綜述單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾器的制造方法
【專利說(shuō)明】綜述單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾器
[0001]本發(fā)明綜述單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾器在發(fā)動(dòng)機(jī)電噴中得到了廣泛的應(yīng)用，然而由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境惡劣，提高控制系統(tǒng)的抗干擾性至關(guān)重要。分析了單片機(jī)干擾的主要來(lái)源，并從硬件和軟件抗干擾器中總結(jié)了一些取得良好抗干擾性的方法。
[0002]在進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，經(jīng)常遇到在實(shí)驗(yàn)室調(diào)整很好的單片機(jī)一到工作現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題，這主要是由于發(fā)明未充分考慮到外界環(huán)境存在的干擾，如機(jī)械震動(dòng)、各種電磁波和環(huán)境溫差都會(huì)影響硬件系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致電控單元不能正常工作。鑒于此本文較全面分析了干擾單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的因素并結(jié)合自己的研究課題，提出一些可增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性的方法。
[0003]I單片機(jī)系統(tǒng)的主要干擾源
系統(tǒng)的干擾源對(duì)電子系統(tǒng)的干擾主要是電磁能量干擾。主要內(nèi)外的干擾源是:
(1)無(wú)線電設(shè)施的射頻干擾；
(2)發(fā)動(dòng)機(jī)上的高壓點(diǎn)火線圈向外輻射磁場(chǎng)強(qiáng)度大、頻帶寬的電磁波；
(3)單片機(jī)內(nèi)部的晶振電路是內(nèi)部干擾源之一；
(4)數(shù)字電路本身門(mén)電路頻繁的導(dǎo)通、截止造成電源地線電流變化，也會(huì)產(chǎn)生很大的高頻電磁干擾，各種開(kāi)關(guān)電子設(shè)備通斷時(shí)產(chǎn)生的急劇變化的電流會(huì)產(chǎn)生較寬頻譜干擾；
(5)外界交流電路中產(chǎn)生的工頻干擾亦會(huì)影響模擬電路輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。
[0004]2干擾的耦合方式
干擾源產(chǎn)生的干擾是通過(guò)耦合信道對(duì)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾作用，因而需要隔離干擾源與控制系統(tǒng)之間的耦合信道。表I列出了干擾源的主要干擾方式及特征。
[0005]3單片機(jī)的硬件抗干擾發(fā)明
硬件抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)發(fā)明首選的抗干擾措施，他能有效的抑制干擾源，阻斷干擾的傳輸信道。常用的措施有:濾波技術(shù)、去耦技術(shù)、屏蔽技術(shù)和接地技術(shù)。
[0006]3.1電源電路的發(fā)明
在本電控系統(tǒng)中，模擬電路電源與邏輯電路電源分離，一是為了去除通過(guò)電源耦合邏輯電路產(chǎn)生的干擾進(jìn)入模擬電路，二是為了避免傳感器通過(guò)電源耦合對(duì)ECU干擾。各功能模塊供電系統(tǒng)如設(shè)置所示，皆采用7812和7805三端穩(wěn)壓集成芯片，且都單獨(dú)對(duì)電源進(jìn)行負(fù)壓差保護(hù)，這樣不會(huì)因其中某一穩(wěn)壓電源出現(xiàn)故障而影響整個(gè)系統(tǒng)電路；使用低通濾波器亦可減少以高次諧波為主的干擾源，從而改善電源波形；在輸出端采用了過(guò)壓保護(hù)電路。通過(guò)上述發(fā)明可大大提高供電的可靠性。設(shè)置Dl、D2用于負(fù)壓差保護(hù)，防止壓差擊穿穩(wěn)壓器的be結(jié)使器件永久失效,穩(wěn)壓管WY1、晶閘管Ql用于過(guò)壓保護(hù)，電容El、E2、Cl、C2使輸出電壓波紋限制在一定范圍內(nèi)。
3.2模擬電路抗干擾發(fā)明
在硬件電路的發(fā)明中，模擬電路發(fā)明非常重要。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境溫度變化比較大，因此在模擬電路中應(yīng)選擇低溫漂系數(shù)的集成放大器；在模擬電路中共模信號(hào)對(duì)電路板影響較大，故在模擬電路中采用差動(dòng)放大電路，可得出兩端輸出信號(hào)；接收時(shí)，將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)，可非常有效地抑制共模信號(hào)。若電路中輸入信號(hào)變化比較大，需在放大器或比較器前加輸入端保護(hù)電路以避免器件的損壞。外界交流電路產(chǎn)生的工頻干擾對(duì)模擬信號(hào)有較大的影響，在電路中采用有源濾波器和低通濾波器。
[0007]3.3選用時(shí)鐘頻率低的單片機(jī)
外時(shí)鐘是高頻噪聲源，除能引起對(duì)本硬件電路產(chǎn)生干擾外，還能對(duì)外界產(chǎn)生干擾。因此選用低頻率的單片機(jī)是提高抗干擾性的原則之一。其同為I μ s時(shí)，8051單片機(jī)外時(shí)鐘為12 MHz, Atmel公司單片機(jī)外時(shí)鐘為6 MHz,而Microchip和Motorola的單片機(jī)時(shí)鐘頻率為4 MHz0
[0008]3.4輸入、輸出隔離
輸入、輸出信號(hào)通過(guò)隔離可以切斷干擾信道，避免強(qiáng)電流對(duì)回路的沖擊。常用的隔離方法有光電隔離、繼電器隔離和變壓器隔離。變壓器隔離是傳遞脈沖輸入、輸出信號(hào)時(shí)，不能傳遞直流分量，因此常用于不要求傳遞直流分量的輸入輸出控制設(shè)備中。光電耦合器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較廣泛用于輸入、輸出隔離信道之中。
