單片機系統(tǒng)的可靠性技術

1、單片機系統(tǒng)的可靠性技術,介紹近年來單片機技術在提供系統(tǒng)可靠性方面所做的努力與發(fā)展。提醒用戶在單片機選型、單片機應用系統(tǒng)設計以及制造工藝等方面應注意什么，以實現(xiàn)高可靠性的單片機應用系統(tǒng)。,主要內(nèi)容,單片機自身的抗干擾措施 單片機應用系統(tǒng)的軟件抗干擾措施 單片機系統(tǒng)的硬件抗干擾措施 提高單片機系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段 單片機系統(tǒng)中印制電路板的抗干擾設計 單片機系統(tǒng)中用于抑制干擾的元件,單片機自身的抗干擾措施,1. 降低外時鐘頻率

2、2. 低噪聲系列單片機 3. 時鐘和電壓監(jiān)測電路、“看門狗”、復位 4. EFT技術5. 軟件方面的措施,外時鐘是高頻的噪聲源，除能引起對本應用系統(tǒng)的干擾之外，還可能產(chǎn)生對外界的干擾，使電磁兼容檢測不能達標。在對可靠性要求很高的應用系統(tǒng)中，選用頻率低的單片機是降低系統(tǒng)噪聲的原則之一。以8051單片機為例，最短指令周期1μs時，外時鐘是12MHz。而同樣速度的Motorola 單片機系統(tǒng)時鐘只需4MHz，更適合用于工控系統(tǒng)。近年

3、來，一些生產(chǎn)8051兼容單片機的廠商也采用了一些新技術，在不犧牲運算速度的前提下將對外時鐘的需求降至原來的1/3。而Motorola 單片機在新推出的68HC08系列以及其16/32位單片機中普遍采用了內(nèi)部瑣相環(huán)技術，將外部時鐘頻率降至32KHz，而內(nèi)部總線速度卻提高到8MHz乃至更高。,1. 降低外時鐘頻率,2. 低噪聲系列單片機,傳統(tǒng)的集成電路設計中，在電源、地的引出上通常將其安排在對稱的兩邊。如左下角是地，右下角是電源。這使得電源

4、噪聲穿過整個硅片。改進的技術將電源、地安排在兩個相鄰的引腳上，這樣一方面降低了穿過整個硅片的電流，一方面使外部去耦電容在PCB設計上更容易安排，以降低系統(tǒng)噪聲。另一個在集成電路設計上降低噪聲的例子是驅(qū)動電路的設計。一些單片機提供若干個大電流的輸出引腳，從幾十毫安到數(shù)百毫安。這些大功率的驅(qū)動電路集成到單片機內(nèi)部無疑增加了噪聲源。而跳變沿的軟化技術可消除這方面的影響，辦法是將一個大功率管做成若干個小管子的并聯(lián)，再為每個管子輸出端串上不同等效

5、阻值的電阻。以降低di/dt。,3.時鐘和電壓監(jiān)測電路、“看門狗”、復位,監(jiān)測系統(tǒng)時鐘，當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時鐘停振時產(chǎn)生系統(tǒng)復位信號以恢復系統(tǒng)時鐘，是單片機提高系統(tǒng)可靠性的措施之一。而時鐘監(jiān)控有效與省電指令STOP是一對矛盾。只能使用其中之一。 “看門狗”技術是監(jiān)測應用程序中的一段定時中斷服務程序的運行狀況，當這段程序不工作時判斷為系統(tǒng)故障，從而產(chǎn)生系統(tǒng)復位。 低電壓復位技術用于監(jiān)測單片機電源電壓，當電壓低于某一值時產(chǎn)生復位信

6、號。由于單片機技術的發(fā)展，單片機本身對電源電壓范圍的要求越來越寬。電源電壓從當初的5V降至3.3V，并且繼續(xù)下降到2.7V、2.2V、1.8V。在是否使用低電壓復位功能時應根據(jù)具體應用情況權衡一下。,4. EFT技術,新近推出的Motorola M68HC08 系列單片機采用EFT(Electrical Fast Transient)技術進一步提高了單片機的抗干擾能力。當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

