第 10章抗干扰技术引言10.1
电源系统干扰10.2
总线的抗干扰设计10.3
接口电路抗干扰设计10.4
软件的抗干扰设计10.5
10.1 引 言
干扰是指有用信号以外的变化部分，
是通常被称为噪声信号中能产生恶劣影响的那一部分，故有时又称其为噪声干扰信号或无意干扰信号。
10.1.1 干扰的来源
1．恶劣的供电条件
2,严重的噪声环境
3,其他图 10-1 单片机控制系统的干扰来源
10.1.2 干扰的分类
1．串模干扰
串模干扰又称差模干扰，它是串联于信号回路之中的干扰，如图 10-2所示。
图 10-2 串模干扰示意图图 10-3 通过分布电容引入串模干扰
2．共模干扰
共模干扰是指放大器或 A/D转换电路的两个输入端上共有的干扰电压。
图 10-4 共模干扰引入示意图图 10-5 双端接地连接方式
10.2 电源系统干扰
10.2.1 电源系统的组成图 10-6 单片机应用系统电源组成框图图 10-7 电源线上可能侵入的干扰
1,雷击干扰
2．高频感应
3．通断开关
4．电源本身的干扰
5．放电干扰
6．电网的干扰
10.2.2 电源系统的一般抗干扰技术
1．供电策略
2,电源接地技术图 10-8 电源供电情况
3．电源滤波技术
（ 1）交流端的滤波
（ 2）直流端的滤波
（ 3）滤波器的安装图 10-9 最简单的电容滤波器图 10-10 多级电源滤波器
4．电源系统的隔离技术
（ 1）交流电源的隔离
（ 2）直流电源的隔离图 10-11 整流电路高频滤波图 10-12 变压器的分布电容图 10-13 变压器的屏蔽图 10-14 电源变压器的双重屏蔽图 10-15 DC/DC变换隔离图 10-16 利用 DC/DC变换器的直流隔离电路
5．使用稳压器
（ 1）使用交流稳压器
（ 2）使用直流稳压器
6,瞬态干扰的抑制图 10-17 高低压回路装设 CR浪涌抑制器
10.2.3 开关电源的抗干扰技术
开关电源的干扰源主要有开关电源变压器、功率开关管和高频整流二极管。减小这些干扰源的噪声能量，是抗干扰最有效的办法之一。
图 10-18 开关电源的基本组成（ PWM）
1．优化布局
（ 1）减少环路面积
（ 2）将正负载流导线分别布在 PCB
板的两面图 10-19 开关电源一次整流回路的布线
2,合理接地
3,滤波技术
（ 1）交流电源滤波器
（ 2）直流电源滤波器图 10-20 开关电源 EMI滤波器的完整网络结构
10.2.4 电源系统的异常保护法抗干扰
1,不间断电源 UPS的应用
2,软硬件结合的电源异常保护图 10-21 软硬件结合的电源异常保护图 10-22 CHMOS型单片机抗干扰电源电路
10.3 总线的抗干扰设计
10.3.1 控制器接口的抗干扰措施图 10-23 总线驱动器
1．采用三态门式总线驱动器提高总线的抗干扰能力
2．总线接收端加施密特电路作缓冲器抗干扰
3．使用上拉电阻克服总线瞬间不稳定图 10-24 总线加上拉电阻提高抗干扰性
4,总线的负载平衡图 10-25 总线负载失衡
10.3.2 存储器部分噪声的抑制
1．动态 RAM抗干扰措施
2．静态 RAM抗干扰措施
10.3.3 系统装配的抗干扰设计
1．总体安排原则
① 单片机和外围设备按各自体系要有明显界限，不能混装，即使小系统只有一块印制板，也要有明显组群集合。
② 大功率电路和器件应与小信号电路分开。
③ 噪声敏感器件应缩短连接的信号线。
④ 发热量大的器件如 ROM,RAM等应尽量安排在较小影响关键电路的地方和通风冷却较好的地方，印制板垂直放置时发热量大的器件应安置在最上面。
2．系统连接线注意事项
（ 1）强电线路安装及布线
（ 2）弱电布线
3,系统防辐射措施
