計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)6.1 干擾信號(hào)的類型及其傳輸形式干擾信號(hào)的類型及其傳輸形式 6.1.1 6.1.1 按干擾耦合的形式分類按干擾耦合的形式分類 (1) 靜電干擾：靜電耦合是干擾電場(chǎng)通過(guò)電容耦合方式竄入其他回路中。在控制系統(tǒng)中，互容現(xiàn)象是很普遍的。兩根導(dǎo)線之間構(gòu)成電容；印刷電路板的印刷導(dǎo)線之間存在電容；變壓器的線匝之間和繞組之間也都會(huì)構(gòu)成電容。 電容為信號(hào)的傳輸提供了一條通路，但也容易造成電場(chǎng)干擾信號(hào)。 第1頁(yè)/共131頁(yè)(2) 電磁干擾：在任何通電導(dǎo)體周圍空間都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)， 而且電流的變化必然引起磁場(chǎng)的變化，變化的磁場(chǎng)就要在其周圍閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電

2、動(dòng)勢(shì)。在設(shè)備內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁會(huì)引起干擾：在設(shè)備外部，當(dāng)兩根導(dǎo)線在很長(zhǎng)的一段區(qū)間架設(shè)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生干擾。 (3) 漏電耦合干擾：漏電耦合又稱為電阻性耦合。當(dāng)相鄰的元件或?qū)Ь€間絕緣電阻降低時(shí)，有些信號(hào)便通過(guò)這個(gè)降低了的絕緣電阻耦合到信號(hào)傳送的輸入端而形成干擾。 第2頁(yè)/共131頁(yè)(4) 共阻抗感應(yīng)干擾：在控制系統(tǒng)的回路之間不可避免地存在公共耦合阻抗。例如電源引線、 匯流排等都具有一定的阻抗，對(duì)于多回路來(lái)說(shuō)就是一個(gè)公共阻抗，盡管數(shù)值很小， 但當(dāng)流過(guò)較大電流時(shí)，其作用就像一根天線，將干擾信號(hào)引入各回路。 第3頁(yè)/共131頁(yè)6.1.2 6.1.2 按干擾與信號(hào)的關(guān)系分類按干擾與信號(hào)的關(guān)系分類 (1

3、) 串模干擾信號(hào)： 串模干擾信號(hào)是指串聯(lián)于有用信號(hào)源回路之中的干擾，也稱橫向干擾或正態(tài)干擾。其表現(xiàn)形式如圖61所示。當(dāng)串模干擾的幅值與有用信號(hào)相接近時(shí)，系統(tǒng)就無(wú)法正常工作，即這時(shí)提供給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)會(huì)嚴(yán)重失真，甚至是錯(cuò)誤的。 產(chǎn)生串模干擾的原因主要是當(dāng)兩個(gè)電路之間存在分布電容或磁環(huán)鏈現(xiàn)象時(shí)，一個(gè)回路中的信號(hào)就可能在另一個(gè)回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成串模干擾信號(hào)。另外信號(hào)回路中元件參數(shù)的變化也是一種串模干擾信號(hào)。 第4頁(yè)/共131頁(yè)圖6-1 串模干擾示意圖 第5頁(yè)/共131頁(yè)圖6-2 共模干擾示意圖 第6頁(yè)/共131頁(yè)(2) 共模干擾信號(hào)： 共模干擾信號(hào)是指由于對(duì)地電位的變化所形成的干擾信號(hào)，

4、也稱為對(duì)地干擾、橫向干擾或不平衡干擾。 共模干擾示意圖見(jiàn)圖6-2。由于計(jì)算機(jī)的地、信號(hào)源放大器的地以及現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)源的地，通常要相隔一段距離，當(dāng)兩個(gè)接地點(diǎn)之間流過(guò)電流， 盡管接地點(diǎn)之間的電阻極小，也會(huì)使對(duì)地電位發(fā)生變化，形成一個(gè)電位差Uc，這個(gè)Uc對(duì)放大器就會(huì)產(chǎn)生共模干擾。 第7頁(yè)/共131頁(yè)共模干擾與串模干擾相比，容易被忽略而難以處理。在某些情況下，共模信號(hào)可能達(dá)到幾伏甚至更高，完全將有用信號(hào)湮沒(méi)。 共模干擾的影響大都通過(guò)串模干擾的方式表現(xiàn)出來(lái)。 共模干擾產(chǎn)生的原因很多，主要有：通過(guò)對(duì)地分布電容和漏電導(dǎo)的耦合；同一系統(tǒng)的多點(diǎn)接地點(diǎn)之間形成的電位差。 第8頁(yè)/共131頁(yè)6.1.3 6.1.3 按干

5、擾信號(hào)的性質(zhì)分類按干擾信號(hào)的性質(zhì)分類 (1) 隨機(jī)干擾信號(hào)：隨機(jī)干擾信號(hào)是無(wú)規(guī)律的隨機(jī)性干擾信號(hào)，如突發(fā)性脈沖干擾信號(hào)，連續(xù)性脈沖干擾信號(hào)。 (2) 周期干擾信號(hào)： 屬于周期干擾信號(hào)的有交流聲、 嘯叫、 汽船聲等自激振蕩。 第9頁(yè)/共131頁(yè)6.1.4 6.1.4 按干擾源的類型分類按干擾源的類型分類 (1) 外部干擾信號(hào)：外部干擾信號(hào)是指來(lái)源于系統(tǒng)外部、 與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的干擾源。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的外部干擾源種類繁多，干擾性強(qiáng)，隨機(jī)性大，主要有電源、用電設(shè)備、自然界的雷電、 帶電的物體等。 (2) 內(nèi)部干擾信號(hào)：內(nèi)部干擾信號(hào)是由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、線路設(shè)計(jì)、元器件性能變化和漂移等原因所形成的存在于