7、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濾波可以使這類毛刺不起作用，這就是EFT技術。隨著VLSI技術的不斷發(fā)展，電路內(nèi)部的抗干擾技術也在不斷發(fā)展之中。,5. 軟件方面的措施,單片機本身在指令設計上也有一些抗干擾的考慮。非法指令復位或非法指令中斷是當運行程序時遇到非法指令或非法尋址空間能產(chǎn)生復位或中斷。單片機應用系統(tǒng)程序是事先寫好的，不可能有非法指令或?qū)ぶ?。一定是系統(tǒng)受到干擾，CPU讀指令時

8、出的錯。 以上提到的是當前廣泛使用的單片機應該具有的內(nèi)部抗干擾措施。在選用單片機時，要檢查一下這些性能是否都有，以求設計出可靠性高的系統(tǒng)。,單片機應用系統(tǒng)的軟件抗干擾措施,1. 開機自檢 2 .指令冗余技術 3. 對確定的工作狀態(tài)進行多次刷新 4. 數(shù)字濾波 5. 軟件陷阱 6. “看門狗”技術 7. 干擾避開法 8. I/O開關量軟件抗干擾設計 9. 程序運行出錯處理程序 10

9、. 編寫軟件的其它注意事項,1. 開機自檢,a. 檢測RAM 檢查RAM讀寫是否正常。 b. 檢查ROM單元的內(nèi)容 檢查ROM單元的內(nèi)容的校驗和。 c. 檢查I/O口狀態(tài) 檢查I/O口是否有短路或開路等不正常現(xiàn)象。 d. 其它接口電路檢測 如擴展的E2PROM、A/D轉(zhuǎn)換電路等的檢測。,2． 指令冗余技術,a. NOP的使用 可在雙字節(jié)指令和3字節(jié)指令之后插入兩個單字

10、節(jié)NOP指令，這可保證其后的指令在程序“跑飛”后不會被拆散。 b. 重要指令冗余 在對程序流向起決定作用的指令(如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ等)和某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)起重要作用的指令(如SETB EA等)之前插入兩條NOP指令。,3. 對確定的工作狀態(tài)進行多次刷新,一般來說，系統(tǒng)中程序運行到某些特定的地方時，部分運行參數(shù)、輸出端口、SP值、IE值等是

11、可以確定的，在這些地方對這些可以確定的參數(shù)和工作狀態(tài)進行刷新。例如：軟件的主程序中，在自檢和初始化后一般都有一個循環(huán)，剛進入循環(huán)時，IE的部分位和SP等是可以確定的，在這里對這些可以確定的參數(shù)和工作狀態(tài)用常數(shù)進行設置，可以保證因“跑飛”等原因而造成改變的參數(shù)和工作狀態(tài)可以迅速恢復正常。,4. 數(shù)字濾波,a. 程序判斷濾波法 判斷兩次采樣允許的最大偏差ΔY或單次采樣允許的最大(小)值。b. 中位值濾波法

12、 中位值濾波法就是對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N取奇數(shù))，然后把N次采樣值按大小排列，取中間值作為本次采樣值。 c. 算術平均濾波法 算術平均濾波法就是連續(xù)取N個值進行采樣，然后算術平均。,d. 遞推平均濾波法 遞推平均濾波法是把N個測量數(shù)據(jù)看成一個隊列，隊列的長度為N，每進行一次新的測量，就把測量結果放入隊尾，而扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)，這樣一來在隊列中始終有N個“最新”

13、的測量數(shù)據(jù)。計算濾波值時，只要把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行平均，就可以得到新的濾波值。 e. 防脈沖干擾平均值濾波法 先去掉N個數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，然后計算N-2個數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。,f. 一階滯后濾波法 在模擬量輸入通道中，常用一階滯后RC模擬濾波器來抑制干擾。當用這種方法來實現(xiàn)對低頻干擾濾波時，首先遇到的問題是要求濾波器有大的時間常數(shù)和高精度的RC網(wǎng)絡。時間常數(shù)Tf越大，要求R、C越大，其