（ 1）改善电源线、地线抗干扰性能
（ 2）信号线加阻尼
（ 3）注意印制线路设计
（ 4）屏蔽辐射源
10.4 接口电路抗干扰设计
10.4.1 概述图 10-26 测控系统的基本组成
1．前向通道
2．后向通道
3．人机对话通道
4．相互通道接口
10.4.2 前向通道抗干扰技术
1．前向通道的内容与结构特点
（ 1）前向通道的含义
（ 2）前向通道的特点
（ 3）前向通道的结构类型表 10-1 前向通道结构示意图 10-27 多路信号输入的前向通道结构
2,前向通道设计中应考虑的问题图 10-28 前向通道的电源配置与干扰防止
10.4.3 多路开关及其抗干扰设计
1,多路开关及其抗干扰技术
2．多路开关选用的注意事项
（ 1）开关导通电阻的影响
（ 2）转换过程的尖峰电压
（ 3）输入信号电压的摆幅
（ 4）噪声的抑制
10.4.4 隔离放大器
1,变压器耦合式隔离放大器
2,光电耦合式隔离放大器图 10-29 典型隔离放大器功能结构图图 10-30 ISO 100原理图
10.4.5 V/F变换器
1,由 V/F变换器构成的廉价 D/A转换器
2,高抗干扰能力的 A/D转换器
3,高抗干扰数据输出系统图 10-31 V/F变换器与 80C51的接口电路图 10-32 V/F变换器的光电隔离技术原理图图 10-33 高抗干扰模拟数据远传系统原理图图 10-34 单片机高抗干扰数据采集系统图 10-35 使用光导纤维的 Vff，变换器远传系统
10.5 软件的抗干扰设计
10.5.1 概述
1．单片机测控系统软件的基本要求
① 容错性。
② 实时性。
③ 足够的时序裕度。
2．软件抗干扰的特点
① 软件抗干扰的两个作用。在两种情况下需要应用软件抗干扰：一种情况是为了提高系统的效能、节省硬件，用软件的功能去代替硬件；另一种情况是用软件去解决硬件解决不了的问题。
② 软件抗干扰是一种价廉、灵活、方便的抗干扰方法。
③ 用软件方法处理故障，实质上是采用冗余技术对故障进行屏蔽，对干扰响应进行掩盖，在干扰过后对干扰所产生的影响在功能上进行补偿，实现容错自救，同时，在调试和运行中用容错技术对干扰进行多层次、多角度的预防、屏蔽和监控。
④ 应用软件抗干扰，需要首先搞清楚干扰的种类、性质与影响的部位。
⑤ 应用软件抗干扰技术的前提是干扰尚未引起硬件的破坏,RAM中的程序与数据未丢失。
⑥ 高可靠、不停顿连续运行的容错抗干扰工业控制单片机系统是单片机系统发展的必然产物，也是单片机系统发展的必经阶段。
3,软件抗干扰的前提条件
① 在干扰作用下，微机系统硬件部分不会受到任何损坏，或易损坏部分设置有监测状态可供查询。
② 程序区不会受干扰侵害。
③ RAM区中的重要数据不被破坏，或虽被破坏但可以重新建立。
4,单片机系统抗干扰用到的软件技术
① 利用软件陷阱技术防止干扰造成的乱序扩展下去。
② 利用时间冗余技术，屏蔽干扰信号。
该技术包含多次采样输入、判断，以提高输入的可靠性；利用多次重复输出判断，
提高输出信息的可靠性；重新初始化，强行恢复正常工作，以免影响输入与输出；
查询中断源状态，防止干扰造成误中断；
在不需要的大部分时间里对中断进行屏蔽，
从而大大减少因干扰引起的误中断。
③ 容错技术。采用一些特定的编码，
对经过存放的数据进行检查，判断是否是因为存放受干扰，然后从逻辑上对错误进行纠正。
④ 指令冗余技术。对重要的指令重复写上多个，即使某一个被干扰，程序仍可执行。
⑤ 空间冗余技术。整机、电源、接口、
数据区均可设置备份，软件用于判别干扰和转换设备。
⑥ 设立标志技术。设置特征标志、识别标志，常在内部数据区的保护中使用。
