數(shù)據(jù)采集大作業(yè)

1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抗干擾技術(shù)摘要：本文主要從單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出發(fā)，從理論方面闡述了硬件和軟件 兩方面所采取的抗干擾措施來提高系統(tǒng)的可靠性。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抗干擾技術(shù)單片機控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅要求有完善的記憶、存貯、識別和控制功能， 如CPU、存儲器、數(shù)字I/O輸入和輸出、串行接口、計數(shù)定時和實時操作系統(tǒng)， 還要求對信號的處理、濾波、A/D和D/A變換器、驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)等，成為一 個完整協(xié)調(diào)有特殊功能的工作系統(tǒng)。然而在整個系統(tǒng)中，因其受到多方面的干擾， 影響了系統(tǒng)的可靠性，為了保證系統(tǒng)在各種復(fù)雜的環(huán)境中長時間、安全、穩(wěn)定的 運行，必須解決好其一直存在的一個常見關(guān)鍵而又難以解決的問題抗干擾問題。

2、在單片機控制系統(tǒng)中，干擾源主要來自來自兩個方面：一是來自系統(tǒng)內(nèi)部 元器件在工作時產(chǎn)生的干擾，干擾信號通過地址線、電源線、信號線、分布電容 和電感等傳輸，影響系統(tǒng)工作狀態(tài)；二是來自系統(tǒng)外部其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾， 通過傳導(dǎo)和輻射等途徑影響微機控制系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的正常工作。為使單片機控制系統(tǒng)正常工作，在硬件和軟件兩方面均可采取一定抗干擾措施來提高系統(tǒng)的可 靠性。一、硬件抗干擾措施硬件抗技術(shù)適合于消除頻率較高信號中的干擾，主要是抵抗空間輻射干擾， 輸入/輸出通道干擾及供電系統(tǒng)的干擾。1硬件看門狗技術(shù)使用硬件看門狗的主要目的是防止程序執(zhí)行受到干擾， 不能按正常流程執(zhí)行 的一種監(jiān)視芯片。所謂“看門狗”就

3、是一個定時器，定時時間到，它就輸出一個 信號，使單片機復(fù)位。所謂“謂狗”就是把定時器的計數(shù)值清除。只要按時喂狗， 定時器就不會到達(dá)定時時間，單片機就不會復(fù)位。如果程序“跑飛”，或者進(jìn)入死循環(huán)，不能按時喂狗，就會復(fù)位，使單片機重新開始工作。2屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)是利用金屬材料對電磁波具有較好的吸收和反射能力來進(jìn)行抗干 擾的。屏蔽一般分為3種：靜電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)屏蔽的 要求選用好的金屬材料制成設(shè)備外殼，從根本上屏蔽外部的干擾信號。另外根據(jù) 導(dǎo)線之間電耦合、磁耦合及電磁耦合產(chǎn)生相互干擾的機理， 在儀器布線方面應(yīng)做 到：強電的纜線必須單獨走橋架，絕對不能和信號線挨在一起；努力使強電線

4、纜 與弱電信號線正交；不能避開的平行走線，應(yīng)保持強電纜線與弱信號線的距離。 使用連接線方面應(yīng)做到：針對電場耦合引起的干擾，采用無網(wǎng)孔的鋁箔屏蔽電纜 且使兩端引線外露部分盡量短、同軸電纜單端接地；此外在干擾源周圍加上屏蔽 體且將屏蔽體一點接地，可把電場形成的干擾源屏蔽掉，使之對鄰近導(dǎo)線或回路 不產(chǎn)生干擾且可抑制磁場對弱電信號回路可能造成的干擾。3.接地抗干擾技術(shù)各種儀器設(shè)備都需要接地，所謂接地就是將某點與一個等電位點或等電位面 用低電阻導(dǎo)線連接起來，構(gòu)成一個基準(zhǔn)電位。接地的目的在于消除公共地線阻抗 所產(chǎn)生的共阻抗耦合干擾，并避免受磁場和電位差的影響，防止形成地電流環(huán)路 與其它電路產(chǎn)生磁耦合干擾。

5、但是值得注意的是地線也是引入干擾的重要通道。 在一個較大的測控系統(tǒng)中，往往包括各種測試儀器，其中既有高頻信號，又有低 頻信號；既有強電電路，又有弱電電路；既有開關(guān)動作的設(shè)備，又有極為敏感的 弱電信號裝置。因此，不同類型的信號電路應(yīng)有不同的地線，如信號地線、信號 源地線、負(fù)載地線。對于同一類信號電路中，一般有一個共同的接地系統(tǒng)，但有 時也要根據(jù)信號電路的不同采取不同的接地形式，如串聯(lián)單點接地、并聯(lián)單點接地及多點接地。 串聯(lián)單點接地公共地線并非理想的純導(dǎo)線，具有一定的電阻，這一點容易被人們忽視。即 使是導(dǎo)線的電阻很小，也會在電路間形成干擾。各電路接地電壓都受到其它電路 電流的影響。采用這種接地方式