6、系統(tǒng)內(nèi)部的干擾信號(hào)。 第10頁(yè)/共131頁(yè)6.2 抗抗 干干 擾擾 技技 術(shù)術(shù)6.2.1 6.2.1 接地技術(shù)接地技術(shù) 將電路、單元與作為信號(hào)電位公共參考點(diǎn)的一個(gè)等位點(diǎn)或等位面實(shí)現(xiàn)低阻抗連接，稱為接地。接地的目的通常有兩個(gè)： 一是為了安全，即安全接地；二是為了給系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，并給高頻干擾提供低阻通路，即工作接地。前一系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位必須是大地電位，后一系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位可以是大地電位，也可以不是。 通常把接地面視作電位處處為零的等位體， 并以此為基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)電壓。但是，無(wú)論何種接地方式，公共接地面(或公共地線)都有一定的阻抗(包括電阻和感抗)，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，地線上要產(chǎn)生電壓降，加之地線還可

7、能與其它引線構(gòu)成環(huán)路，從而成為干擾的因素。 第11頁(yè)/共131頁(yè)1. 1. 接地方式接地方式 “安全接地”均采用一點(diǎn)接地方式。“工作接地”依工作電流頻率不同而有一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地兩種。低頻時(shí)，因地線上的分布電感并不嚴(yán)重，故往往采用一點(diǎn)接地；高頻情況下， 由于電感分量大，為減少引線電感， 故采用多點(diǎn)接地。 頻帶很寬時(shí)，常采用一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地相結(jié)合的混合接地方式。 第12頁(yè)/共131頁(yè)2. 2. 浮地系統(tǒng)和接地系統(tǒng)浮地系統(tǒng)和接地系統(tǒng) 浮地系統(tǒng)是指設(shè)備的整個(gè)地線系統(tǒng)和大地之間無(wú)導(dǎo)體連接， 它是以懸浮的地作為系統(tǒng)的參考電平。 浮地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不受大地電流的影響，系統(tǒng)的參考電平隨著高電壓的感應(yīng)而相應(yīng)提

8、高。機(jī)內(nèi)器件不會(huì)因高壓感應(yīng)而擊穿。其應(yīng)用實(shí)例較多，如飛機(jī)、軍艦和宇宙飛船上的電子設(shè)備都是浮地的。 第13頁(yè)/共131頁(yè)浮地系統(tǒng)的缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備與地的絕緣電阻要求較高，一般要求大于50 M，否則會(huì)導(dǎo)致?lián)舸Ａ硗?，?dāng)附近有高壓設(shè)備時(shí)，通過(guò)寄生電容耦合，外殼帶電，不安全。而且外殼會(huì)將外界干擾傳輸?shù)皆O(shè)備內(nèi)部，降低系統(tǒng)抗干擾性能。 接地系統(tǒng)是指設(shè)備的整個(gè)地線系統(tǒng)和大地通過(guò)導(dǎo)體直接連接。由于機(jī)殼接地，為感應(yīng)的高頻干擾電壓提供了泄放的通道，對(duì)人員比較安全，也有利于抗干擾。但由于機(jī)內(nèi)器件參考電壓不會(huì)隨感應(yīng)電壓升高而升高，可能會(huì)導(dǎo)致器件被擊穿。 第14頁(yè)/共131頁(yè)3. 3. 交流地與直流地分開(kāi)交流地與直流地分開(kāi)

9、 交流地與直流地分開(kāi)后，可以避免由于地電阻把交流電力線引進(jìn)的干擾傳輸?shù)窖b置的內(nèi)部，保證裝置內(nèi)的器件安全和電路工作的穩(wěn)定性。 值得注意的是，有的系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備并不是都能做到交直流分開(kāi)，補(bǔ)救的辦法是加隔離變壓器等措施。 第15頁(yè)/共131頁(yè)4. 4. 模擬地與數(shù)字地分開(kāi)模擬地與數(shù)字地分開(kāi)模擬地作為傳感器、變送器、放大器、AD和DA轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位，模擬信號(hào)有精度要求，有時(shí)信號(hào)比較小， 而且與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)連接， 必須認(rèn)真地對(duì)待模擬地。數(shù)字地作為計(jì)算機(jī)中各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開(kāi)， 避免模擬信號(hào)受數(shù)字脈沖的干擾。 由于數(shù)字地懸浮于機(jī)柜，增加了對(duì)有模擬量放大器的干擾感應(yīng)，同時(shí)為避免脈沖邏

10、輯電路工作時(shí)的突變電流通過(guò)地線對(duì)模擬量的共模干擾，應(yīng)將模擬電路的地和數(shù)字電路的地分開(kāi)， 接在各自的地線匯流排上，然后再將模擬地的匯流排通過(guò)24 F的電容在一點(diǎn)接到安全地的接地點(diǎn)。對(duì)模擬量來(lái)說(shuō)，實(shí)際是一個(gè)直流浮地交流共地的系統(tǒng)。 第16頁(yè)/共131頁(yè)5. 5. 印刷電路板的地線安排印刷電路板的地線安排 在安排印刷板地線時(shí)，首先要盡可能加寬地線，以降低地線阻抗。其次，要充分利用地線的屏蔽作用。 在印刷板邊緣用較粗的印刷地線環(huán)包整塊板子，并作為地線干線，自板邊向板中延伸，用其隔離信號(hào)線，這樣既可減少信號(hào)間串?dāng)_， 也便于板中元器件就近接地。 第17頁(yè)/共131頁(yè)6. 6. 屏蔽地屏蔽地 對(duì)于電場(chǎng)屏蔽來(lái)

