单片机PCB的抗干扰设计研究

2018-04-17郑春芳

电子测试 2018年16期

郑春芳

（山西水利职业技术学院，山西太原，030027）

1 干扰特点及来源

首先，电磁辐射和电磁波产生的干扰。大型设备在启动和停止过程中产生的电弧、电机等现场大型电气设备运行、空间中雷电的电磁波等都会产生这方面的干扰，其会对系统的元件、芯片等有所损坏，也会让计算机的数据出现错误，严重时可能造成数据丢失。

其次，系统内部零件工作时产生的干扰。一般情况下，系统零件运行期间产生的干扰信号会通过计算机的信号线、电源线、地址总线、电感、分布电容等物质传输，其会对系统中存储的数据和系统工作的正常状态产生影响，严重时还会出现数据丢失或者信号错误的现象[1]。

2 硬件抗干扰设计

2.1 信号接口抗干扰

首先，隔离信号。信息传输借助光耦合器件在输入通道上进行，在进行输出作业时，要通过直接采用机电隔离或者借助光电隔离耦合器件的方式，从电气上讲系统内部的各种传感器和开关完全隔离，从而对接口处的干扰进入系统进行阻挡和抑制。其次，电路滤波。将RC低通滤波器接入到输入电路之中，这样能对高频干扰信号进行有效的削弱，对于高频振荡或者火花放点造成的干扰，可以在回路当中接入C和LC共同组成的滤波器。最后，过压保护电路。一般情况下，过压保护由限流电阻和稳压管共同组成。

2.2 CPU的抗干扰

首先，抗干扰稳压电源。在设计之前就需要通过隔离变压器和低通滤波器将供电电源接入到电网中。低通滤波器则可以对电网中的“毛刺”进行有效吸收。而隔离变压器则是在初级绕组和次级绕组之间加装2层屏蔽层，然后再将整个系统和铁芯一起接地，这样就能将干扰通过初级和次级绕组之间的电路效应进入供电系统的情况进行有效的避免。其次，良好的接地系统。很多情况下产生的干扰就是接地不良造成的。如果存在不良的接地条件，就有可能出现系统浮置，这时就需要采取相关的屏蔽措施，分离系统之中的数字和模拟地，最后再将其连接到一点上。比如，对汽车系统传感器进行控制的信号必须使用单独引线，而不能使用车体来做地线，且要让各种地线连接到电源的一点。再次，屏蔽。将部分元件甚至整机使用金属外壳进行包围，在最大程度上做好屏蔽措施。

2.3 设计PCB板

在整个单片机系统抗干扰的过程中，电路板的印制和设计是非常重要的。在进行印制电路板设计及布线的过程中，需要本着尽量减小噪声的吸收、尽量控制噪声源、尽量减小噪声的传播和耦合三个原则进行。

首先，一般情况下，双面板的噪声会比四层板高出20分贝，而四层板的噪声又会比六层板高出10分贝[2]。若经济条件允许，可以考虑使用多层板。其次，在PCB上，尽量保证陶瓷谐振器、晶体谐振器以及外接电容的引线长度缩短。最后，如果信号的频率太高，就需要将信号线参照传输线进行处理，而且要在终端增加匹配的电阻。

2.4 警戒时钟

目前情况下，很多单片机都包含警戒时钟电路，在进行系统设计时，想要对其进行允许或者禁止，可以通过相关的软件设定警戒时钟的功能来实现，而且，使用警戒时钟功能还能有效防止单片机系统出现死机的现象。

2.5 选择单片机注重低时钟频率

高频噪声的来源基本都是外时钟，除过可能对应用的系统产生一定的干扰之外，还有对外界产生一定程度的干扰，这样会导致电磁兼容的检测不合格。如果某一应用系统对于系统可靠性的要求很高，在降低系统噪声系统的选择时，最主要的原则就是选用频率低的单片机。

3 软件抗干扰的设计

3.1 数据采集系统的抗干扰

想要尽可能消除在实时数据采集通道之中和采集过程之中产生的干扰信号，就可以考虑采用信号滤波的方式。使用有源或者无源的RLC网络来充当硬件，并形成模拟的滤波器，以求在最大程度上对信号频率实现滤波的目标。一般情况下，在数据的采集系统之中，具有比较多且常用的软件滤波。下面介绍几种具有实际意义的数据采集方法。

第一，限值滤波法。结合相关的实际经验，将信号峰值的下限XM0和上限XM输入到程序当中，如果Xi不在被测信号的范围之内，即可断定此信号是干扰信号，将其从系统当中除去；若Xi在被测信号的范围内，就说明采样值Xi0的方法比较适合切断电动工具的火花等零部件产生的随机的干扰脉冲，或者切断滤去的大电流电感负载。

第二，平均滤波法。采用集中性采样的方式收集连续的N个数值，然后在进行算术上的平均。使用的公式i进行计算，其中用来表示N次采样最终的平均值，Xi用来表示第i次的采样值，n用来表示采样的次数。但是，这种计算方法适用的范围比较狭窄，其只适合将系统随机干扰对采样结果的影响降到最小。

第三，递推随机滤波。此方法和平均滤波法相似，区别在于：如果规定按照20ms取一次输入值的频次，则平均滤波会在20ms之内实现n次取样，而且输入值一般会取n次取得样本的平均值。递推平均滤波采样的频率为20ms，想要得到第i次输入值Xi，就必须以第i次为基础进行采样，然后依次向前取值表示算术平均值递推的公式，但此方法最要适合将周期性等幅度的干扰滤去。

3.2 CPU的抗干扰

若单片机系统处于一个比较恶劣的工作环境，干扰就有可能通过三总线干扰到CPU按正常流程执行的一些程序，如果情况严重，还有可能出现系统失控。

第一，指令冗余。指令冗余即将许多单字节的指令运用在程序之中，尽量控制因为干扰而产生程序乱飞的现象，而且，人为地将某些单字节指令插入到关键地方，或者对有效的单字节指令进行重写[3]。一般情况下，单片机系统的指令不会超过三个字节，而且这些字节基本上都是单字节的指令。操作数和操作码共同构成指令，在指令提取的过程中，CPU线提取操作码，再提取操作数，将一条指令完整地执行完成后，再提取下一条指令然后进行执行。如果因为PC受到干扰而出现错误，会连带程序脱离原来正常的轨道，在系统之中乱飞，久而久之，就会出现操作数数值被改变或者操作数充当操作码的现象[4]。第二，软件陷阱。软件陷阱是指安定冗余且乱飞的程序，但是，下面的条件时需要满足的：程序需要准确地落在程序区内，且执行到冗余指令。如果最后系统内部乱飞的程序没有落在程序区域，可以通过设立软件陷阱的方式对其进行处理。其实，软件陷阱的本质就是一条起引导作用的指令，再通过强制的方式引导已经捕获到的程序至指定的位置，在特定的位置会有一段已经设置好的程序处理出错的程序[5]。