6、時，弱信號電路放在最近處接地。但從抑制電阻 耦合角度看，這種接地方式最不可取。 并聯(lián)單點接地這種方式可以避免電阻耦合干擾，因為各電路的接地電位只與自身電流有 關(guān)，不受其它電路電流影響。這種接地方式最適用于低頻。 多點接地對于高頻電路，應(yīng)采用多點接地方式。地線系統(tǒng)一般是與機殼相連接的扁粗 金屬導(dǎo)體或機殼本身，也常用導(dǎo)電條連成網(wǎng)或是一塊金屬網(wǎng)板作為地線。為了降 低電路的地電位，每個電路的地線應(yīng)盡可能縮短，以降低接地線阻抗。多點接地 系統(tǒng)的優(yōu)點是電路構(gòu)成比單點接地簡單，而且由于接地線短，接地線上可能出現(xiàn) 的高頻駐波現(xiàn)象顯著減小。但要注意的一點是由于多點接地后，設(shè)備內(nèi)部會增加 許多地線回路，它們對低電

7、平信號的電路會引起干擾， 帶來不良影響。綜合起來 考慮，通常接地方式可以這樣選擇：頻率低于 IMHz時可采用一點接地方式，高 于10MHz時應(yīng)采用多點接地。在110MHz之間，如采用一點接地，其地線長 度不得超過波長的1/20,否則應(yīng)采用多點接地。4隔離技術(shù)隔離技術(shù)是抑制干擾的有效的手段之一。為防止高電壓、大電流、大功率等強電或長輸電線上產(chǎn)生的各種干擾信號進(jìn)入儀器儀表內(nèi)部，影響正常工作,可使信息傳輸?shù)穆窂皆陔姎馍细綦x，亦即隔離前后兩部分線路之間無電氣上的連接，在電 氣上是互相獨立的兩個系統(tǒng)，各自有獨立的電源和參考電位，互相間毫不相關(guān)，靠 非電方式來傳送信息。對于模擬量輸入信號，則許多場合下采用

8、調(diào)制-解調(diào)式隔離 放大器、運算放大器等，模擬量輸出信號隔離則可采用直流電壓隔離法及變換隔 離法等，對于數(shù)字信號,可以采用光電隔離的辦法。較之模擬信號，數(shù)字信號的抗干 擾能力較強，但也有采用模/數(shù)變換隔離的方法，即在現(xiàn)場就地進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換， 利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將易受干擾的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行傳輸，在接收端再采用光電隔離，以增強其在信號傳輸過程中的抗干擾能力。5電路板布局布線(1) 注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量短。用地線把時鐘區(qū)隔離起來晶振外殼接地并固定。此措施可以解決許多疑難問題。(2) 用地線把數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點接與電 源地。A/D、D/A芯片布線也

9、以此為原則，廠家分配A/D、D/A芯片引腳排列 時已考慮此要求。(3) 充分考慮電源對控制芯片的影響。電源做的好，整個電路的抗干擾就解決了 一大半。許多控制芯片對電源噪聲很敏感，要給芯片組的電源加濾波電路或 穩(wěn)壓器，以減少電源噪聲對芯片組的干擾。比如，可利用磁珠和電容組成n形 濾波器，當(dāng)然要求不高時也可以用100Q電阻帶替磁珠。(4) 控制芯片和大功率輸出器件的地線要單獨接地已減少相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。電路板合理分區(qū)如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源(如電機，繼電器)與敏感器件(如單片機)遠(yuǎn)離。(5) 布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。盡可能縮短信號線的傳輸

10、長度?？煽毓鑳啥瞬⒔覴C抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲。若條件允許，在雙面 印制板布線時，正面?zhèn)鬏敻哳l數(shù)字信號和時鐘信號，在其傳輸印制電路背面盡 可能加大接地面積，這樣由于平行導(dǎo)線間的分布電容在導(dǎo)線接近地平面時會 變小的緣故，信號線之間串音干擾會減小。6其他措施(1) 去耦電容芯片電源進(jìn)線盡可能接一個104 (0.1uF)或103(0.01uF)的去耦電容(可以 用陶瓷電容，目前使用較多的是獨石電容)。每隔5個芯片左右安置一個110uF 的膽(電解)電容，因為這種電容的高頻阻抗很小，對噪聲抑制效果很好。(2) 續(xù)流二極管在繼電器兩端加續(xù)流二極管，消除線圈斷開時產(chǎn)生的反電動勢干擾。 僅加續(xù) 流二

11、極管會使繼電器的斷開時間滯后，若再增加穩(wěn)壓二極管，則可改善響應(yīng)速度， 消除滯后性。在繼電器觸點兩端應(yīng)并接火花抑制電路，減小電火花影響。(3) 瞬態(tài)電壓抑制器TVS瞬態(tài)電壓抑制器(Transient VOItage Suppress。，簡稱TVS)，使用TVS二極 管進(jìn)行浪涌保護(hù)比使用壓敏電阻優(yōu)越得多，具有響應(yīng)時間快，瞬態(tài)功率大，漏電流低，擊穿電壓偏差小，箝位電壓易于控制等優(yōu)點，有效保護(hù)電子線路中的精密 元器件，免受各種浪涌脈沖對元器件造成的損壞。二、軟件抗干擾措施在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由于單片機可能受到強烈的干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集誤差加 大、控制狀態(tài)失靈、數(shù)據(jù)受干擾產(chǎn)生變化等。我們可以采用一系列的軟件