11、說(shuō)， 由于主要是解決分布電容問(wèn)題， 因此應(yīng)接大地。 對(duì)于磁場(chǎng)屏蔽，應(yīng)采用高導(dǎo)磁材料使磁路閉合， 且應(yīng)接大地。 對(duì)于電磁場(chǎng)干擾，因采用低阻金屬材料制成屏蔽體， 屏蔽體以接大地為宜。 對(duì)于高增益放大器來(lái)說(shuō)，一般要用金屬罩屏蔽起來(lái)。 為了消除放大器與屏蔽層之間的寄生電容影響， 應(yīng)將屏蔽體與放大器的公共端連接起來(lái)。 第18頁(yè)/共131頁(yè)如果信號(hào)電路采用一點(diǎn)接地方式， 則低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地。 當(dāng)系統(tǒng)中有一個(gè)不接地的信號(hào)源和一個(gè)接地的放大器相連時(shí)， 輸入端的屏蔽應(yīng)接到放大器的公共端。反之，當(dāng)接地的信號(hào)源與不接地的放大器相連時(shí)，應(yīng)把放大器的輸入端屏蔽接到信號(hào)源的公共端。 第19頁(yè)/共131頁(yè)6.2

12、.2 6.2.2 屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)1. 1. 電場(chǎng)屏蔽電場(chǎng)屏蔽 電場(chǎng)屏蔽的作用是抑制電路之間由于分布電容的耦合而產(chǎn)生的電場(chǎng)干擾。電場(chǎng)屏蔽一般是利用低電阻金屬材料的屏蔽層和外罩，使其內(nèi)部的電力線不傳至外部，同時(shí)外部的電力線也不影響其內(nèi)部。實(shí)際應(yīng)用中，盒形屏蔽優(yōu)于板狀屏蔽，全密封的優(yōu)于有窗孔和有縫隙的。屏蔽體的厚度一般由結(jié)構(gòu)需要決定。 第20頁(yè)/共131頁(yè)2. 2. 電磁屏蔽電磁屏蔽 電磁屏蔽主要用來(lái)防止高頻電磁場(chǎng)對(duì)電路的影響。電磁屏蔽包括對(duì)電磁感應(yīng)干擾及電磁輻射干擾的屏蔽。它是采用低電阻的金屬材料作為屏蔽層。電磁屏蔽就是利用屏蔽罩在高頻磁場(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生反方向的渦流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)抵消而削弱高頻磁

13、場(chǎng)的干擾；又因屏蔽罩接地，也可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)屏蔽。由于電磁屏蔽是利用了屏蔽罩上的感生渦流，因而屏蔽罩的厚度對(duì)于屏蔽效果影響不大，而屏蔽罩是否連續(xù)卻直接影響到感生渦流的大小，也即影響到屏蔽效果的好壞。如果在金屬體上垂直于電流方向上開(kāi)縫，就沒(méi)有屏蔽效應(yīng)。原則上屏蔽體越嚴(yán)密越好。 因此，電磁屏蔽層的接縫應(yīng)注意良好的焊接與密封， 通風(fēng)孔與操作孔因盡量開(kāi)小。 第21頁(yè)/共131頁(yè)3. 3. 磁場(chǎng)屏蔽磁場(chǎng)屏蔽 對(duì)于低頻磁場(chǎng)干擾，用上述電磁屏蔽方法往往難以奏效， 一般采用高導(dǎo)磁率材料作屏蔽體，利用其磁阻較小的特點(diǎn)， 給干擾磁通提供一個(gè)低磁阻通路，使其限制在屏蔽體內(nèi)。為了有效地進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽，必須采用諸如玻莫合金之類

14、材料， 同時(shí)要有一定的厚度，或者采用相互具有一定間隔的兩個(gè)或多個(gè)同心磁屏蔽罩， 效果更好。 第22頁(yè)/共131頁(yè)6.2.3 6.2.3 隔離技術(shù)隔離技術(shù) 隔離的實(shí)質(zhì)是切斷共地耦合通道，抑制因地環(huán)路引入的干擾。隔離是將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡?、磁、光及其他物理量作為中間量，使兩側(cè)的電流回路相對(duì)隔離又能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞。圖6-3采用隔離變壓器隔離，用于無(wú)直流分量的信號(hào)較方便。因變壓器線間分布電容較大，故應(yīng)在一次、二次側(cè)加屏蔽層，并將它接到二次側(cè)的接地處。 圖6-4采用繼電器隔離，常用于數(shù)字系統(tǒng)。繼電器把引入的信號(hào)線隔斷，而傳輸?shù)男盘?hào)通過(guò)觸點(diǎn)傳遞給后面的回路。 缺點(diǎn)是電感性勵(lì)磁線圈工作頻率不高、觸點(diǎn)有抖動(dòng)、有

15、接觸電阻及壽命短等缺點(diǎn)。 第23頁(yè)/共131頁(yè)圖6-3 隔離變壓器隔離 第24頁(yè)/共131頁(yè)圖6-4 繼電器隔離 第25頁(yè)/共131頁(yè)圖6-5采用光電耦合器隔離。中間環(huán)節(jié)借助于半導(dǎo)體二極管的光發(fā)射和光敏半導(dǎo)體三極管的光接收來(lái)進(jìn)行工作，因而在電氣上輸入和輸出是完全隔離的，且信號(hào)單向傳輸，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)無(wú)相互影響，共模抑制比大，無(wú)觸點(diǎn)，響應(yīng)速度快(納秒級(jí))，壽命長(zhǎng)、體積小、耐沖擊，是一種理想的開(kāi)關(guān)元件。 缺點(diǎn)是過(guò)載能力有限和存在非線性及穩(wěn)定性與時(shí)間、 溫度有關(guān)等現(xiàn)象。而光電耦合集成隔離放大器的應(yīng)用，克服了以上缺點(diǎn)并能適用于模擬系統(tǒng)。 模擬電路的抗干擾隔離技術(shù)還可將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)， 然后采