⑦ 数字滤波技术。该技术既可称为硬件仿真（代替滤波器的功能）技术，又可属于时间冗余技术。它不需要硬件，靠单片机特殊设计的计算程序，高速、多次运算达到对采样数据序列进行平滑的目的，
以提高其有用信号在采样值中所占的比例，
减少乃至消除各种干扰和噪声，以保证测控系统工作的可靠性。
10.5.2 本质可靠性程序设计
1．最大限度地减少程序错误和缺陷
2．足够的时序裕度
（ 1）复位时序
（ 2）器件工作时序
（ 3）状态转换时序
① 自动保证时序空裕度的状态转换。
② 过渡参数可查的状态转换。
③ 具有握手标志的状态转换。
（ 4）总线时序
在单片机应用系统中，有并行总线与串行总线，串行总线中又有通信总线与扩展总线。
10.5.3 数字量 I/O通道中的软件抗干扰
1．数字量输入软件抗干扰方法
2,数字量输出软件抗干扰注意事项图 10-36 多次读入数据流程图图 10-37 开关量信号采样流程图
10.5.4 软件执行过程中的抗干扰设计技术
1．指令冗余技术
（ 1） MCS-51单片机指令特点
（ 2） NOP指令的使用
（ 3）指令重复
2．软件陷阱技术
（ 1）软件陷阱的形式
3,陷阱标志技术
4,程序监视定时器
（ 1）硬件 WDT-MAX813L
引 脚 功 能
MR 手动复位端。当该端有 140ms低电平输入时,MAX813L有 200ms宽的复位输出
VCC 工作电源，接 +5V
GND 工作地
PFI 电压监控端。当该端电压低于 1.25V时,MAX813L的 PFO端产生由高到低的变化表 10-3 MAX813引脚功能续表引 脚 功 能
PFO 电源故障输出端。正常时保持高电平；电源电压变低或掉电时，输出由 高变低
WDI,看门狗输入信号,。每 1.6s之内要向该端输送变化的信号；超过 1.6s该端不变化，就有 RST输出
RST 复位信号输出端。上电时产生 200ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也有复位信号输出
WDO,看门狗,信号输出端。正常时保持高电平；,看门狗,输出时，该端输出由高变低图 10-38 MAX813L与单片机系统的连接图
（ 2）软件“看门狗”技术
（ 3）软件 WDT和硬件 WDT的组合设计
（ 4）,看门狗,设计中的注意事项
①“喂狗”的时机
②“硬狗”与“软狗”的区别与作用
10.5.5 程序运行中的数据保护
1．单片机的中断保护
（ 1）利用堆栈保护中断现场
（ 2）工作中的寄存器保护
（ 3）公用数据区的保护
（ 4）对用作片选功能的 I/O线必须保护
（ 5）充分使用芯片的节电功能或掉电模式
2．系统的数据保护
（ 1）采用软件冗余实现数据保护
（ 2）使用电擦除可编程只读存储器
（ EEPROM）对数据保护
10.5.6 故障的恢复处理
1,上电方式辨别
2,系统的复位处理
3,RAM数据的备份与纠错
4,程序失控后系统信息的恢复图 10-39 RAM自检流程图图 10-40 三重冗余编码流程图
10.5.7 软件容错技术
1．时间冗余
2,信息冗余
10.5.8 数字滤波技术
相比于模拟滤波器，数字滤波器有以下优点：
① 无须增加任何硬件设备，只要在程序进入数据处理和控制之前，附加一段数字滤波程序即可；
② 由于数字滤波器不需要增加硬件设备，所以系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题；
③ 模拟滤波器各通道是专用的，而数字滤波器则可多通道共享，从而降低了成本；
④ 数字滤波器可以对很低的频率进行滤波，而模拟滤波器受到电容容量的限制，
频率不能太低；
⑤ 使用灵活方便，只要适当地改变滤波程序或运行参数，就能改变滤波特性。
