抗干擾與器件介紹課件

微控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計智能電量計電力載波通信1.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1.1.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件組成被控對象單片機(jī)光電隔離A/D光電隔離光電隔離D/A擴(kuò)展存儲器顯示器鍵盤功能芯片接口數(shù)字量輸入模擬量輸入開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出模擬量輸出輸入輸出接口I/O接口

二.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計1.1.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的基本過程一．系統(tǒng)需求與方案調(diào)研系統(tǒng)需求與方案調(diào)研的目的是通過市場或用戶了解用戶對擬開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)。通過查找資料，分析研究，解決以下問題：1）了解國內(nèi)外同類系統(tǒng)的開發(fā)水平、器材、設(shè)備水平、供應(yīng)狀態(tài)；對接收委托研制項目，還應(yīng)充分了解對方技術(shù)要求、環(huán)境狀況、技術(shù)水平，以確定課題的技術(shù)難度。2）了解可移植的硬、軟件技術(shù)。能移植的盡量移植，以防止大量低水平重復(fù)勞動。3）摸清硬、軟件技術(shù)難度，明確技術(shù)主攻方向。4）綜合考慮硬、軟件分工與配合方案。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，硬、軟件工作具有密切的相關(guān)性?？尚行苑治龅哪康氖菍ο到y(tǒng)開發(fā)研制的必要性及可行性作出明確的判定結(jié)論。根據(jù)這一結(jié)論決定系統(tǒng)的開發(fā)研制工作是否進(jìn)行下去?？尚行苑治鐾ǔ囊韵聨讉€方面進(jìn)行論證：1）市場或用戶的需求情況。2）經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。3）技術(shù)支持與開發(fā)環(huán)境。4）現(xiàn)在的競爭力與未來的生命力。二．可行性分析系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計與制作就是將前面的系統(tǒng)方案付諸實施，將硬件框圖轉(zhuǎn)化成具體電路，并制作成電路板，軟件框圖或流程圖用程序加以實現(xiàn)。四．系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計與制作系統(tǒng)調(diào)試是檢測所設(shè)計系統(tǒng)的正確性與可靠性的必要過程。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計是一個相當(dāng)復(fù)雜的勞動過程，在設(shè)計、制作中，難免存在一些局部性問題或錯誤。系統(tǒng)調(diào)試可發(fā)現(xiàn)存在的問題和錯誤，以便及時地進(jìn)行修改。調(diào)試與修改的過程可能要反復(fù)多次，最終使系統(tǒng)試運行成功，并達(dá)到設(shè)計要求。五．系統(tǒng)調(diào)試與修改系統(tǒng)硬件、軟件調(diào)試通過后，就可以把調(diào)試完畢的軟件固化在EPROM中，然后脫機(jī)（脫離開發(fā)系統(tǒng)）運行。如果脫機(jī)運行正常，再在真實環(huán)境或模擬真實環(huán)境下運行，經(jīng)反復(fù)運行正常，開發(fā)過程即告結(jié)束。六．生成正式系統(tǒng)或產(chǎn)品1.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計1.2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計原則一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包括三個部分內(nèi)容：一是單片機(jī)芯片的選擇，二是單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展，三是系統(tǒng)配置。一、單片機(jī)芯片的選擇二、單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展是指單片機(jī)內(nèi)部的功能單元(如程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等)的容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，這時應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計相應(yīng)的擴(kuò)展連接電路；系統(tǒng)配置是按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等，設(shè)計相應(yīng)的接口電路。

1.2.2硬件設(shè)計一．程序存儲器二．?dāng)?shù)據(jù)存儲器三．I/O接口四．譯碼電路五．總線驅(qū)動器六．抗干擾電路1.3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計一個應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件一般是由系統(tǒng)監(jiān)控程序和應(yīng)用程序兩部分構(gòu)成的。其中:

應(yīng)用程序是用來完成諸如測量、計算、顯示、打印、輸出控制等各種實質(zhì)性功能的軟件；系統(tǒng)監(jiān)控程序是控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定操作方式運行的程序，它負(fù)責(zé)組織調(diào)度各應(yīng)用程序模塊，完成系統(tǒng)自檢、初始化、處理鍵盤命令、處理接口命令、處理條件觸發(fā)和顯示等功能。軟件設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)軟件功能要求，將軟件分成若干個相對獨立的部分，并根據(jù)它們之間的聯(lián)系和時間上的關(guān)系，設(shè)計出軟件的總體結(jié)構(gòu)，畫出程序流程框圖。畫流程框圖時還要對系統(tǒng)資源作具體的分配和說明。根據(jù)系統(tǒng)特點和用戶的了解情況選擇編程語言，現(xiàn)在一般用匯編語言和C語言。匯編語言編寫程序?qū)τ布僮骱芊奖?，編寫的程序代碼短，以前單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件主要用匯編語言編寫；