14、漏電流也必然加大，從而也使RC網(wǎng)絡的精度降低。采用一階滯后的數(shù)字濾波程序，能很好地克服上述這種模擬量濾波器的缺點，在濾波常數(shù)要求大的場合，此法更適合，一階滯后濾波算法為：  Yn = (1-α)Yn+αYn-1  式中：Yn —— 未經(jīng)濾波的第n次采樣值；Tf為濾波時間常數(shù)；T為采樣周期； Tfα = ———— T + Tf

15、α值由實驗確定；只要使被檢測信號不產(chǎn)生明顯紋波即可。,,,,5. 軟件陷阱,當“跑飛”程序進入非程序區(qū)(如EPROM未使用的空間)或表格區(qū)時，采用冗余指令已不能使程序納入正軌，此時可以設置軟件陷阱，攔截亂非程序，將其引向一個特定的程序----程序運行出錯處理程序。 5.1 軟件陷阱 如果因干擾導致單片機的指令計數(shù)器PC值被錯置，程序跳到程序存儲器中的未使用區(qū)域，系統(tǒng)就會出錯。軟件陷阱是在程序存儲器的未使用的區(qū)域

16、中，加上若干條指令將“跑飛”程序引向程序運行出錯處理程序或復位入口地址。,,5.2 軟件陷阱的安排 a. 未使用的中斷區(qū) b. 未使用的程序存儲器空間 c. 非程序存儲器空間 d. 運行程序區(qū) e. 中斷服務程序 f. RAM數(shù)據(jù)保護的條件陷阱,6. “看門狗”技術,6.1 硬件“看門狗”技術 a. 單穩(wěn)態(tài)型“看門狗”電路 b. 計數(shù)器型“看門狗”電路

17、 c. μP監(jiān)控器 6.2 軟件“看門狗”技術 軟件“看門狗”技術用中斷程序來實現(xiàn)“看門狗”功能。,7. 干擾避開法,在實際的應用系統(tǒng)中，許多干擾來自系統(tǒng)本身。例如：大型感性負載的通斷，尤其是電源過壓、欠壓、浪涌、下陷以及產(chǎn)生尖峰干擾等。這些干擾可通過電源耦合竄入系統(tǒng)。雖然這些干擾危害很嚴重，但有大部分是可以預知的，在軟件設計時可采用適當?shù)拇胧┍荛_這些干擾。當系統(tǒng)要接通或斷開大功率負載時，使單片機

18、暫停工作，待干擾過后再恢復工作，這比單純在硬件上采取抗干擾措施要方便許多。,8. I/O開關量軟件抗干擾設計,8.1 開關量輸入軟件抗干擾措施 用重復檢測來實現(xiàn)抗干擾，如鍵盤去抖動 。在干擾信號的頻率較高的場合，還可以采用通信中常用“大數(shù)判決法”來實現(xiàn)去干擾。實現(xiàn)的過程是：在一定時間內(nèi)對信號進行多次采樣，對輸入電平的高低分別計數(shù)，以計數(shù)值大的對應狀態(tài)作為有效狀態(tài)。 8.2 開關量輸出軟件抗干擾措施 用重復

19、輸出的方法提高輸出接口抗干擾的性能。對于可編程借口芯片，工作方式控制字與輸出狀態(tài)字一并重復輸出。,9. 程序運行出錯處理程序,程序運行出錯處理程序又叫故障自動恢復處理程序。單片機系統(tǒng)因干擾而失控，導致程“跑飛”、進入“死循環(huán)”，甚至使某些中斷關閉。采用冗余指令、軟件陷阱和“看門狗”技術，使系統(tǒng)盡快擺脫失控狀態(tài)，而轉(zhuǎn)到“復位”時開始的位置執(zhí)行或者轉(zhuǎn)到相應的程序運行出錯處理程序，判斷出錯的原因和出錯后已造成的后果，盡可能地糾正錯誤，使程序進