电源系统干扰10.2
总线的抗干扰设计10.3
接口电路抗干扰设计10.4
软件的抗干扰设计10.5
10.1 引 言
干扰是指有用信号以外的变化部分，
是通常被称为噪声信号中能产生恶劣影响的那一部分，故有时又称其为噪声干扰信号或无意干扰信号。
10.1.1 干扰的来源
1．恶劣的供电条件
2,严重的噪声环境
3,其他图 10-1 单片机控制系统的干扰来源
10.1.2 干扰的分类
1．串模干扰
串模干扰又称差模干扰，它是串联于信号回路之中的干扰，如图 10-2所示。
图 10-2 串模干扰示意图图 10-3 通过分布电容引入串模干扰
2．共模干扰
共模干扰是指放大器或 A/D转换电路的两个输入端上共有的干扰电压。
图 10-4 共模干扰引入示意图图 10-5 双端接地连接方式
10.2 电源系统干扰
10.2.1 电源系统的组成图 10-6 单片机应用系统电源组成框图图 10-7 电源线上可能侵入的干扰
1,雷击干扰
2．高频感应
3．通断开关
4．电源本身的干扰
5．放电干扰
6．电网的干扰
10.2.2 电源系统的一般抗干扰技术
1．供电策略
2,电源接地技术图 10-8 电源供电情况
3．电源滤波技术
（ 1）交流端的滤波
（ 2）直流端的滤波
（ 3）滤波器的安装图 10-9 最简单的电容滤波器图 10-10 多级电源滤波器
4．电源系统的隔离技术
（ 1）交流电源的隔离
（ 2）直流电源的隔离图 10-11 整流电路高频滤波图 10-12 变压器的分布电容图 10-13 变压器的屏蔽图 10-14 电源变压器的双重屏蔽图 10-15 DC/DC变换隔离图 10-16 利用 DC/DC变换器的直流隔离电路
5．使用稳压器
（ 1）使用交流稳压器
（ 2）使用直流稳压器
6,瞬态干扰的抑制图 10-17 高低压回路装设 CR浪涌抑制器
10.2.3 开关电源的抗干扰技术
开关电源的干扰源主要有开关电源变压器、功率开关管和高频整流二极管。减小这些干扰源的噪声能量，是抗干扰最有效的办法之一。
图 10-18 开关电源的基本组成（ PWM）
1．优化布局
（ 1）减少环路面积
（ 2）将正负载流导线分别布在 PCB
板的两面图 10-19 开关电源一次整流回路的布线
2,合理接地
3,滤波技术
（ 1）交流电源滤波器
（ 2）直流电源滤波器图 10-20 开关电源 EMI滤波器的完整网络结构
10.2.4 电源系统的异常保护法抗干扰
1,不间断电源 UPS的应用
2,软硬件结合的电源异常保护图 10-21 软硬件结合的电源异常保护图 10-22 CHMOS型单片机抗干扰电源电路
10.3 总线的抗干扰设计
10.3.1 控制器接口的抗干扰措施图 10-23 总线驱动器
1．采用三态门式总线驱动器提高总线的抗干扰能力
2．总线接收端加施密特电路作缓冲器抗干扰
3．使用上拉电阻克服总线瞬间不稳定图 10-24 总线加上拉电阻提高抗干扰性
4,总线的负载平衡图 10-25 总线负载失衡
10.3.2 存储器部分噪声的抑制
1．动态 RAM抗干扰措施
2．静态 RAM抗干扰措施
10.3.3 系统装配的抗干扰设计
1．总体安排原则
① 单片机和外围设备按各自体系要有明显界限，不能混装，即使小系统只有一块印制板，也要有明显组群集合。
② 大功率电路和器件应与小信号电路分开。
③ 噪声敏感器件应缩短连接的信号线。
④ 发热量大的器件如 ROM,RAM等应尽量安排在较小影响关键电路的地方和通风冷却较好的地方，印制板垂直放置时发热量大的器件应安置在最上面。
2．系统连接线注意事项
（ 1）强电线路安装及布线
（ 2）弱电布线
3,系统防辐射措施
