数据采集大作业

数据采集系统抗干扰技术

摘要：本文主要从单片机的数据采集系统出发，从理论方面阐述了硬件和软件两方面所采取的抗干扰措施来提高系统的可靠性。

关键词：数据采集系统抗干扰技术

单片机控制的数据采集系统不仅要求有完善的记忆、存贮、识别和控制功能，如CPU、存储器、数字I／O输入和输出、串行接口、计数定时和实时操作系统，还要求对信号的处理、滤波、A／D和D／A变换器、驱动执行机构等，成为一个完整协调有特殊功能的工作系统。然而在整个系统中，因其受到多方面的干扰，影响了系统的可靠性，为了保证系统在各种复杂的环境中长时间、安全、稳定的运行，必须解决好其一直存在的一个常见关键而又难以解决的问题———抗干扰问题。在单片机控制系统中，干扰源主要来自来自两个方面：一是来自系统内部元器件在工作时产生的干扰，干扰信号通过地址线、电源线、信号线、分布电容和电感等传输，影响系统工作状态；二是来自系统外部其他电气设备产生的干扰，通过传导和辐射等途径影响微机控制系统和应用系统的正常工作。为使单片机控制系统正常工作，在硬件和软件两方面均可采取一定抗干扰措施来提高系统的可靠性。

一、硬件抗干扰措施

硬件抗技术适合于消除频率较高信号中的干扰，主要是抵抗空间辐射干扰，输入/输出通道干扰及供电系统的干扰。

1.硬件看门狗技术

使用硬件看门狗的主要目的是防止程序执行受到干扰，不能按正常流程执行的一种监视芯片。所谓“看门狗”就是一个定时器，定时时间到，它就输出一个信号，使单片机复位。所谓“谓狗”就是把定时器的计数值清除。只要按时喂狗，定时器就不会到达定时时间，单片机就不会复位。如果程序“跑飞”，或者进入死循环，不能按时喂狗，就会复位，使单片机重新开始工作。

2.屏蔽技术

屏蔽技术是利用金属材料对电磁波具有较好的吸收和反射能力来进行抗干扰的。屏蔽一般分为3种：静电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。可以根据系统屏蔽的要求选用好的金属材料制成设备外壳，从根本上屏蔽外部的干扰信号。另外根据导线之间电耦合、磁耦合及电磁耦合产生相互干扰的机理，在仪器布线方面应做到：强电的缆线必须单独走桥架，绝对不能和信号线挨在一起；努力使强电线缆与弱电信号线正交；不能避开的平行走线，应保持强电缆线与弱信号线的距离。使用连接线方面应做到：针对电场耦合引起的干扰,采用无网孔的铝箔屏蔽电缆

且使两端引线外露部分尽量短、同轴电缆单端接地；此外在干扰源周围加上屏蔽体且将屏蔽体一点接地，可把电场形成的干扰源屏蔽掉，使之对邻近导线或回路不产生干扰且可抑制磁场对弱电信号回路可能造成的干扰。

3. 接地抗干扰技术

各种仪器设备都需要接地，所谓接地就是将某点与一个等电位点或等电位面用低电阻导线连接起来，构成一个基准电位。接地的目的在于消除公共地线阻抗所产生的共阻抗耦合干扰，并避免受磁场和电位差的影响，防止形成地电流环路与其它电路产生磁耦合干扰。但是值得注意的是地线也是引入干扰的重要通道。在一个较大的测控系统中，往往包括各种测试仪器，其中既有高频信号，又有低频信号；既有强电电路，又有弱电电路；既有开关动作的设备，又有极为敏感的弱电信号装置。因此，不同类型的信号电路应有不同的地线，如信号地线、信号源地线、负载地线。对于同一类信号电路中，一般有一个共同的接地系统，但有时也要根据信号电路的不同采取不同的接地形式，如串联单点接地、并联单点接地及多点接地。

①串联单点接地

公共地线并非理想的纯导线，具有一定的电阻，这一点容易被人们忽视。即使是导线的电阻很小，也会在电路间形成干扰。各电路接地电压都受到其它电路电流的影响。采用这种接地方式时，弱信号电路放在最近处接地。但从抑制电阻耦合角度看，这种接地方式最不可取。