20、入出錯前的位置。對于可以從“復位”時開始的位置執(zhí)行的情況，還需要區(qū)分是上電“復位”(又稱冷啟動)，還是故障“復位”(由軟件轉(zhuǎn)入的“復位”，有稱軟“復位”或熱啟動)。,9.1 上電標志設定 冷啟動的特征是要對系統(tǒng)進行徹底的初始化，程序從頭開始執(zhí)行。而熱啟動的特征是不需要全部進行初始化的，程序應從發(fā)生故障的位置開始執(zhí)行。為了區(qū)分是冷啟動還是熱啟動，需要用上電“復位”標志來判定。 a. PSW·5作為

21、上電標志 PSW·5標志適合于軟件復位方式。 b. SP建立上電標志 SP標志僅適用于軟件復位方式。 c. 內(nèi)部RAM中設置上電標志 RAM單元上電標志適用于硬件、軟件復位方式。 d. 硬件實現(xiàn)上電標志 硬件上電標志適用于硬件復位和軟件復位方式。,9.2 RAM中數(shù)據(jù)冗余保護與糾錯 在單片機系統(tǒng)，若

22、RAM具有掉電保護功能，在電源開啟和斷電過程中有可能造成RAM中數(shù)據(jù)丟失；當單片機受到干擾而造成程序“跑飛”時，也有可能破壞RAM中的數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)復位后首先要檢測RAM中的內(nèi)容是否出錯，并將被破壞的內(nèi)容恢復。工程實踐表明，干擾僅使RAM中個別數(shù)據(jù)出錯或丟失，并不會沖毀整個RAM區(qū)。這就是用數(shù)據(jù)冗余的思想保護RAM數(shù)據(jù)的依據(jù)。所謂數(shù)據(jù)冗余是將系統(tǒng)中的重要參數(shù)實行悲憤保留。系統(tǒng)復位后，立即利用備份RAM對重要參數(shù)區(qū)進行自我檢驗和恢復，從

23、而保護了RAM中的數(shù)據(jù)。,例如：三重冗余編碼糾錯方法是將重要數(shù)據(jù)在三個互不相關的地址單元按一定的編碼方式(取反、與特定值異或等，編碼方式應容易實現(xiàn)解碼)存放，建立兩重的備份數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)副本)，需要時對三個保存的數(shù)據(jù)解碼后再進行比較，如果有兩個或兩個以上的解碼結果相同，則取相同的作為正確的結果數(shù)據(jù)，如果三個數(shù)據(jù)解碼后互不相同，則糾錯失敗，進行相應的出錯處理。 建立備份數(shù)據(jù)應遵循如下原則： a. 各備份數(shù)據(jù)間應相

24、互原理分散設置，減少備份數(shù)據(jù)同時被破壞的概率； b. 各備份數(shù)據(jù)間應盡可能原理堆棧區(qū)，避免由于堆棧操作錯誤而造成數(shù)據(jù)被破壞； c. 備份不得少于2份，備份越多，可靠性越高，處理也越復雜，處理時間也越長。,9.3 軟件復位與中斷激活標志 軟件復位是指系統(tǒng)失控后由軟件陷阱捕捉到“跑飛”的程序，將其直接引向上電后開始執(zhí)行的程序地址，或者由軟件“看門狗”將程序脫離死循環(huán)而引向上電

25、后開始執(zhí)行的程序地址。系統(tǒng)受干擾后，很可能是在執(zhí)行中斷服務過程中“跑飛”。,在MCS-51系統(tǒng)響應中斷后會自動把相應的中斷激活標志置位，阻止同級中斷響應。清除中斷激活標志的方法有兩個：一是系統(tǒng)硬件復位，二是執(zhí)行RETI指令。當系統(tǒng)在執(zhí)行中斷服務中還沒有執(zhí)行RETI指令就因干擾而跳出中斷服務程序，如果這時直接將程序引0000H，這顯然就不可能清除該中斷的激活標志。這將使系統(tǒng)熱啟動后，不管中斷允許標志是否置位，都不響應同級的中斷請求。因此，