（ 1）改善电源线、地线抗干扰性能
（ 2）信号线加阻尼
（ 3）注意印制线路设计
（ 4）屏蔽辐射源
10.4 接口电路抗干扰设计
10.4.1 概述图 10-26 测控系统的基本组成
1．前向通道
2．后向通道
3．人机对话通道
4．相互通道接口
10.4.2 前向通道抗干扰技术
1．前向通道的内容与结构特点
（ 1）前向通道的含义
（ 2）前向通道的特点
（ 3）前向通道的结构类型表 10-1 前向通道结构示意图 10-27 多路信号输入的前向通道结构
2,前向通道设计中应考虑的问题图 10-28 前向通道的电源配置与干扰防止
10.4.3 多路开关及其抗干扰设计
1,多路开关及其抗干扰技术
2．多路开关选用的注意事项
（ 1）开关导通电阻的影响
（ 2）转换过程的尖峰电压
（ 3）输入信号电压的摆幅
（ 4）噪声的抑制
10.4.4 隔离放大器
1,变压器耦合式隔离放大器
2,光电耦合式隔离放大器图 10-29 典型隔离放大器功能结构图图 10-30 ISO 100原理图
10.4.5 V/F变换器
1,由 V/F变换器构成的廉价 D/A转换器
2,高抗干扰能力的 A/D转换器
3,高抗干扰数据输出系统图 10-31 V/F变换器与 80C51的接口电路图 10-32 V/F变换器的光电隔离技术原理图图 10-33 高抗干扰模拟数据远传系统原理图图 10-34 单片机高抗干扰数据采集系统图 10-35 使用光导纤维的 Vff，变换器远传系统
10.5 软件的抗干扰设计
10.5.1 概述
1．单片机测控系统软件的基本要求
① 容错性。
② 实时性。
③ 足够的时序裕度。
2．软件抗干扰的特点
① 软件抗干扰的两个作用。在两种情况下需要应用软件抗干扰：一种情况是为了提高系统的效能、节省硬件，用软件的功能去代替硬件；另一种情况是用软件去解决硬件解决不了的问题。
② 软件抗干扰是一种价廉、灵活、方便的抗干扰方法。
③ 用软件方法处理故障，实质上是采用冗余技术对故障进行屏蔽，对干扰响应进行掩盖，在干扰过后对干扰所产生的影响在功能上进行补偿，实现容错自救，同时，在调试和运行中用容错技术对干扰进行多层次、多角度的预防、屏蔽和监控。
④ 应用软件抗干扰，需要首先搞清楚干扰的种类、性质与影响的部位。
⑤ 应用软件抗干扰技术的前提是干扰尚未引起硬件的破坏,RAM中的程序与数据未丢失。
⑥ 高可靠、不停顿连续运行的容错抗干扰工业控制单片机系统是单片机系统发展的必然产物，也是单片机系统发展的必经阶段。
3,软件抗干扰的前提条件
① 在干扰作用下，微机系统硬件部分不会受到任何损坏，或易损坏部分设置有监测状态可供查询。
② 程序区不会受干扰侵害。
③ RAM区中的重要数据不被破坏，或虽被破坏但可以重新建立。
4,单片机系统抗干扰用到的软件技术
① 利用软件陷阱技术防止干扰造成的乱序扩展下去。
② 利用时间冗余技术，屏蔽干扰信号。
该技术包含多次采样输入、判断，以提高输入的可靠性；利用多次重复输出判断，
提高输出信息的可靠性；重新初始化，强行恢复正常工作，以免影响输入与输出；
查询中断源状态，防止干扰造成误中断；
在不需要的大部分时间里对中断进行屏蔽，
从而大大减少因干扰引起的误中断。
③ 容错技术。采用一些特定的编码，
对经过存放的数据进行检查，判断是否是因为存放受干扰，然后从逻辑上对错误进行纠正。
④ 指令冗余技术。对重要的指令重复写上多个，即使某一个被干扰，程序仍可执行。
⑤ 空间冗余技术。整机、电源、接口、
数据区均可设置备份，软件用于判别干扰和转换设备。
⑥ 设立标志技术。设置特征标志、识别标志，常在内部数据区的保护中使用。