C語言功能豐富，表達(dá)能力強(qiáng)，使用靈活方便，應(yīng)用面廣，目標(biāo)程序效率高，可移植性好，現(xiàn)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)很多都用C語言來進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計。（5）經(jīng)過調(diào)試修改后的程序應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化，除去修改“痕跡”。規(guī)范化的程序便于交流、借鑒，也為今后的軟件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化打下基礎(chǔ)。（6）實現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計。軟件抗干擾是計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提高可靠性的有力措施。（7）為了提高運行的可靠性，在應(yīng)用軟件中設(shè)置自診斷程序，在系統(tǒng)運行前先運行自診斷程序，用以檢查系統(tǒng)各特征參數(shù)是否正常。1.3.2資源分配一．程序存儲器ROM/EPROM資源的分配在這些資源分配中，定時/計數(shù)器、中斷、串行口等分配比較容易，這里介紹程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的分配。程序存儲器ROM/EPROM用于存放程序和數(shù)據(jù)表格。按照MCS-51單片機(jī)的復(fù)位及中斷入口的規(guī)定，002FH以前的地址單元作為中斷、復(fù)位入口地址區(qū)。在這些單元中一般都設(shè)置了轉(zhuǎn)移指令，用于轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序或復(fù)位啟動程序。當(dāng)程序存儲器中存放的功能程序及子程序數(shù)量較多時，應(yīng)盡可能為它們設(shè)置入口地址表。一般的常數(shù)、表格集中設(shè)置在表格區(qū)。二次開發(fā)，擴(kuò)展部分盡可能放在高位地址區(qū)。

RAM分為片內(nèi)RAM和片外RAM。片外RAM的容量比較大，通常用來存放批量大的數(shù)據(jù)，如采樣結(jié)果數(shù)據(jù)；片內(nèi)RAM容量較少，應(yīng)盡量重疊使用，比如數(shù)據(jù)暫存區(qū)與顯示、打印緩沖區(qū)重疊。對于MCS-51單片機(jī)來說，片內(nèi)RAM是指00H~7FH單元，這128個單元的功能并不完全相同，分配時應(yīng)注意發(fā)揮各自的特點，做到物盡其用。二．?dāng)?shù)據(jù)RAM資源分配目前國內(nèi)使用的通用單片機(jī)的仿真開發(fā)系統(tǒng)很多，南京偉福實業(yè)有限公司的偉福系列仿真器、廣州周立功公司51仿真器、新華龍公司提供的Cygnal51單片機(jī)仿真器（JTAG接口仿真器）。它們都具有對用戶程序進(jìn)行輸入、編輯、匯編和調(diào)試的功能。此外，有些還具備在線仿真功能，能夠直接將程序固化到EEPROM中。一般都支持匯編語言編程，有的可以通過開發(fā)軟件，支持C語言編程。例如可通過KeilC51軟件來編寫C語言源程序，編譯連接生成目標(biāo)文件、可執(zhí)行文件，仿真、調(diào)試、生成代碼并下載到應(yīng)用系統(tǒng)中。微控制器應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

1.干擾源及干擾途徑單片機(jī)系統(tǒng)中的干擾有多種類型。

一種是來自空間輻射的干擾?？煽毓枘孀冸娫础⒆冾l調(diào)速器、發(fā)射機(jī)等特殊設(shè)備在工作時會產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，在這種環(huán)境中單片機(jī)系統(tǒng)難以正常運行；

另一種是來自電源的干擾。各種開關(guān)的通斷、火花干擾、大電機(jī)啟停等現(xiàn)象在工業(yè)現(xiàn)場很常見，這些來自交流電源的干擾對單片機(jī)系統(tǒng)的正常運行危害極大；