26、對于MCS-51系統(tǒng)，在將“跑飛”的程序引向上電后開始執(zhí)行的程序地址之前，一定要先清除兩個中斷激活標志。,MCS-51系統(tǒng)消除中斷激活標志的程序如下：ERR： CLREA ；關中斷MOV DPTR，#ERR1 ；返回ERR1地址PUSHDPLPUSHDPH RETI ；清除高級中斷激活標志ERR1：MOVDPTR，#START

27、 ；上電后開始執(zhí)行的程序地址PUSHDPLPUSHDPHRETI ；清除低級中斷激活標志,9.4 程序失控后恢復運行的方法 在一些生產(chǎn)過程或自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)中，要求生產(chǎn)工藝有嚴格的邏輯順序性，當程序失控后，不希望(甚至不允許)從整個控制程序的入口處從頭開始執(zhí)行控制程序，從而應從失控的那個程序模塊恢復執(zhí)行。 一般來說，主程序總是

28、由若干個功能模塊組成，每個功能?？烊肟谠O置一個標志。系統(tǒng)故障復位后，可根據(jù)這些標志(可以用冗余編碼糾錯方式來保存和備份這些標志)選擇進入相應的功能模塊。,10. 編寫軟件的其它注意事項 a. 盡量采用單字節(jié)指令，以減少因干擾而程序“跑飛”的概率。b. 慎用堆棧。程序運行中經(jīng)常與堆棧打交道，但堆棧操作因干擾而出錯的概率較大，堆棧操作次數(shù)越多，出錯概率也越大。因此在使用堆棧操作指令時，一次不要使用太多，減少子程序的個數(shù)，特別不要使

29、子程序嵌套層次太多。從抗干擾的角度，棧區(qū)的設置應遠離程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)，最好單獨設置，避免影響程序的其它部分。,c. 屏蔽中斷是受單片機內(nèi)部中斷允許控制寄存器控制的中斷。不可屏蔽中斷不受單片機內(nèi)部中斷允許控制寄存器控制。系統(tǒng)受干擾時，很可能會使中斷允許控制寄存器失效，從而使中斷關閉。因此，“看門狗”輸出信號應接入單片機的不可屏蔽中斷輸入端NMI。MCS-51單片機沒有不可屏蔽中斷控制方式，因此，一般將“看門狗”輸出信號接復位端。,d.

30、對于硬件“看門狗”電路，千萬不要在中斷里面清“看門狗”。因為單片機在受到干擾而進入“死循環(huán)”時，有可能中斷還能進入，如果靠中斷清“看門狗”，就永遠不能退出“死循環(huán)”了。e. 硬件“看門狗”的輸出信號，最好不要接到外部中斷輸入端口，而要與“復位”信號端口連接。因為單片機可能會因干擾而破壞中斷允許控制寄存器或者非法執(zhí)行了關中斷指令而使“看門狗”失效。,f. 單片機系統(tǒng)中采用的可編程I/O器件(如：8255、8251等)，原則上在上電啟

31、動后初始化一次即可，但工作模式控制字可能因干擾而受到破壞，使系統(tǒng)的輸入/輸出狀態(tài)發(fā)生混亂。因此，在實際的工程應用中，每次用到這種接口時，都要對有關部門功能重新設定一次，確保這些器件處于可靠的工作模式。,以上只是介紹了一些單片機系統(tǒng)常用的軟件抗干擾方法，其中部分方法的詳細說明和程序?qū)嵗梢詤⒖急本┖娇蘸教齑髮W出版社出版的《單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術》一書，希望對各位有所幫助。,單片機系統(tǒng)的硬件抗干擾措施,1. 特別要注意抗電磁干擾的單片機系

