隨�(jī)干擾�(duì)采集�(jié)果的影響。根�(jù)干擾造成采樣�(shù)�(jù)偏大或偏小的情況,對(duì)一�(gè)采樣�(diǎn)連續(xù)采集多�(gè)信號(hào),對(duì)采樣值�(jìn)行比較,取中值作為該�(diǎn)的采集結(jié)果。還可利用軟件完成RC低通濾波器的算法,�(shí)�(xiàn)用軟件方法代替硬件RC濾波器。一階遞推數(shù)字濾波公式為式中:Q為數(shù)字濾波器�(shí)間常�(shù);Yn為第n次采樣時(shí)的濾波輸出;Xn為第n次采樣時(shí)的濾波輸入�
2.時(shí)間冗�
在程序的適當(dāng)位置�(shè)置若干檢查點(diǎn),在每一�(gè)檢查�(diǎn)保存程序在該檢查�(diǎn)之前正確�(yùn)行而得到的全部信息及標(biāo)志。如果故障是暫時(shí)性的,則程序卷回到上一檢查�(diǎn)�(kāi)始重新執(zhí)行,這樣可以*消除�(cuò)誤,其框圖如�3所示。但它只能檢出而不能消�*性故障,用時(shí)間換取可靠性�3.N版本程序�(shè)�(jì)
N版本程序�(shè)�(jì),是為某一�(gè)確定功能而獨(dú)立編制的幾�(gè)程序同時(shí)�(yùn)行,其結(jié)果是通過(guò)這些�(dú)立程序的�(yùn)行結(jié)果經(jīng)多數(shù)表決而得到的,其�(jié)�(gòu)框圖如圖4所示。N版本程序�(shè)�(jì)中,特別�(qiáng)�(diào)N版本,因?yàn)槿绻鞒绦虿捎昧讼嗤慕Y(jié)�(gòu)、相同的算法,就有可能產(chǎn)生相同的�(cuò)誤而使多數(shù)表決失敗�N版本程序�(shè)�(jì)中包含了程序�(shè)�(jì)上的冗余,用效率換取可靠性,能容忍設(shè)�(jì)�(cuò)誤的能力,還能屏蔽某些類型的暫時(shí)性硬件故障�
�(shù)�(jù)的冗余保�(hù)也是N版本程序�(shè)�(jì)思想的應(yīng)用。將重要�(shù)�(jù)同時(shí)存入幾�(gè)不相鄰的存儲(chǔ)單元,由于不相鄰存儲(chǔ)單元因干擾而被同時(shí)改寫(xiě)的可能性很小,即使有一兩�(gè)存儲(chǔ)單元出錯(cuò)也能得到正確的數(shù)�(jù)�
4.棄�(quán)�(guī)�
就是�(dāng)程序�(yùn)行或繼續(xù)�(yùn)行的某些必要條件未能具備�(shí),放棄對(duì)這些條件的要求,不是�(chǎn)生等待、中斷、出�(cuò)或停�(jī),而是采用跳過(guò)、轉(zhuǎn)移、N�1、默�(rèn)等方式保證程序繼�(xù)�(yùn)行,這些方法只適用于屏蔽暫時(shí)故障,所以要求同�(shí)�(chǎn)生報(bào)警輸出,以便確定是否需要人為干�(yù)�(lái)消除*故障。棄�(quán)�(guī)則首先要不影響程序的正確性和適應(yīng)用性�
�1)跳�(guò)
在不影響控制系統(tǒng)正常�(yùn)行的前提下,跳過(guò)條件不具備而導(dǎo)致故障的模塊向下�(zhí)行,這是軟件失效�(yùn)行的形式之一。所謂軟件失效運(yùn)行就是在故障�(fā)生時(shí)先把故障模塊從系�(tǒng)中斷�(kāi),再�(duì)系統(tǒng)的其余模塊�(jìn)行重�(gòu),使系統(tǒng)能繼�(xù)�(yùn)行,但功能降低,即降�(jí)�(yùn)行。可靠性的提高是以某些功能的損失為代價(jià)的�
�2)N�1方式
N�1方式是基于控制程序的循環(huán)�(zhí)行特性,即采用上一次循�(huán)(第N�1次)的數(shù)�(jù)代替本次循環(huán)(第N次)所需的卻未出�(xiàn)或未具備的數(shù)�(jù)。這種方法特別適用于緩變的被控�(duì)象。例如某次控制輸出被判斷為不合理,則利用上次循環(huán)的輸出來(lái)代替它�
�3)默�(rèn)
默認(rèn)也是棄權(quán)�(guī)則形式之一,與跳過(guò)不同的是采用�(yù)先置入的合理?xiàng)l件代替未具備的條件,即默�(rèn)條件存在。例如將非法輸入的操作指令默�(rèn)的無(wú)輸入,繼�(xù)原操作�
總之,棄�(quán)�(guī)則的目的是使工作在實(shí)�(shí)方式的控制系�(tǒng)保證連續(xù)�(yùn)行,以確保被控系�(tǒng)�(zhǎng)期穩(wěn)定工作,雖然系統(tǒng)的功能有可能降低�
控制系統(tǒng)常用的軟件容�(cuò)方法很多,還有非正常性規(guī)則、失效保�(xiǎn)�(shè)�(jì)等,在此就不不一一介紹。排�(cuò)�(shè)�(jì)和容�(cuò)�(shè)�(jì)的方法也很多,要根據(jù)�(xiàn)�(chǎng)情況選擇適當(dāng)?shù)姆椒āR陨辖榻B的抗干擾措施是在�(zhǎng)期實(shí)踐中摸索出的一些經(jīng)�(yàn),在此提出僅供參考�
積分抽獎(jiǎng)活動(dòng)�(kāi)始啦~智能制造網(wǎng)喊你�(lái)�(lǐng)�

智能制造網(wǎng)2024年度積分抽獎(jiǎng)活動(dòng)�(xiàn)已正式開(kāi)始。活�(dòng)�(shí)間為2025�[詳細(xì)]
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