②并联单点接地

这种方式可以避免电阻耦合干扰，因为各电路的接地电位只与自身电流有关，不受其它电路电流影响。这种接地方式最适用于低频。

③多点接地

对于高频电路，应采用多点接地方式。地线系统一般是与机壳相连接的扁粗金属导体或机壳本身，也常用导电条连成网或是一块金属网板作为地线。为了降低电路的地电位，每个电路的地线应尽可能缩短，以降低接地线阻抗。多点接地系统的优点是电路构成比单点接地简单，而且由于接地线短，接地线上可能出现的高频驻波现象显著减小。但要注意的一点是由于多点接地后，设备内部会增加许多地线回路，它们对低电平信号的电路会引起干扰，带来不良影响。综合起来考虑，通常接地方式可以这样选择：频率低于lMHz时可采用一点接地方式，高于10MHz时应采用多点接地。在1~10MHz之间，如采用一点接地，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地。

4.隔离技术

隔离技术是抑制干扰的有效的手段之一。为防止高电压、大电流、大功率等

强电或长输电线上产生的各种干扰信号进入仪器仪表内部,影响正常工作,可使信息传输的路径在电气上隔离,亦即隔离前后两部分线路之间无电气上的连接,在电气上是互相独立的两个系统,各自有独立的电源和参考电位,互相间毫不相关,靠非电方式来传送信息。对于模拟量输入信号,则许多场合下采用调制-解调式隔离放大器、运算放大器等,模拟量输出信号隔离则可采用直流电压隔离法及变换隔离法等,对于数字信号,可以采用光电隔离的办法。较之模拟信号,数字信号的抗干扰能力较强，但也有采用模∕数变换隔离的方法，即在现场就地进行模∕数转换，利用模∕数转换器将易受干扰的模拟信号转换为数字信号进行传输，在接收端再采用光电隔离，以增强其在信号传输过程中的抗干扰能力。

5.电路板布局布线

(1) 注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量短。用地线把时钟区隔离起来晶振

外壳接地并固定。此措施可以解决许多疑难问题。

(2) 用地线把数字区和模拟区隔离,数字地与模拟地要分离,最后在一点接与电

源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则,厂家分配A/D、D/A芯片引脚排列时已考虑此要求。

(3) 充分考虑电源对控制芯片的影响。电源做的好,整个电路的抗干扰就解决了

一大半。许多控制芯片对电源噪声很敏感,要给芯片组的电源加滤波电路或稳压器,以减少电源噪声对芯片组的干扰。比如,可利用磁珠和电容组成π形滤波器,当然要求不高时也可以用100Ω电阻带替磁珠。

(4) 控制芯片和大功率输出器件的地线要单独接地已减少相互干扰。大功率器

件尽可能放在电路板边缘。电路板合理分区如强、弱信号,数字、模拟信号。

尽可能把干扰源(如电机,继电器)与敏感器件(如单片机)远离。

(5) 布线时避免90度折线,减少高频噪声发射。尽可能缩短信号线的传输长度。

可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅产生的噪声。若条件允许,在双面印制板布线时,正面传输高频数字信号和时钟信号,在其传输印制电路背面尽可能加大接地面积,这样由于平行导线间的分布电容在导线接近地平面时会变小的缘故,信号线之间串音干扰会减小。

6.其他措施

（1）去耦电容

芯片电源进线尽可能接一个104（0.1uF）或103(0.01uF)的去耦电容（可以用陶瓷电容，目前使用较多的是独石电容）。每隔5个芯片左右安置一个1~10uF 的胆（电解）电容，因为这种电容的高频阻抗很小，对噪声抑制效果很好。（2）续流二极管

在继电器两端加续流二极管，消除线圈断开时产生的反电动势干扰。仅加续

流二极管会使继电器的断开时间滞后，若再增加稳压二极管，则可改善响应速度，消除滞后性。在继电器触点两端应并接火花抑制电路，减小电火花影响。

（3）瞬态电压抑制器TVS

瞬态电压抑制器（Transient V oltage Suppressor，简称TVS），使用TVS二极管进行浪涌保护比使用压敏电阻优越得多，具有响应时间快，瞬态功率大，漏电流低，击穿电压偏差小，箝位电压易于控制等优点，有效保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲对元器件造成的损坏。