32、統(tǒng)a. 微控制器時鐘頻率特別高，總線周期特別快的系統(tǒng)。b. 系統(tǒng)含有大功率，大電流驅(qū)動電路，如產(chǎn)生火花的繼電器，大電流開關等。c. 含微弱模擬信號電路以及高精度A/D變換電路的系統(tǒng)。,a. 選用頻率低的微控制器 b. 減小信號傳輸中的畸變 c. 減小信號線間的交叉干擾 d. 減小來自電源的噪聲 e. 注意印刷線板與元器件的高頻特性 f. 元件布置要合理分區(qū) g

33、. 處理好接地線 h. 用好退耦電容,2. 提高系統(tǒng)抗干擾能力而應采取的措施,3. 降低噪聲與電磁干擾的一些經(jīng)驗 能用低速芯片就不用高速的，高速芯片用在關鍵地方。 可用串一個電阻的辦法，降低控制電路上下沿跳變速率。 盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼。 使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率時鐘。 時鐘產(chǎn)生器盡量靠近到用該時鐘的器件。石英晶體振蕩器外殼要接地。,用地線將時鐘區(qū)圈起來，時鐘線盡量短。 I/O驅(qū)動

34、電路盡量靠近印刷板邊，讓其盡快離開印刷板。對進入印制板的信號要加濾波，從高噪聲區(qū)來的信號也要加濾波，同時用串終端電阻的辦法，減小信號反射。 無用端口要接高，或接地，或定義成輸出端，集成電路上該接電源地的端都要接，不要懸空。 閑置不用的門電路輸入端不要懸空，閑置不用的運放正輸入端接地，負輸入端接輸出端。,印制板盡量使用45折線而不用90折線布線以減小高頻信號對外的發(fā)射與耦合。 印制板按頻率和電流開關特性分區(qū)，噪聲元件與非噪聲元

35、件要距離再遠一些。 單面板和雙面板用單點接電源和單點接地、電源線、地線盡量粗，經(jīng)濟能承受的話用多層板以減小電源，地的容生電感。 時鐘、總線、片選信號要遠離I/O線和接插件。,模擬電壓輸入線、參考電壓端要盡量遠離數(shù)字電路信號線，特別是時鐘。 對A/D類器件，數(shù)字部分與模擬部分寧可統(tǒng)一下也不要交叉。 時鐘線垂直于I/O線比平行I/O線干擾小，時鐘元件引腳遠離I/O電纜。 元件引腳盡量短，去耦電容引腳盡量短。 關鍵的線

36、要盡量粗，并在兩邊加上保護地。高速線要短要直。 對噪聲敏感的線不要與大電流，高速開關線平行。,石英晶體下面以及對噪聲敏感的器件下面不要走線。 弱信號電路，低頻電路周圍不要形成電流環(huán)路。 任何信號都不要形成環(huán)路，如不可避免，讓環(huán)路區(qū)盡量小。 每個集成電路一個去耦電容。每個電解電容邊上都要加一個小的高頻旁路電容。 用大容量的鉭電容或聚碳酸電容而不用電解電容作電路充放電儲能電容。使用管狀電容時，外殼要接地。 地線和大地之間加高壓

37、電容。 電源加電感。 電源和地之間加TVS，輸入輸出信號線對地加TVS效果顯著。,提高單片機系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段,1. 接地 這里的接地指接大地，也稱作保護地。為單片機系統(tǒng)提供良好的地線，對提高系統(tǒng)的抗干擾能力極為有益。特別是對有防雷擊要求的系統(tǒng)，良好的接地至關重要。上面提到的一系列抗干擾元件，意在將雷擊、浪涌式干擾以及快脈沖群干擾去除，而去除的方法都是將干擾引入大地，如果系統(tǒng)不接地，或雖有地線但接地電阻