[0009]3.5屏蔽技術(shù)
屏蔽措施可以防止電子設(shè)備向外輻射干擾電磁波，也可以削弱電磁干擾源對(duì)電子設(shè)備的干擾。對(duì)于噪聲源較大的開(kāi)關(guān)電源，可采用雙重屏蔽，即開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部把高頻變壓器和扼流圈進(jìn)行屏蔽，然后對(duì)整個(gè)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行屏蔽保護(hù)。
[0010]3.6去耦電路
數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換在轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供應(yīng)電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大壓降，形成嚴(yán)重干擾。為抑制此干擾，在電源電路、數(shù)字電路和信號(hào)處理電路中適當(dāng)配置去耦電容，即形成去耦電路，這樣可旁路集成電路產(chǎn)生的干擾。去耦電容計(jì)算可按以下方法計(jì)算:
C ^ Δ i/ ( Δ ν/ Δ t)
其中A1、Λ ν為電流、電壓的變化量，At為變化的時(shí)間。
[0011]3.7印刷電路板的發(fā)明 3.7.1組件的布局
在電路板上元器件按功能集中布置，各功能模塊的組件分開(kāi)布局且不同模塊分別與對(duì)應(yīng)的電源、地線相連，最后集中一點(diǎn)接地。
[0012](I)單片機(jī)和外圍擴(kuò)展電路布置在一起以縮短他們之間資料和地址總線長(zhǎng)度，這樣能獲得較好抗干擾效果。
[0013](2)布置邏輯電路時(shí)，原則上應(yīng)在出線端子放置高速器件，稍遠(yuǎn)處放置低速器件和內(nèi)存，這樣布置可降低公共阻抗耦合和輻射耦合。
[0014](3)降噪電容應(yīng)靠近各個(gè)IC組件。
[0015](4)為了降低外部線路引進(jìn)的干擾，光電耦合器、隔離變壓器和濾波器通常放在靠近出線端子的地方。
[0016]3.7.2電路板布線
(O電源線、地線盡可能粗一點(diǎn)，且電流流向與信號(hào)流向一致。
[0017](2)晶振電路應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，石英晶體振蕩器外殼接地，時(shí)鐘振蕩電路、特殊高速電路用地線圈起來(lái)。
[0018](3)電路板銅模線盡量使用45°折線而不用90°折線。
[0019](4)避免相鄰信號(hào)線的線間干擾和減少信號(hào)在傳輸導(dǎo)線上的延遲。
[0020](5)模擬信號(hào)避開(kāi)高頻、大電流器件，重要的模擬信號(hào)線采用地線包圍的辦法以減少電磁耦合。
[0021 ] 3.8選擇性能良好的組件
測(cè)控系統(tǒng)所處的環(huán)境往往有嚴(yán)重的干擾，因此選用性能很好的產(chǎn)品，特別是單片機(jī)晶振、RAM等，最好選用一級(jí)品，這樣可提高系統(tǒng)的抗干擾性；為了提高噪聲容限可選用CMOS器件；為了抑制共模干擾可選用測(cè)量放大器。
[0022]3.9提高輸出信號(hào)電壓或電流
如果輸入輸出連接線路較長(zhǎng)，最好提高傳送電壓或電流，以減少信號(hào)的衰減或干擾引起的信號(hào)失真。較簡(jiǎn)單的方法是在傳送端加一個(gè)1488，接收端加一個(gè)1489。
[0023]4單片機(jī)軟件的抗干擾發(fā)明
盡管采取了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，且有很大的隨機(jī)性，因此在采取硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上，采取軟件抗干擾措施加以補(bǔ)充。常見(jiàn)的軟件抗干擾技術(shù)有:數(shù)字濾波、指令冗余和“看門(mén)狗”技術(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和提高開(kāi)關(guān)量輸入、輸出干擾。
[0024]系統(tǒng)常見(jiàn)的出錯(cuò)現(xiàn)象:死機(jī)、被控對(duì)象誤操作和定時(shí)不準(zhǔn)，他們主要由于內(nèi)部程序指針錯(cuò)亂使程序進(jìn)入“死循環(huán)”和RAM資料被沖亂或改變導(dǎo)致的。
[0025]4.1數(shù)字濾波
當(dāng)干擾疊加輸入信道的模擬信號(hào)時(shí)，使數(shù)據(jù)采集誤差加大。特別當(dāng)輸入信道模擬信號(hào)較弱時(shí)，此現(xiàn)象更加嚴(yán)重。為了消除數(shù)據(jù)采集的誤差，常用算術(shù)平均法、比較取舍法、一階滯后濾波法和中值法，可根據(jù)信號(hào)和干擾的規(guī)律，采用最優(yōu)的發(fā)明方法。輸入模擬信號(hào)處理，通過(guò)數(shù)字濾波器可濾掉大部分由于輸入信號(hào)干擾而引起的輸出控制錯(cuò)誤。
4.2指令冗余和“看門(mén)狗”技術(shù)
單片機(jī)受強(qiáng)干擾會(huì)造成程序計(jì)數(shù)器PC值改變和破壞程序正常運(yùn)行。針對(duì)這一問(wèn)題可在關(guān)鍵地方插入一些單字節(jié)指令NOP或有效的單字節(jié)指令并用引導(dǎo)指令LJMP MAIN將捕獲的“亂飛”程序引向復(fù)位入口地址，從而避免程序“亂飛”?？墒怯幸恍皝y飛”程序會(huì)導(dǎo)致死循環(huán)，通常采用軟、硬件“看門(mén)狗”技術(shù)，“看門(mén)狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)程序運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，計(jì)數(shù)器溢出，系統(tǒng)復(fù)位并重新運(yùn)行系統(tǒng)程序。
[0026]4.3提高RAM資料可靠性