16、用數(shù)字系統(tǒng)的某種電位隔離方法，特別是光電隔離法， 最后由數(shù)模轉(zhuǎn)換器復(fù)原。 第26頁(yè)/共131頁(yè)圖6-5 光電耦合器隔離 第27頁(yè)/共131頁(yè)6.2.4 6.2.4 串模干擾的抑制串模干擾的抑制 串模干擾(又稱常態(tài)干擾、正相干擾)是干擾電壓和信號(hào)電壓串聯(lián)疊加于負(fù)載或放大電路的輸入端，它常常表現(xiàn)為一個(gè)輸入端對(duì)另一個(gè)輸入端電壓變化的干擾。串模干擾主要來(lái)自于電源(多為50 Hz的工頻干擾及其高次諧波)、長(zhǎng)線傳輸中的分布電感和分布電容以及傳感器固有噪聲等。 第28頁(yè)/共131頁(yè)抗串模干擾的技術(shù)措施有： (1) 合理選用信號(hào)線：應(yīng)采用金屬屏蔽線、雙絞線或屏蔽雙絞線作信號(hào)線，以抑制由于分布電感和分布電容引起

17、的串模干擾。 (2) 在信號(hào)電路中加裝濾波器：信號(hào)濾波器是一個(gè)選頻電路，其功能是讓指定頻段信號(hào)通過(guò)，將其余頻段的信號(hào)衰減。 利用低通濾波器可將低頻有用的信號(hào)從高頻干擾電壓中分離出來(lái)， 利用高通濾波器可從高頻脈沖中濾除工頻干擾。 第29頁(yè)/共131頁(yè)(3) 選擇合適的AD轉(zhuǎn)換器：由于疊加在被測(cè)信號(hào)上的串模干擾一般為對(duì)稱性的交變干擾電壓， 故可采用積分式或雙積分式的AD轉(zhuǎn)換器。因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)換方式的AD轉(zhuǎn)換器是將采樣時(shí)間內(nèi)輸入信號(hào)電壓的平均值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的，所以可使疊加在被測(cè)信號(hào)上的對(duì)稱交變干擾電壓在積分過(guò)程中相互抵消。 第30頁(yè)/共131頁(yè)(4) 采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)：當(dāng)有用信號(hào)與干擾信號(hào)的頻譜相互交錯(cuò)

18、時(shí)，通常的濾波電路很難將其分開(kāi)，這時(shí)可采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)。選用遠(yuǎn)離干擾頻譜的某一特定頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制， 然后再進(jìn)行傳輸，傳輸途中混入的各種干擾很容易被濾波環(huán)節(jié)濾除，被調(diào)制的有用信號(hào)經(jīng)軟硬件解調(diào)后，恢復(fù)原來(lái)的有用信號(hào)頻譜。 (5) 用光電耦合器隔離干擾。 (6) 配備高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源。 第31頁(yè)/共131頁(yè)6.2.5 6.2.5 共模干擾的抑制共模干擾的抑制 共模干擾(又稱共態(tài)干擾、同相干擾)表現(xiàn)為通道兩信號(hào)端相對(duì)于零電位參考點(diǎn)所共有的干擾電壓， 包括交流和直流的兩種電壓。 抑制共模干擾包括抑制共模干擾本身、抑制共模干擾向串模干擾的轉(zhuǎn)變以及抑制已經(jīng)轉(zhuǎn)換成串模的干擾三個(gè)方面。 還可以選擇隔離技術(shù)，

19、使共模干擾不能構(gòu)成回路。對(duì)于由共模干擾轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的，并且已疊加在有用信號(hào)上的串模干擾， 可用前面介紹的抗串模干擾的方法來(lái)濾除。 第32頁(yè)/共131頁(yè)6.2.6 6.2.6 長(zhǎng)線傳輸中的抗干擾問(wèn)題長(zhǎng)線傳輸中的抗干擾問(wèn)題 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，許多被控對(duì)象與計(jì)算機(jī)相距較遠(yuǎn)， 當(dāng)所傳輸?shù)男盘?hào)波長(zhǎng)可與傳輸線的長(zhǎng)度相比擬時(shí)，或當(dāng)傳輸線長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳輸信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，就構(gòu)成長(zhǎng)線傳輸。如果處理不當(dāng)，長(zhǎng)線傳輸就會(huì)引起較嚴(yán)重的干擾。 在長(zhǎng)線傳輸中， 傳輸線路對(duì)于有用信號(hào)有下列幾種不利的作用。 第33頁(yè)/共131頁(yè)(1) 滯后作用： 信號(hào)經(jīng)過(guò)線路傳輸后的滯后時(shí)間為架空單線： 3.3 nsm； 雙絞線： 5 nsm； 同軸

20、電纜： 6 nsm。 (2) 波形畸變衰減作用。 (3) 外界電磁波、 電磁場(chǎng)、 靜電場(chǎng)和其他傳輸線的干擾作用。 第34頁(yè)/共131頁(yè)(4) 由于分布電容和分布電感的影響，線路中存在著前向電壓波和前向電流波，當(dāng)線路終端阻抗不匹配時(shí)，有用信號(hào)還會(huì)產(chǎn)生反射波，當(dāng)線路始端阻抗不匹配時(shí)，反射信號(hào)會(huì)再次產(chǎn)生反射波。反射信號(hào)與有用信號(hào)疊加在一起，使有用信號(hào)波形變壞，這就是一般所說(shuō)的“長(zhǎng)線效應(yīng)”。 長(zhǎng)線傳輸一般選用同軸電纜或雙絞線，不宜選用一般平行導(dǎo)線。同軸電纜對(duì)于電場(chǎng)干擾有較好的抑制作用，雙絞線對(duì)于磁場(chǎng)干擾有較好的抑制作用，而且絞距越短，效果越好。同軸電纜的工作頻率較高，接近1 GHz，而雙絞線只能達(dá)到1

