第12章 单片机的可靠性设计与抗干扰设计,北华航天工业学院 电子工程系,Prof. 胡辉 Tel:2083013,Email: ,本章学习目标,了解单片机系统的可靠性的设计方法 单片机应用系统软件抗干扰的设计方法 单片机外接复位、电源监测、看门狗电路 单片机应用系统硬件抗干扰的设计方法,12.1 单片机应用系统的可靠性设计,12.1.1 可靠度 可靠度是在规定的环境条件下和规定的时间内完成规定功能的概率，是系统可靠性的量度。,R为系统可靠度；为失效率；t为规定运行时间。,12.1.2 提高可靠性的措施,1工艺设计 2硬件改进措施 （1）掉电保护 （2）硬件故障自检功能,12.2 抗干扰的设计原则,12.2.1 干扰的来源 （1）外部干扰 （2）耦合通道的干扰 （3）内部干扰 12.2.2 抗干扰的设计原则 （1）消除干扰源 （2）切断干扰的耦合通道 （3）减弱电路对噪声干扰的敏感性 （4）在电路板上使用抗干扰设计,12.3 硬件抗干扰的设计,12.3.1 滤波技术 1无源滤波器,2有源滤波器,有源滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器等多种。 3信号滤波器 信号滤波器是用在各种信号线上的低通滤波器，其作用是消除导线上的各种高频干扰。信号滤波器可分为线路板安装滤波器、馈通滤波器和滤波器连接器等三种。 4电源滤波器 这种滤波器能够防止射频干扰 。 5屏蔽技术 屏蔽技术是采用来各种屏蔽的方法抑制沿空间传播的电磁干扰,12.3.2 隔离技术,1光电耦合器的种类 常用的光电耦合的隔离作用有两种：一是输入信号隔离，用于单片机应用系统的前向通道，可防止由输入信号带来的干扰；二是控制隔离，用于系统的后向通道，可以防止来自强电开关上的干扰。,(a)发光二极管光晶体管 (b) 发光二极管光电阻器 (c) 高速光电耦合器,输出控制隔离的光电耦合器电路,(a) 发光二极管光触发可控硅 ( b) 发光二极管复合晶体管,2光电耦合器的应用,12.3.3 接地技术,有以下几种地线：模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。 1接地的设计方法 （1）单点接地就是把需要接地的电路、单元及屏蔽体都接到设备接地面的同一个接地点上。单点接地方式试用于低频电路。 （2）多点接地就是把需要接地的电路、单元及屏蔽体用多条通路和设备接地面相连，多点接地降低了接地线的阻抗。多点接地方式试用于高频电路。 （3）悬浮接地就是把控制系统的地线与外壳或大地浮置，提高对电源、外壳引进干扰的抑制。,2接地的设计原则,（1）出现地线环路问题时，应采用浮地隔离技术。 （2）接地线应尽量的短，并具有良好的导电性 （3）对于那些出现较大突变电流的电路，要采用单独接地的系统，以减小其它电路的瞬态耦合。 （4）低电平接地线要和其它接地线隔离。 （5）系统中数字地、模拟地应一点相连。 （6）信号线和电源线交叉的地方要使导线相互垂直。 （7）采用平衡差分电路，以尽量减小接地电路的干扰。 （8）低电平传输时要使用多层屏蔽。,12.3.4 单片机的自动复位与电源的监测技术,单片机的自动复位是单片机抗干扰技术的一种重要方法。当单片机受到干扰后，可以按下人工复位按钮，强制系统复位。 14060构成的自动复位电路,2采用MAX813L构成的自动复位与电源监测电路,MAX813L是MAX公司生产的P监控芯片。当单片机由干扰引起的系统失控时，为单片机提供可靠的上、掉电复位、电源监测、“看门狗”及电源管理功能。,12.4 软件抗干扰的设计,12.4.1 软件冗余 1安插NOP指令 2指令重复操作 12.4.2 软件陷阱 （1）未使用的中断向量区 当干扰进入到中断向量区时，并激活这些中断时，就会进一步引起混乱。 （2）未使用的大片ROM空间 在剩余的没有使用的程序存储器空间，设置成陷阱，就能捕捉到跑飞的程序。 （3）表格 为了不破坏表格的连续性，软件陷阱只能在表格的最后安放。 （4）程序区 安排陷阱，应安放在如指令LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI等之后。,12.4.3 软件看门狗技术,软件看门狗技术能够使程序从死循环中恢复到正常状态。软件看门狗（WATCH DOG）也叫做程序运行监视系统。当程序运行受到干扰，程序飞到一个临时构成死循环中时，这时系统将面临着瘫痪。这时就需要人工复位或硬件复位，如果没有人工操作和硬件复位系统，利用软件看门狗技术同样也能使系统复位，恢复正常。,12.4.4 数字滤波的设计,1算术平均值法 算术平均值法就是对某一点的数值连续多次采样，取其算术平均值。适用于一般信号本身在一定数值范围附近上下波动的情况。算术平均值滤波，一般多次采样取35次即可。 2中值滤波法 中值滤波就是连续采集N个数据，从中选取一个中间值作为该点的采样结果。,3防脉冲干扰平均值滤波法 单片机应用系统经常会遇到尖脉冲干扰。干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。如果采用防脉冲干扰平均值滤波法，即对采样的N个数据进行比较，去掉其中最大值和最小值，然后计算余下的平均值。可以滤去脉冲干扰所形成的最大和最小数据。 4滑动平均值滤波法 滑动平均值滤波法采用队列作为测量数据存储器，队列的队长为N，每进行一次新的测量，把测量结果放入队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个数据。对N个数据求算术平均值，就可得到测量结果。,5一阶低通滤波法 一阶低通滤波法就是利用软件完成RC低通滤波器的算法，这种方法适用于变化缓慢数据采集系统。用RC低通滤波器来抑制高频干扰，只保存低频有用信号。一阶低通数字滤波器的公式为： Yn = ( 1 - K ) Yn-1+ K Xn 式中：K：数字滤波器的时间常数； Xn：第n次采样时的滤波器输入； Yn：第n次采样时的滤波器输出。,END,