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单片机控制系统的硬件抗干扰设计

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  在设计磁场屏蔽时,应遵循如下准则:磁屏蔽体应选用高磁导率的铁磁性材料,防止磁饱和;被屏蔽物与屏蔽体内壁应留有一定间隙,防止磁短路现象发生;可增加屏蔽体壁厚,单层屏蔽体壁厚不宜超过2. 5 mm。若单层屏蔽体的屏蔽效果不好,可采用双层屏蔽或多层屏蔽,也可防止磁饱和;应使屏蔽体的接缝与孔洞的长边平行于磁场分布的方向,圆孔的排列方向要使磁路增加量最小,目的是尽可能不阻断磁通的通过;屏蔽体加工成型后都要进行退火处理;从磁屏蔽的机理而言,屏蔽体不需接地,但为了防止电场感应,一般还是要接地。

  (3)电磁场屏蔽

  电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播。电磁场屏蔽是靠对电磁波的反射和吸收来完成的,屏蔽效果与屏蔽体的厚度无关,这与电场屏蔽和磁场屏蔽不同。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元器件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量(涡流损耗)、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射)和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场,可抵消部分干扰电磁波)的作用,所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。

  在设计电磁场屏蔽时,选择屏蔽体材料的原则是:当干扰电磁场的频率较高时,利用低电阻率(高电导率)的金属材料中产生的涡流( ,电阻率越低,消耗的功率越大),形成对外来电磁波的抵消作用,从而达到屏蔽的效果;当干扰电磁波的频率较低时,要采用高导磁率的材料,从而使磁力线限制在屏蔽体内部,防止扩散到屏蔽的空间去;在某些场合下,如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时,往往采用不同的金属材料和磁材料组成多层屏蔽体。

  3.3  I/O接口的硬件抗干扰

  由于单片机控制系统中的I/0接口多数负责数据采集、控制执行等工作。其受到干扰的机会比别的单元更多,通常情况下可采用:

  (1) 光电耦合隔离。通过光电耦合器可以切断2个电路间的电气联系,信号通过光路进行传递,发光管和晶体管之间无导线连接,能有效抑制尖峰脉冲和各种噪声的干扰,从而能有效地防止干扰从过程通道进入主机。光耦的抗干扰能力很强,主要有以下三方面的原因:光耦的输入阻抗很低,一般在100~1000Ω,而干扰源的内阻一般都很大,通常为105~106Ω,根据分压原理可知,这时能馈送到光耦输入端的噪声很小。即使有时干扰电压的幅值很高,但所提供的能量却很小,只能形成微弱的电流,而光耦输入部分的发光二极管,只有通过一定强度的电流时才能发光,输出部分的光敏三极管只在一定的光强下才能工作,因此电压幅值很高的干扰,会由于没有足够的能量使发光二极管发光而被抑制掉;其次,光耦的输入回路和输出回路之间是光耦合的,而且又是在密封的条件下进行的,故不会受到外界光的干扰;最后,光耦的输入回路和输出回路之间的分布电容极小,绝缘电阻阻抗很大,因此回路一边的各种噪声很难通过光耦馈送到另一边去。而且光耦隔离由于采用的是电流环路传输,所以能避免在长线传输的时候,在传输线上积累高压和感应信号,使得数据紊乱甚至损坏TTL接口芯片,或者干扰单片机控制系统的正常运行。但是在使用光耦时,它的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源供电,如果两端共用一个电源,则光耦的隔离作用将失去意义。

  (2) 双绞线传输。双绞线能使各个小环路的电磁感应干扰相抵消,对电磁场干扰有一定的抑制作用。

  (3)长线传输的阻抗匹配。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。否则信号在传输线上会产生反射,造成失真,其危害程度与系统工作速度、传输线长度以及不匹配的程度有关。

  (4)用电流传输代替电压传输。其结果可获得较好的抗干扰性能。例如:RS-485的抗干扰能力明显高于RS-232。

  另外,单片机不用的I/O口定义成输出;闲置不用的门电路输入端不要悬空,要接高电平或者接地;闲置不用的运算放大器正输入端要接地,负输入端接输出端。

  4 结束语

  除了前面所讲的硬件抗干扰设计外,还应该采用软件抗干扰措施,如数字滤波技术,软件陷阱技术,软件看门狗技术等等,通过综合软件和硬件抗干扰技术各自的特点、优点,使得设计出来的系统达到最优的性价比。总之,干扰的产生和传递是很复杂的,各种措施的有效性也不尽相同,在系统设计过程中,一开始便着手考虑干扰的抑制,精心进行硬件电路设计和软件程序编写。成功的抗干扰设计需要一定的理论指导,更需要实践经验的积累,做到二者相结合,便能在短期内设计出高质量,高可靠性,连续稳定运行的单片机控制系统。

  本文的创新点是:通过分析单片机控制系统中电磁干扰产生的机理,总结出了一些实用的抑制电磁干扰的方法。


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