21、 MHz。雙絞線線間分布電容較大，對(duì)于電場(chǎng)干擾幾乎沒(méi)有抑制能力， 而且當(dāng)絞距小于5 mm時(shí)，對(duì)于磁場(chǎng)干擾抑制的改善效果便不顯著了。 因此， 在電場(chǎng)干擾較強(qiáng)時(shí)可采用屏蔽雙絞線。 第35頁(yè)/共131頁(yè)在用雙絞線作傳輸線時(shí)，應(yīng)注意： (1) 盡可能采用平衡式傳輸線路， 因?yàn)槠胶馐絺鬏斁€路具有較好的抗共模干擾的能力，外部干擾在雙絞線的兩條線中產(chǎn)生對(duì)稱的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 在平衡式傳輸線路中又相互抵消。同時(shí)， 來(lái)自地線的干擾信號(hào)也受到抑制。 圖6-6是平衡式傳輸線路的兩個(gè)例子。 第36頁(yè)/共131頁(yè)圖6-6 平衡式傳輸線路的兩個(gè)例子 第37頁(yè)/共131頁(yè)(2) 若將雙絞線的一根接地，就變成非平衡的傳輸線路。

22、在非平衡式傳輸線路中，雙絞線間電壓的一半為同相序分量， 另一半為反相序分量。非平衡式傳輸線路對(duì)反相序分量具有較好的抑制作用，但對(duì)同相序分量則沒(méi)有抑制作用， 因此它對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力比單根導(dǎo)線強(qiáng)， 比平衡式的差。 (3) 當(dāng)多根雙絞線一起敷設(shè)時(shí)，最好使用節(jié)距不同的雙絞線，以減弱由互感產(chǎn)生的干擾信號(hào)。 第38頁(yè)/共131頁(yè)6.3 電源干擾的抑制電源干擾的抑制 6.3.1 6.3.1 電源干擾的基本類型電源干擾的基本類型1. 1. 電源線中的高頻干擾電源線中的高頻干擾 供電電力線路相當(dāng)于一個(gè)接收天線， 能把雷電、開(kāi)閉日光燈、啟停大功率的用電設(shè)備、電弧、廣播電臺(tái)等輻射的高頻干擾通過(guò)電源變壓器初級(jí)耦

23、合到次級(jí)，形成對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾。 第39頁(yè)/共131頁(yè)2. 2. 感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬變干擾感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬變干擾 切斷大容量感性負(fù)載時(shí)，能產(chǎn)生很大的電流和電壓變化率， 從而形成瞬變干擾，成為電磁干擾的主要原因。 第40頁(yè)/共131頁(yè)3. 3. 晶閘管通斷時(shí)產(chǎn)生的干擾晶閘管通斷時(shí)產(chǎn)生的干擾 晶閘管通斷時(shí)，僅在幾微秒的時(shí)間內(nèi)會(huì)使電流產(chǎn)生很大的變化率，這個(gè)變化率中含有大量的高次諧波成分，此諧波在電源阻抗上會(huì)產(chǎn)生很大的壓降，從而使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口， 這種畸變的電壓波形含有大量的高次諧波，可以向空間輻射， 或者通過(guò)傳導(dǎo)耦合干擾其他電子設(shè)備。 第41頁(yè)/共131頁(yè)4. 4. 電網(wǎng)電壓的短時(shí)下降干擾電網(wǎng)電壓的短

24、時(shí)下降干擾 當(dāng)啟動(dòng)大功率電機(jī)這樣的大功率負(fù)載時(shí)，由于啟動(dòng)電流很大，可導(dǎo)致電網(wǎng)電壓短時(shí)的大幅度下降。這種下降如果超出穩(wěn)壓電源的調(diào)整范圍時(shí)，將對(duì)電路的正常工作產(chǎn)生影響。5. 5. 拉閘過(guò)程形成的高頻干擾拉閘過(guò)程形成的高頻干擾 當(dāng)計(jì)算機(jī)和電感負(fù)載共用一個(gè)電源時(shí)，拉閘時(shí)產(chǎn)生的高頻干擾電壓通過(guò)電源變壓器初次級(jí)間的分布電容耦合到控制裝置， 再經(jīng)控制裝置與大地的分布電容形成耦合回路。 第42頁(yè)/共131頁(yè)6.3.2 6.3.2 電源抗干擾的基本方法電源抗干擾的基本方法1. 1. 交流電源濾波器交流電源濾波器 在交流電源的進(jìn)線端，即電源變壓器的初級(jí)串聯(lián)一個(gè)電源濾波器，可以有效地抑制高頻干擾的侵入。 (1) 電

25、容濾波器： 最簡(jiǎn)單的電容濾波器是在電源變壓器的初級(jí)并聯(lián)兩個(gè)電容， 如圖6-7 所示。圖中C1=C2，其值在0.010.22 F之間， 耐壓400 V。 第43頁(yè)/共131頁(yè)圖6-7 電容濾波 第44頁(yè)/共131頁(yè)圖6-8 電感電容濾波器 第45頁(yè)/共131頁(yè)(2) 電感電容濾波器：電感電容濾波器的濾波效果優(yōu)于電容濾波。圖6-8所示為電感電容濾波的示意圖，電感線圈可根據(jù)變壓器的初級(jí)電流，在適當(dāng)?shù)慕^緣磁棒上繞50100圈即可，電容可用0.01F400 V。 第46頁(yè)/共131頁(yè)(3) 安裝濾波器的注意事項(xiàng)： 濾波器都要加屏蔽罩， 而且屏蔽罩要和機(jī)殼有良好的接地， 最好是焊接。 盡量縮短濾波器所用電