二、软件抗干扰措施

在数据采集系统中，由于单片机可能受到强烈的干扰，导致数据采集误差加大、控制状态失灵、数据受干扰产生变化等。我们可以采用一系列的软件抗干扰措施来预防上述情况的发生。

1.数据采集误差的软件措施

在数据采集系统中，通过采用数值、逻辑运算处理来达到滤波的效果。下面介绍几种常用的简便有效的数据采集方法：

(1) 算术平均值法。对某一点的数据连续采集多次，计算其平均值，作为该点

的采样结果(一般取3~5次平均即可)。这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。

(2) 比较舍取法。当控制系统测量结果的个别数据存在偏差时，可采用比较舍

取法，即对每个采样点连续采集数次，根据所采集数据的变化规律，确定舍取办法来剔除偏差数据。例如：“采三取二”即对每个采样点连续采样3次，取2次相同数据为采样结果。

(3) 中值法。根据干扰造成采样数据偏大或偏小的情况，对一个采样点连续采

集多次，并对这些采样值进行比较，取中值作为该点的采样结果。

(4) 一阶递推数字滤波法。这种方法是利用软件完成RC低通滤波器的算法，实

现用软件方法替代硬件RC滤波器。一阶递推数字滤波公式为：Yn=QXn+(l-Q)Yn-1

式中：

Q ———数字滤波器的时间常数；X ———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。

在实际应用中，选取何种方法，应根据信号的变化规律而定，以使数据采集误差的消除得到满意的效果。

2.控制状态失灵的软件措施

在大量的单片机控制系统中，人们关注的问题是：能否确保正常的控制状态。如果干扰进入系统，会影响各种控制条件，造成控制输出失误，或直接影响输出

信号，造成控制失误。为了确保系统安全，可以采取下述软件抗干扰措施：(1) 软件冗余。在条件控制系统中，对控制条件的一次采样，处理控制输出改

为循环采样处理输出。这种方法对惯性较大的控制系统具有良好的抗偶然因素干扰的作用。

(2) 设置当前输出状态寄存单元。当干扰侵入输出通道，输出状态破坏时，系

统能及时查询寄存单元的输出状态信息，及时纠正输出状态。

(3) 设置自检程序。单片机内的特定部位或某些内存单设状态标志，在开机后，

进行不断的循环测试，以保证系统中信息存储、传输、运算的高可靠性。(4) 采用时间片方法。由于输入/输出接口状态受到干扰，从而使系统资源被某

一任务模块长期占用，而不释放，造成系统“死锁”问题。

所谓“时间片”方法是：根据不同的外设对时间的要求，分配相应的最大正常的I/O时间。在每一I/O的任务模块中，加入相应的超时判断程序，若由于干扰破坏了接口的状态造成计算机中心处理机误操作后，就会出现超时，使系统从该任务模块程序中自动返回，避免“死锁”情况发生。

3.使用数据冗余技术实现存储器内容的自救

在实时控制过程中，干扰造成比较严重的危害之冲毁存储器中的数据，由于存储器中保存的是各种原标志、变量等，如果被破坏，会造成系统出错或无法运单片机实时控制系统而言，存储器中的大部分数据是行分析、比较而临时寄存的，不允许丢失的数据也只占容的极少部分，大部分内容允许短时破坏，最多只引起一个很短时间的波动，很快能自动恢复正常。因此在实中，只要注意对少数不允许丢失数据进行保护，一般常法有“校验法”和“设标法”。校验法比较繁琐，但查找错信度高。设标法简单，但对数据区中个别数据冲毁的以查找错误，在编程中一般应综合作用，其具体做法为：

(l) 在存储器工作区重要区域的始端和尾端各设置志码。

(2) 对存储器中固定不变的数据表格设置校验字。

在程序的执行过程中，每隔一定的时间通过事先查错程序来检查其各标志码是否正常，如不正常，则利冗余技术通过抗干扰处理程序来进行修正。各数据表远离分散设置，减少冗余数据同时被冲毁的概率。

三、总结

在数据采集系统中，大量采用低电压的模拟量作为传输信号，在工作环境较恶劣的现场，存在着各种各样的干扰源，极易干扰测量信号的传输。所以为了得到较为准确的测量数据，我们必须对工作环境作全面的分析，采用相应的抗干扰措施，来达到系统工作的预期效果。