⑦ 数字滤波技术。该技术既可称为硬件仿真（代替滤波器的功能）技术，又可属于时间冗余技术。它不需要硬件，靠单片机特殊设计的计算程序，高速、多次运算达到对采样数据序列进行平滑的目的，
以提高其有用信号在采样值中所占的比例，
减少乃至消除各种干扰和噪声，以保证测控系统工作的可靠性。
10.5.2 本质可靠性程序设计
1．最大限度地减少程序错误和缺陷
2．足够的时序裕度
（ 1）复位时序
（ 2）器件工作时序
（ 3）状态转换时序
① 自动保证时序空裕度的状态转换。
② 过渡参数可查的状态转换。
③ 具有握手标志的状态转换。
（ 4）总线时序
在单片机应用系统中，有并行总线与串行总线，串行总线中又有通信总线与扩展总线。
10.5.3 数字量 I/O通道中的软件抗干扰
1．数字量输入软件抗干扰方法
2,数字量输出软件抗干扰注意事项图 10-36 多次读入数据流程图图 10-37 开关量信号采样流程图
10.5.4 软件执行过程中的抗干扰设计技术
1．指令冗余技术
（ 1） MCS-51单片机指令特点
（ 2） NOP指令的使用
（ 3）指令重复
2．软件陷阱技术
（ 1）软件陷阱的形式
3,陷阱标志技术
4,程序监视定时器
（ 1）硬件 WDT-MAX813L
引 脚 功 能
MR 手动复位端。当该端有 140ms低电平输入时,MAX813L有 200ms宽的复位输出
VCC 工作电源，接 +5V
GND 工作地
PFI 电压监控端。当该端电压低于 1.25V时,MAX813L的 PFO端产生由高到低的变化表 10-3 MAX813引脚功能续表引 脚 功 能
PFO 电源故障输出端。正常时保持高电平；电源电压变低或掉电时，输出由 高变低
WDI,看门狗输入信号,。每 1.6s之内要向该端输送变化的信号；超过 1.6s该端不变化，就有 RST输出
RST 复位信号输出端。上电时产生 200ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也有复位信号输出
WDO,看门狗,信号输出端。正常时保持高电平；,看门狗,输出时，该端输出由高变低图 10-38 MAX813L与单片机系统的连接图
（ 2）软件“看门狗”技术
（ 3）软件 WDT和硬件 WDT的组合设计
（ 4）,看门狗,设计中的注意事项
①“喂狗”的时机
②“硬狗”与“软狗”的区别与作用
10.5.5 程序运行中的数据保护
1．单片机的中断保护
（ 1）利用堆栈保护中断现场
（ 2）工作中的寄存器保护
（ 3）公用数据区的保护
（ 4）对用作片选功能的 I/O线必须保护
（ 5）充分使用芯片的节电功能或掉电模式
2．系统的数据保护
（ 1）采用软件冗余实现数据保护
（ 2）使用电擦除可编程只读存储器
（ EEPROM）对数据保护
10.5.6 故障的恢复处理
1,上电方式辨别
2,系统的复位处理
3,RAM数据的备份与纠错
4,程序失控后系统信息的恢复图 10-39 RAM自检流程图图 10-40 三重冗余编码流程图
10.5.7 软件容错技术
1．时间冗余
2,信息冗余
10.5.8 数字滤波技术
相比于模拟滤波器，数字滤波器有以下优点：
① 无须增加任何硬件设备，只要在程序进入数据处理和控制之前，附加一段数字滤波程序即可；
② 由于数字滤波器不需要增加硬件设备，所以系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题；
③ 模拟滤波器各通道是专用的，而数字滤波器则可多通道共享，从而降低了成本；
④ 数字滤波器可以对很低的频率进行滤波，而模拟滤波器受到电容容量的限制，
频率不能太低；
⑤ 使用灵活方便，只要适当地改变滤波程序或运行参数，就能改变滤波特性。
