单片机应用系统中的硬件抗干扰方法

王广平　赵亮

摘要：该文针对学生在把单片机应用于实践过中的拦路虎——抗干扰问题，论述了开始完成单片机应用系统时，从硬件上应考虑的抗干扰基本方法和思路以及采取的基本措施。

关键词：单片机；硬件抗干扰；隔离；屏蔽；PCB

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）36-8822-01

在电类职业教育课程中，一般都开有《单片机原理及应用》课，如何引导学生把所学知识应用于工程实践中去，抗干扰就是一个必须要解决的问题.系统设计时必须首先重点考虑硬件抗干扰措施

我们知道干扰就是在一定条件下有用信号以外的噪声或造成恶劣影响的变化部分总称。要形成干扰必须同时具备三个因素，即干扰源、耦合通道、接收体。这三个因素缺一都将对系统产生不了干扰。因此，抗干扰无非是对干扰源尽可能避开抑制，对耦合通道采取措施加以切断，同时提高应用系统本身的抗干扰能力。这三点谈起来较易，对学生来说实际做起来往往理不出头绪。该文建议可从以下几点入手，去分析、思考硬件抗干扰的初步办法.

1 供电系统的干扰及抑制

单片机应用系统中的电源往往与工业系统共用，系统中各种大型电气设备的运行启停和都会产生很大的干扰。因此，可采用了以下几种硬件方法，提高供电系统的质量。

1） 采用低通电源滤波器，允许50HZ的交流通过，隔断其它高频谐波的干扰。

2） 采用隔离变压器，在一次和二次线圈间加静电屏蔽层，实现电容耦合隔离

3） 两极稳压。前级为交流稳压，其输出可做为被控强电系统的交流电源和后级稳压的输入，后级为直流稳压，其输出做为计算机电源。

4） 分别用多组电源供电。例如：通过对系统中各个功能模块分别供电，减少了公共电源和公共阻抗的相互耦合，就可提高电源的抗干扰性和可靠性。

2 CPU的抗干扰措施

当干扰作用到单片机时，单片机将无法按正常状态执行程序，从而引起系统混乱。在CPU抗干扰中需要解决的问题是：如何发现CPU受到了干扰，如何拦截CPU中失去控制的程序流向，怎样才能使系统的损失减小，如何恢复CPU正常运行。可采用以下几种硬件方法来解决。

1） 对于失控的CPU进行手动复位。

2） 当单片机处在睡眠状态时， CPU对系统总线上出现的干扰无任何反应，从而降低对干扰的敏感程度。在没有正常工作时，可让CPU休眠，必要时再通过中断来唤醒它。

3） 设计电源电压监控保护电路，注意防止电源的开关、瞬时降压、瞬时脉冲干扰对CPU造成的误动作和数据丢失。

4） 采用外部硬件计数器，或门电路，或专用片子等构成一个硬狗来形成自动复位信号，强行把运行不正常的系统拉入正常运行。

3 I/O接口的硬件抗干扰。

由于单片机控制系统中的I/0接口，大多数是进行数据采集、控制执行等工作。其受到干扰的机会相对更多，通常可考虑以下硬件抗干扰方法：

1） 光电耦合隔离。通过光电耦合器可切断2个电路间的电气联系，能有效抑制尖峰脉冲和各种噪声的干扰，防止干扰进入主机。使用光耦时，它的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源供电。

2） 采用双绞线传输。使各个小环路的电磁感应干扰相抵消，抑制共模干扰。

3） 长线传输中的阻抗匹配。要求源的输出阻抗、传输线的特性阻抗与接受端的输入阻抗三者相等。以防止信号在传输线中产生反射，造成失真。

4） 尽量采用串形传送和电流信号、负脉冲或负电位。

5） 输入线尽量短。避免信号线与动力线、数据线和脉冲线接近。

6） 对单片机中不用的I/O口定义成输出；系统中闲置的门电路输入端不要悬空；不用的运算放大器正输入端接地，负输入端与输出端知短接等。

7） 采用抑制办法来防止执行机构动作而引起的回馈干扰。例如：电容加电阻方法，用电容把触点断开的电弧电压最大值时间推迟到触点完全断开来抑制触点放电，用电阻抑制触点闭合时的短路电流。二极管加电阻方法，用来抑制电源切断瞬间产生的反电势形成的电流。利用非线性电阻稳压特性来吸收触点断开负载时的反电势。

4 屏蔽措施

对于场的干扰可以通过屏蔽的方法加以抑制。

1） 电场的屏蔽。使用接地的金属体包裹或隔离信号传输线，屏蔽体必须接地，形状最好是盒形和全封闭的。

2） 磁场的屏蔽。在对直流磁场和甚高频磁场屏蔽时，可利用高磁导率、低磁阻特性的屏蔽体对磁通的磁分路作用，使屏蔽体内部的磁场减小。设计时应遵循以下准则：磁屏蔽体要选用高磁导率的铁磁性材料，以防止产生磁饱和；被屏蔽物与屏蔽体内壁要留有一定的间隙，以防止磁短路；可适当增加屏蔽体壁厚，也可用双层屏蔽或多层屏蔽，以防止磁饱和；屏蔽体加工成型后都要进行退火处理；对屏蔽体一般要接地。

3） 电磁场的屏蔽。利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播，反射和吸收电磁场。在设计时，选择屏蔽体材料的原则是：当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线被限制在屏蔽体内部，以防止扩散到屏蔽的空间去；当干扰电磁场的频率较高时，要利用低电阻率的金属材料中产生的涡流形成对外来电磁波的抵消作用；如果要求对低频和高频电磁场都有良好的屏蔽效果时，可用不同的金属材料和磁材料来组成多层屏蔽体。

5 PCB板设计环节上多下功夫

1） 注意器件布局。例如：晶振位置接近CPU，外壳接地。基本系统相对集中。输入、输出部分位置相对集中。大电流器件相对集中，对有较高电位差的部分应隔开一定距离。各功能块相对集中。

2） 讲究布线。例如：线条适当加宽。输入、输出线尽量避免相邻平行。基本系统中数据线应尽量拉大距离。读、写线最好分开，中间加一个其它线。

3） 讲究几种地线的连接形式。例如：交流地、直流地、模拟地、数字地应分开走线，最后单点相连。屏蔽可直接接大地，数字、模拟的共点地可接大地或以4μF电容接大地，也可置成浮地形式。尽量减小地线上电阻。

4） 注意加去藕电容。

6 结束语

初次设计系统时首先可采用以上硬件抗干扰基本方法，再辅以必要的软件抗干扰措施，一般就可获得满意的抗干扰效果，从而保证系统可靠地工作。

参考文献：

[1] 丁向荣.单片机应用系统与开发技术[M].清华大学出版社，2009.

[2] 刘光斌.单片机系统应用抗抗干扰技术[M].人民邮电业出版社，2003.endprint