12、抗干擾 措施來預(yù)防上述情況的發(fā)生。1數(shù)據(jù)采集誤差的軟件措施在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通過采用數(shù)值、邏輯運算處理來達(dá)到濾波的效果。下面介紹 幾種常用的簡便有效的數(shù)據(jù)采集方法：(1) 算術(shù)平均值法。對某一點的數(shù)據(jù)連續(xù)采集多次，計算其平均值，作為該點的采樣結(jié)果(一般取35次平均即可)。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對 采集結(jié)果的影響。(2) 比較舍取法。當(dāng)控制系統(tǒng)測量結(jié)果的個別數(shù)據(jù)存在偏差時，可采用比較舍取法，即對每個采樣點連續(xù)采集數(shù)次，根據(jù)所采集數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定舍 取辦法來剔除偏差數(shù)據(jù)。例如：“采三取二”即對每個采樣點連續(xù)采樣3次, 取2次相同數(shù)據(jù)為采樣結(jié)果。(3) 中值法。根據(jù)干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏大或

13、偏小的情況，對一個采樣點連續(xù)采 集多次，并對這些采樣值進(jìn)行比較，取中值作為該點的采樣結(jié)果。(4) 一階遞推數(shù)字濾波法。這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，實 現(xiàn)用軟件方法替代硬件RC濾波器。一階遞推數(shù)字濾波公式為：Yn=QX n+(l-Q)Y n-1式中：Q數(shù)字濾波器的時間常數(shù)；X第n次采樣時的濾波器輸入；Yn第n次采樣時的濾波器輸出。在實際應(yīng)用中，選取何種方法，應(yīng)根據(jù)信號的變化規(guī)律而定，以使數(shù)據(jù)采集 誤差的消除得到滿意的效果。2控制狀態(tài)失靈的軟件措施在大量的單片機控制系統(tǒng)中，人們關(guān)注的問題是：能否確保正常的控制狀態(tài)。 如果干擾進(jìn)入系統(tǒng)，會影響各種控制條件，造成控制輸出失誤，或直接影響

14、輸出 信號，造成控制失誤。為了確保系統(tǒng)安全，可以采取下述軟件抗干擾措施：(1) 軟件冗余。在條件控制系統(tǒng)中，對控制條件的一次采樣，處理控制輸出改 為循環(huán)采樣處理輸出。這種方法對慣性較大的控制系統(tǒng)具有良好的抗偶然因 素干擾的作用。(2) 設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元。當(dāng)干擾侵入輸出通道，輸出狀態(tài)破壞時，系 統(tǒng)能及時查詢寄存單元的輸出狀態(tài)信息，及時糾正輸出狀態(tài)。(3) 設(shè)置自檢程序。單片機內(nèi)的特定部位或某些內(nèi)存單設(shè)狀態(tài)標(biāo)志，在開機后，進(jìn)行不斷的循環(huán)測試，以保證系統(tǒng)中信息存儲、傳輸、運算的高可靠性。(4) 采用時間片方法。由于輸入/輸出接口狀態(tài)受到干擾，從而使系統(tǒng)資源被某一任務(wù)模塊長期占用，而不釋放，造

15、成系統(tǒng)“死鎖”問題。所謂“時間片”方法是：根據(jù)不同的外設(shè)對時間的要求，分配相應(yīng)的最大正 常的I/O時間。在每一 I/O的任務(wù)模塊中，加入相應(yīng)的超時判斷程序，若由于干 擾破壞了接口的狀態(tài)造成計算機中心處理機誤操作后，就會出現(xiàn)超時，使系統(tǒng)從該任務(wù)模塊程序中自動返回，避免“死鎖”情況發(fā)生。3使用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)實現(xiàn)存儲器內(nèi)容的自救在實時控制過程中，干擾造成比較嚴(yán)重的危害之沖毀存儲器中的數(shù)據(jù)，由于存儲器中保存的是各種原標(biāo)志、變量等，如果被破壞，會造成系統(tǒng)出錯或無法運 單片機實時控制系統(tǒng)而言，存儲器中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)是行分析、比較而臨時寄存的， 不允許丟失的數(shù)據(jù)也只占容的極少部分，大部分內(nèi)容允許短時破壞，最多只引起 一個很短時間的波動，很快能自動恢復(fù)正常。因此在實中，只要注意對少數(shù)不允 許丟失數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，一般常法有“校驗法”和“設(shè)標(biāo)法”。校驗法比較繁瑣，但查找錯信度高。設(shè)標(biāo)法簡單，但對數(shù)據(jù)區(qū)中個別數(shù)據(jù)沖毀的以查找錯誤， 在編 程中一般應(yīng)綜合作用，其具體做法為：(1) 在存儲器工作區(qū)重要區(qū)域的始端和尾端各設(shè)置志碼。