26、容的引線。 電源變壓器盡量靠近下級(jí)電源變壓器， 以縮短引出線。 濾波器的輸入線和輸出線必須遠(yuǎn)離隔開(kāi)， 切忌平行和纏在一起。 濾波器的全部導(dǎo)線要遵循貼地布線的原則， 以提高抗干擾性能。 第47頁(yè)/共131頁(yè)2. 2. 電源變壓器的屏蔽與隔離電源變壓器的屏蔽與隔離利用靜電屏蔽的一般原則和變壓器的特殊性，可在變壓器的初級(jí)和次級(jí)之間加屏蔽層。這相當(dāng)于在變壓器的初級(jí)和靜電屏蔽層之間接入一個(gè)旁路電容。如圖6-9(b)所示。這樣，從電網(wǎng)進(jìn)入電源變壓器初級(jí)的高頻干擾信號(hào)，相當(dāng)一部分不經(jīng)過(guò)變壓器初級(jí)和次級(jí)間的分布電容Cf(如圖6-9(a)的耦合而傳到次級(jí)去，而是經(jīng)過(guò)靜電屏蔽層直接旁路到地，從而減少由交流電網(wǎng)引進(jìn)

27、的高頻干擾。為了將控制系統(tǒng)和供電電網(wǎng)電源隔離開(kāi)來(lái)， 消除因公共阻抗引起的干擾，減少負(fù)載波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響， 同時(shí)也為了安全，常常在電源變壓器和低通濾波器之前增加一個(gè)11的隔離變壓器。 第48頁(yè)/共131頁(yè)隔離變壓器的初級(jí)和次級(jí)之間加靜電屏蔽層。為了進(jìn)一步提高抗干擾能力，可采用雙層屏蔽，如圖6-10所示。除了在變壓器的初級(jí)和次級(jí)之間加屏蔽層之外，還可以在變壓器的最外層加屏蔽，以避免變壓器的磁通泄漏，這種屏蔽也必須接地。 第49頁(yè)/共131頁(yè)圖6-9 變壓器及單層屏蔽 第50頁(yè)/共131頁(yè)圖6-10 隔離變壓器及雙層屏蔽 第51頁(yè)/共131頁(yè)3. 3. 整流后抑制干擾措施整流后抑制干擾措施交流電引進(jìn)

28、的高頻干擾，由于頻帶很寬，僅在交流側(cè)采取抗干擾措施，難以保證干擾絕對(duì)不進(jìn)入系統(tǒng)，因此要在直流側(cè)采取必要的措施。 (1) 直流穩(wěn)壓電源配置與抗干擾：圖6-11是三端穩(wěn)壓器的典型接線圖，在整流之后利用電解電容C2和高頻電容C1濾波， 然后加到三端穩(wěn)壓器的輸入端，三端穩(wěn)壓器的輸出端通過(guò)C3來(lái)改善負(fù)載端的瞬態(tài)響應(yīng)， 抑制瞬變干擾。 另外，穩(wěn)壓器的容量和調(diào)整范圍也應(yīng)留有充足的余量。 當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)大電感啟動(dòng)時(shí)，由于電流過(guò)大可能會(huì)造成較大的壓降， 穩(wěn)壓器的輸入和輸出的電壓差應(yīng)大些(3 V)。 第52頁(yè)/共131頁(yè)圖6-11 三端穩(wěn)壓器的典型接線 第53頁(yè)/共131頁(yè)(2) 整流后多級(jí)濾波：電源的大部分干擾是高

29、次諧波， 因此采用低通濾波器讓50 Hz的工頻通過(guò)，濾除高次諧波， 以改善電源波形。在低壓狀態(tài)下，當(dāng)濾波負(fù)載有大電流時(shí)， 宜采用小電感和大電容的濾波網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)濾波負(fù)載有小電流時(shí)， 宜采用大電感和小電容的濾波網(wǎng)絡(luò)。在整流之后采用雙T濾波器， 如圖6-12所示， 用于消除50 Hz工頻干擾。 第54頁(yè)/共131頁(yè)圖6-12 雙T濾波器 第55頁(yè)/共131頁(yè)4. 4. 計(jì)算機(jī)用不間斷電源計(jì)算機(jī)用不間斷電源UPSUPS 在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，供電系統(tǒng)不允許中斷，否則將會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)丟失或者程序遭到破壞，以致于會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成較大的影響。為了滿足高可靠性和高質(zhì)量的供電要求，目前采用了一種新

30、型不間斷電源(Uninterruptible Power System)，簡(jiǎn)稱UPS。 第56頁(yè)/共131頁(yè)不間斷電源的基本結(jié)構(gòu)分為兩部分：一部分是將交流市電變?yōu)橹绷麟姷恼?充電裝置；另一部分是把直流電再轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷哪孀兤鳌Ｐ铍姵卦诮涣麟妷赫９╇姇r(shí)存儲(chǔ)能量，此時(shí)它一直維持在一個(gè)正常的充電電壓上。一旦市電供應(yīng)中斷， 蓄電池立即對(duì)逆變器供電，從而保證UPS電源輸出交流市電。 電網(wǎng)電壓正常時(shí)，由市電直接向微型計(jì)算機(jī)供電，同時(shí)給電池組充電。當(dāng)市電不正常時(shí)，有故障檢測(cè)器發(fā)出信號(hào)，通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)，由逆變器提供交流電源。 第57頁(yè)/共131頁(yè)6.4 CPU軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 6.4.1 6.4

31、.1 人工復(fù)位人工復(fù)位 對(duì)于失控的CPU，最簡(jiǎn)單的方法是使其復(fù)位，程序從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行。為此只要在8051系列單片機(jī)的RESET端加上一個(gè)高電平信號(hào)，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上即可。RESET 端接有一個(gè)上電復(fù)位電路，它由一個(gè)小電解電容和一個(gè)接地電阻組成，人工復(fù)位電路另外采用一個(gè)按鈕來(lái)給RESET端加上高電平信號(hào)。圖6-13為放電型人工復(fù)位電路，上電時(shí)C通過(guò)R2充電，維持高電平足夠的時(shí)間就完成了上電復(fù)位功能。第58頁(yè)/共131頁(yè)C充電結(jié)束后， RESET端為低電平， CPU正常工作。需要人工復(fù)位時(shí)，按下按鈕S，C通過(guò)S和R1放電，RESET端電位上升到高電平，實(shí)現(xiàn)人工復(fù)位。S松開(kāi)后，C重新