38、過大，則這些元件都不能發(fā)揮作用。為單片機供電的電源的地俗稱邏輯地，它們和大地的地的關系可以相通、浮空、或接一電阻，要視應用場合而定。不能把地線隨便接在暖氣管子上。絕對不能把接地線與動力線的火線、零線中的零線混淆。,2. 隔離與屏蔽 典型的信號隔離是光電隔離。使用光電隔離器件將單片機的輸入輸出隔離開，一方面使干擾信號不得進入單片機系統(tǒng)，另一方面單片機系統(tǒng)本身的噪聲也不會以傳導的方式傳播出去。屏蔽則是用來隔離空間輻射的，

39、對噪聲特別大的部件，如開關電源，用金屬盒罩起來，可減少噪聲源對單片機系統(tǒng)的干擾。對特別怕干擾的模擬電路，如高靈敏度的弱信號放大電路可屏蔽起來。而重要的是金屬屏蔽本身必須接真正的地。,3. 濾波 濾波指各類信號按頻率特性分類并控制它們的方向。常用的有各種低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器。低通濾波器用在接入的交流電源線上，旨在讓50Hz的交流電順利通過，將其它高頻噪聲導入大地。低通濾波器的配置指標是插入損耗，選擇的低通

40、濾波器插入損耗過低起不到抑制噪聲的作用，而過高的插入損耗會導致“漏電”，影響系統(tǒng)的人身安全性。高通、帶通濾波器則應根據(jù)系統(tǒng)中對信號的處理要求選擇使用。,單片機系統(tǒng)中印制電路板的抗干擾設計,印制電路板的設計對單片機系統(tǒng)能否抗干擾非常重要。要本著盡量控制噪聲源、盡量減小噪聲的傳播與耦合，盡量減小噪聲的吸收這三大原則設計印制電路板和布線。當你設計單片機用印制電路板時，不仿對照下面的條條檢查一下。 使用滿足系統(tǒng)要求最低頻率的時鐘，時鐘產(chǎn)生器要盡

41、量靠近用到該時鐘的器件。 印制電路板要合理區(qū)分，單片機系統(tǒng)通?？煞秩齾^(qū)，即模擬電路區(qū)(怕干擾)，數(shù)字電路區(qū)(即怕干擾、又產(chǎn)生干擾)，功率驅(qū)動區(qū)(干擾源)。 印刷板按單點接電源、單點接地原則送電。三個區(qū)域的電源線、地線由該點分三路引出。噪聲元件與非噪聲元件要離得遠一些。,時鐘振蕩電路、特殊高速邏輯電路部分用地線圈起來。讓周圍電場趨近于零。 I/O驅(qū)動器件、功率放大器件盡量靠近印刷板的邊，靠近引出接插件。 能用低速的就不用高

42、速的,高速器件只用在關鍵的地方。 使用滿足系統(tǒng)要求最低頻率的時鐘，時鐘產(chǎn)生器要盡量靠近用到該時鐘的器件。 石英晶體振蕩器外殼要接地，時鐘線要盡量短，且不要引得到處都是。 使用450的折線布線，不要使用900折線,以減小高頻信號的發(fā)射。 單面板、雙面板，電源線、地線要盡量的粗。信號線的過孔要盡量少。,4層板比雙面板噪聲低20dB。6層板比4層板噪聲低10dB。經(jīng)濟條件允許時盡量用多層板。 關鍵的線盡量短并要盡量粗，并在

43、兩邊加上保護地。將敏感信號和噪聲場帶信號通過一條扁帶電纜引出的話，要用地線-信號-地線......的方式引出。 石英振蕩器下面、噪聲敏感器件下面要加大地的面積而不應該走其它信號線。 任何信號線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應盡量小。 時鐘線垂直于I/O線比平行于I/O線干擾小，時鐘線要遠離I/O線。,對A/D類器件，數(shù)字部分與模擬部分寧可繞一下也不要交叉。噪聲敏感線不要與高速線、大電流線平行。 單片機及其它IC電路，如