還有一種就是來自信號通道的干擾。在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，測控信號的輸入/輸出是必不可少的。在工業(yè)現(xiàn)場中，這些I/O信號線、控制線有時長達(dá)幾百米，不可避免地會把干擾引入到系統(tǒng)中。如果受控對象是強(qiáng)干擾源，如可控硅、電焊機(jī)等，則單片機(jī)系統(tǒng)根本就無法運行。（4）電源去耦;對于系統(tǒng)中每一片集成電路，在電源和地之間都加上去耦電容，既是本芯片的蓄能電容，還能抑制高頻噪聲。（5）在滿足要求的前提下盡量用較低的時鐘頻率和低頻的器件。（6）合理布置元件在線路板上的位置，把模擬電路、高速數(shù)字電路和產(chǎn)生噪聲的功率驅(qū)動部分合理地分開，各部件之間的引線盡量短，對各種輸入/輸出線分類打把，以減少寄生電容的干擾。（7）系統(tǒng)中芯片的未用端不要懸空，應(yīng)根據(jù)實際情況接到電源端、地端或已用端。（8）盡量不用IC插座，而將集成電路直接焊接在電路板上。

（9）對噪聲敏感的線不要與大電流，高速開關(guān)線平行

。（10）石英晶體下面以及對噪聲敏感的器件下面不要走線。

（11）弱信號電路，低頻電路周圍不要形成電流環(huán)路

。（12）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

。（13）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

。

（14）用大容量的鉭電容或聚酷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

。

（15）元件引腳盡量短，去耦電容引腳盡量短

。（16）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(yuǎn)離I/O電纜

。（17）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

。

3、軟件抗干擾措施（1）在程序中插入空操作指令實現(xiàn)指令冗余。系統(tǒng)在工作時容易因干擾而使PC指向程序存儲器的非代碼區(qū)，從而導(dǎo)致“死機(jī)”。為此可以在程序中插入一些單字節(jié)的空操作指令NOP，失控的程序遇到該指令后得到調(diào)整而轉(zhuǎn)入正常。（2）對未用的中斷向量進(jìn)行處理。在程序中對未用的中斷都編寫出相應(yīng)的錯誤處理程序，若因干擾觸發(fā)了這些中斷，則執(zhí)行完簡單的出錯處理程序后可以正常返回。（3）采用超時判斷克服程序的死鎖。在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分，如A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果采用查詢方式讀取，若因干擾使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志無效，程序就會進(jìn)入死循環(huán)。針對類似情況，可在程序中采用超時判斷，若系統(tǒng)在一定的時間內(nèi)采不到有效的標(biāo)志，就自動放棄本次采樣，從而避免程序死鎖的發(fā)生。（4）采用軟件陷阱。當(dāng)程序因干擾而“跑飛”時，可在非程序區(qū)設(shè)置陷阱，強(qiáng)迫PC進(jìn)入一個指定的地址，執(zhí)行一段專門對死機(jī)進(jìn)行處理的程序，使系統(tǒng)恢復(fù)正常。軟件陷阱可安排在未使用的中斷區(qū)和未使用的大片ROM空間，可由以下三條指令構(gòu)成：

NOP NOP LJMPERR（5）采用看門狗。當(dāng)程序“跑飛”而前述方法又沒有捕捉到時，可以用看門狗來恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。具體設(shè)計時可以用軟件實現(xiàn)，也可以用專用的看門狗芯片如MAX693、X25045等來實現(xiàn)。軟件方法利是用單片機(jī)中未用的定時器進(jìn)行定時，在主程序每一次循環(huán)的特定時刻刷新定時器的時間常數(shù)，若定時器因系統(tǒng)死機(jī)而得不到刷新，就會產(chǎn)生溢出而引起中斷，在其中斷服務(wù)程序中進(jìn)行出錯處理后轉(zhuǎn)入正常運行?？撮T狗芯片也相當(dāng)于定時器，系統(tǒng)在每一次循環(huán)中用一根口線使芯片復(fù)位，若芯片因系統(tǒng)異常而得不到復(fù)位，其接到MCU復(fù)位端的溢出信號就能使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。（6）采用數(shù)字濾波。為了提高數(shù)據(jù)采集的可靠性，減小虛假信息的影響，可以采用數(shù)字濾波的方法，如程序判斷濾波、中值濾波、滑動平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、一階滯后濾波等。也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性補(bǔ)償和誤差修正，提高數(shù)據(jù)精度。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的器件知識器件查詢的第一方案：網(wǎng)絡(luò)（1）電源芯片;78XX、LM1117、HT7551、ICL7660（2）電壓基準(zhǔn)源：MC1403、REF10、AD584（3）電阻：金屬電阻、炭阻、繞線電阻、數(shù)字電阻X9C104。（4）電容：陶瓷電容、鉭電容、電解電容、聚紫烯電容。（5）AD轉(zhuǎn)換器：逐次比較式、雙積分式、V/F、∑-⊿（6）功率驅(qū)動：ULN2803、MOC光耦、固態(tài)繼電器、TIP127（7）運放：OP07、LM358、LM324、LF411、OPA548、