32、充電，充電結(jié)束后，CPU重新工作。R1是限流電阻，阻值不要過(guò)大，否則不能實(shí)現(xiàn)人工復(fù)位。一般R1=1 k，R2=10 k，C=10 F。 第59頁(yè)/共131頁(yè)圖6-13 放電型人工復(fù)位 第60頁(yè)/共131頁(yè)人工復(fù)位雖然可以強(qiáng)迫CPU回到正常程序，而且電路簡(jiǎn)單， 但最大的缺點(diǎn)是不及時(shí)，往往系統(tǒng)已經(jīng)癱瘓，人們?cè)跓o(wú)可奈何的情況下才按下復(fù)位按鈕。如果軟件上沒(méi)有特別的措施， 人工復(fù)位和上電復(fù)位具有同等作用，系統(tǒng)一切從頭開(kāi)始，已經(jīng)完成的工作量全部作廢，這在控制系統(tǒng)中是不允許的。因此，人工復(fù)位主要用于非控制系統(tǒng)，如各類智能測(cè)試儀器。 如果CPU在受到干擾后能自動(dòng)采取補(bǔ)救措施，再自動(dòng)復(fù)位， 這才能為各類控制系統(tǒng)

33、所接受。 第61頁(yè)/共131頁(yè)6.4.2 6.4.2 掉電保護(hù)掉電保護(hù) 電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降，將使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)；當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)難以恢復(fù)正常狀態(tài)， 解決這一類事故的有效方法就是采用掉電保護(hù)，掉電保護(hù)把硬件電路預(yù)先檢測(cè)到的掉電信號(hào)加到單片機(jī)的外部中斷輸入端。 軟件中將掉電中斷規(guī)定為高級(jí)中斷，使系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)掉電作出反應(yīng)。在掉電中斷子程序中，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，把當(dāng)時(shí)的重要狀態(tài)參數(shù)、中間結(jié)果一一從片外RAM中調(diào)入單片機(jī)的RAM中， 某些片內(nèi)專用寄存器的內(nèi)容也轉(zhuǎn)移到片內(nèi)通用RAM中。 第62頁(yè)/共131頁(yè)其次是對(duì)有關(guān)設(shè)備作出妥善處理，如關(guān)閉各輸入輸出口，使外設(shè)處于某一個(gè)

34、非工作狀態(tài)等。最后必須在片內(nèi)RAM的某一個(gè)或兩個(gè)單元作上特定標(biāo)記，例如存入0AAH或55H之類的代碼，作為掉電標(biāo)記。這些應(yīng)急措施全部實(shí)施完畢后，即可進(jìn)入掉電保護(hù)工作狀態(tài)。為保證掉電子程序能順利執(zhí)行，掉電檢測(cè)電路必須在電壓下降到CPU最低工作電壓之前就提出中斷申請(qǐng)，提前時(shí)間為幾百微秒到數(shù)毫秒。 掉電后， 外圍電路失電，但CPU不能失電， 以保持RAM中內(nèi)容不變，故CPU應(yīng)有一套備用電源。另外，CPU應(yīng)采用CMOS型的80C31芯片，執(zhí)行一條ORL PCON，2的指令后即可進(jìn)入掉電工作狀態(tài)。 第63頁(yè)/共131頁(yè)當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí)，CPU重新復(fù)位，復(fù)位后應(yīng)首先檢查是否有掉電標(biāo)記，如果沒(méi)有， 按一般開(kāi)

35、機(jī)程序執(zhí)行(系統(tǒng)初始化等)。 如果有掉電標(biāo)記，則說(shuō)明本次復(fù)位為掉電保護(hù)之后的復(fù)位， 不應(yīng)將系統(tǒng)初始化，而應(yīng)按掉電中斷子程序相反的方式恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)， 以一種合理的安全方式使系統(tǒng)繼續(xù)工作。 第64頁(yè)/共131頁(yè)為實(shí)現(xiàn)以上功能，必須有一套功能完備的硬件掉電檢測(cè)電路和CPU電源切換電路，如圖614所示。利用R3和VDW在運(yùn)放的負(fù)輸入端建立一個(gè)參考電壓信號(hào)(約2.53.5 V)，再由R1和R2的分壓，在運(yùn)放的正輸入端建立電源檢測(cè)信號(hào)，調(diào)整R1和R2的比值，使UCC高于4.8 V時(shí), 運(yùn)放輸出為高電平，當(dāng)UCC低于4.8 V時(shí)，運(yùn)放輸出低電平信號(hào)，觸發(fā)80C31的外部中斷。 第65頁(yè)/共131頁(yè)圖6-14 掉

36、電檢測(cè)和備用電源 第66頁(yè)/共131頁(yè)CPU進(jìn)入掉電保護(hù)后耗電極微，UCC繼續(xù)下降后，CPU通過(guò)VD2從備用電源E中得到工作電壓(2.32.5 V)， 維持片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)不丟失。如果電容C選用自身漏電極微的大容量電解電容(1000 F以上)，二極管VD1選用硅二極管，在不要備用電源E(當(dāng)然也不要二極管VD2)的情況下，RAM中的信息可以保持24小時(shí)以上， 這對(duì)于天天都開(kāi)機(jī)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是完全足夠的。第67頁(yè)/共131頁(yè)6.4.3 6.4.3 睡眠抗干擾睡眠抗干擾 CMOS型80C31通過(guò)執(zhí)行ORL PCON，1還可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)， 只有定時(shí)計(jì)數(shù)系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，CPU對(duì)系統(tǒng)三總線上出現(xiàn)