44、有多個電源、地端的話，每端都要加一個去耦電容。 單片機不用的I/O端口要定義成輸出。 每個集成電路要加一個去耦電容，要選高頻信號好的獨石電容式瓷片電容作去耦電容。去耦電容焊在印制電路板上時，引腳要盡量短。 從高噪聲區(qū)來的信號要加濾波。繼電器線圈處要加放電二極管?？梢杂么粋€電阻的辦法來軟化I/O線的跳變沿或提供一定的阻尼。,用大容量的鉭電容或聚脂電容而不用電解電容作電路充電的儲能電容。因為電解電容分布電感較大，對高頻無效。

45、使用電解電容時要與高特性好的去耦電容成對使用。 需要時，電源線、地線上可加用銅線繞制鐵氧體而成的高頻扼流器件阻斷高頻噪聲的傳導。 弱信號引出線、高頻、大功率引出電纜要加屏蔽。引出線與地線要絞起來。 印刷板過大、或信號線頻率過高，使得線上的延遲時間大于等于信號上升時間時，該線要按傳輸線處理，要加終端匹配電阻。 盡量不要使用IC 插座，把IC直接焊在印刷板上，IC座有較大的分布電容。,單片機系統(tǒng)中用于抑制干擾的元件,1.去耦

46、電容 每個集成電路的電源、地之間應配置一個去耦電容，它可以濾掉來自電源的高頻噪聲。作為儲能元件，它吸收或提供該集成電路內(nèi)部三極管導通、截止引起的電流變化(di/dt)，從而降低系統(tǒng)噪聲。要選高頻特性好的獨石電容或瓷片電容作去耦電容。每塊印制電路板電源引入的地方要安放一只大容量的儲能電容。由于電解電容的纏繞式結構，其分布電感較大，對濾除高頻干擾信號幾乎不起作用。使用時要與去耦電容成對使用。鉭電容則比電解電容效果更好。,2.

47、抑制高頻的電感 用粗漆包線穿入軸向有幾個孔的鐵氧體芯，就構成了高頻扼制器件。將其串入電源線或地線中可阻止高頻信號從電源/地線引入。這種元件特別適用于隔開一塊印制電路板上的模擬電路區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、以及大功率驅(qū)動區(qū)的供電。應該注意的是它必須放在該區(qū)儲能電容與電源之間而不能放在儲能電容與用電器件之間。,3.自恢復保險絲 這是用一種新型高分子聚合材料制成的器件，當電流低于其額定值時，它的直流電阻只有零點幾

48、歐。而電流大到一定程度，它的阻值迅速升高，引起發(fā)熱，而越熱電阻越大，從而阻斷電源電流。當溫度降下來以后能自動恢復正常。這種器件可防止CMOS器件在遇到強沖擊型干擾時引起所謂“可控硅觸發(fā)”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象指集成電路硅片的基體變得導通，從而引起電流增大，導致CMOS集成電路發(fā)熱乃至燒毀。,4.防雷擊器件 室外使用的單片機系統(tǒng)或電源線、信號線從室外架空引入室內(nèi)的，要考慮系統(tǒng)的防雷擊問題。常用的防雷擊器件有：氣體放電管，TVS

49、(Transient Voltage Supervention)等，氣體放電管是當電源電壓大于某一值時，通常為數(shù)十伏或數(shù)百伏，氣體擊穿放電，將電源線上強沖擊脈沖導入大地，TVS可以看成兩個并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當電兩端電壓高于某一額定值時導通。其特點是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃至上千安培的電流。這類元器件要和抗共模和抗差模干擾的電感配合使用以提高抗干擾效果。,單片機軟件系統(tǒng)可靠性設計的方法很多，各位同仁都有自己的經(jīng)驗和體會。單純地談可靠性

50、的問題，都應該簡單地從軟件或硬件方面考慮。更重要的是從影響性能穩(wěn)定、運行可靠的因素方面，排除干擾源對所設計系統(tǒng)的作用是至關重要的！有位業(yè)界資深的工程師說過：“完成軟硬件的設計，只是一個產(chǎn)品設計的十分之一，更多的是去做系統(tǒng)的可靠性、工藝性、合理性方面的工作”。