37、的干擾不會(huì)作出什么反應(yīng)，從而大大降低了系統(tǒng)對(duì)干擾的敏感程度。 仔細(xì)分析系統(tǒng)軟件后可以發(fā)現(xiàn)，CPU并不是一直忙于工作， 有很多情況下是在執(zhí)行一些踏步等待指令和循環(huán)檢查程序， 由于這時(shí)CPU雖未干什么主要工作，但卻很容易受干擾。我們讓CPU在沒(méi)有工作時(shí)就睡覺(jué)，有工作時(shí)再由中斷系統(tǒng)來(lái)喚醒它， 干完后又接著睡覺(jué)。采用這種安排之后，大多數(shù)CPU可以有5095的時(shí)間用于睡覺(jué)，從而使CPU受到隨機(jī)干擾的威脅就大大降低， 對(duì)于低功耗系統(tǒng)， CPU的功耗也有所下降。 第68頁(yè)/共131頁(yè)在一些大功率計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，大電流和高電壓設(shè)備的投入和切換都是由軟件指令來(lái)完成的。這些指令執(zhí)行之后， 必然引起強(qiáng)烈的干擾，這

38、些干擾不能算隨機(jī)干擾，它們與軟件完全相關(guān)。 如果CPU在做好各種準(zhǔn)備工作之后，進(jìn)行可能引起強(qiáng)烈干擾的IO操作，之后立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，也就不會(huì)受到干擾了。等到下一次醒來(lái)時(shí)，干擾的高峰也基本消失了。 按這種思想設(shè)計(jì)的軟件有如下特點(diǎn)：主程序在完成各種自檢、初始化工作后，用下述兩條指令取代踏步指令： 第69頁(yè)/共131頁(yè)LOOP：ORL PCON， 1LJMP LOOP 系統(tǒng)所有的工作都放在中斷子程序中執(zhí)行，而監(jiān)控程序一般放在定時(shí)中斷子程序中。主程序在執(zhí)行ORL PCON，1之后便進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這時(shí)程序計(jì)數(shù)器PC中的地址指向下一條指令LJMP LOOP。 當(dāng)中斷系統(tǒng)將CPU喚醒后，CPU立即響應(yīng)中斷，

39、 首先將PC的值壓入堆棧，然后執(zhí)行中斷子程序本身。完成任務(wù)之后，執(zhí)行一條開(kāi)中斷指令，確保CPU在睡眠之后還能被喚醒，最后執(zhí)行中斷返回指令。第70頁(yè)/共131頁(yè)這條指令結(jié)束中斷子程序， 并從堆棧中將主程序執(zhí)行地址彈出到程序計(jì)數(shù)器PC中，CPU便接著執(zhí)行主程序中的LJMP LOOP指令，轉(zhuǎn)回到ORL PCON，1這條指令上， 執(zhí)行完這條指令后便再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)，如此周而復(fù)始。前面已經(jīng)提到，應(yīng)將可能引起強(qiáng)烈干擾的IO操作指令放在睡覺(jué)前執(zhí)行，這也就是說(shuō)， 這類IO操作應(yīng)放在中斷子程序的尾部。 為確保CPU不過(guò)早被喚醒， 躲過(guò)強(qiáng)烈干擾的高峰，可臨時(shí)關(guān)閉一些次要的中斷，僅僅留一個(gè)內(nèi)部定時(shí)中斷，定時(shí)盡可能長(zhǎng)

40、些(如100 ms)，并作好標(biāo)記。下次定時(shí)中斷響應(yīng)后，根據(jù)標(biāo)記，恢復(fù)系統(tǒng)的正常中斷設(shè)置方式。以上措施使用合理時(shí)，系統(tǒng)出麻煩的次數(shù)便可大為減少。 第71頁(yè)/共131頁(yè)6.4.4 6.4.4 指令冗余指令冗余 當(dāng)CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來(lái)執(zhí)行， 引起程序混亂，這時(shí)首先要盡快將程序納入正軌(執(zhí)行有用程序)。MCS-51指令系統(tǒng)中所有的指令都不超過(guò)3個(gè)字節(jié)，而且有很多單字節(jié)指令。當(dāng)程序彈飛到某一條單字節(jié)指令上時(shí)， 便自動(dòng)納入正軌。當(dāng)彈飛到某一雙字節(jié)指令上時(shí)，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯(cuò)。當(dāng)程序彈飛到三字節(jié)指令上時(shí)， 因?yàn)橛袃蓚€(gè)操作數(shù)，繼續(xù)出錯(cuò)的機(jī)會(huì)就更大。因此，應(yīng)多采用單字節(jié)

41、指令，并在關(guān)鍵的地方人為插入一些單字節(jié)指令(NOP)，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)書寫，這便是指令冗余。指令冗余無(wú)疑會(huì)降低系統(tǒng)的效率，但在絕大多數(shù)情況下， CPU還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程度， 故這種方法還是被廣泛采用。 第72頁(yè)/共131頁(yè)在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令之后插入兩條NOP后，可保護(hù)其后的指令不被拆散?；蛘哒f(shuō)，某指令前如果插入兩條NOP指令，則這條指令就不會(huì)被前面沖下來(lái)的失控程序拆散，并將被完整執(zhí)行，從而使程序走上正軌。但不能在程序中加入太多的冗余指令，以免明顯降低程序正常運(yùn)行的效率。因此，常在一些對(duì)程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序迅速納入正軌。此類

42、指令有： RET、 RETI、 ACALL、 LCALL、 SJMP、 AJMP、LJMP、 JZ、 JNZ、 JC、 JNC、 JB、 JNB、 JBC、 CJNE、 DJNZ等。 第73頁(yè)/共131頁(yè)6.4.5 6.4.5 軟件陷阱軟件陷阱 指令冗余使彈飛的程序安定下來(lái)是有條件的，首先彈飛的程序必須落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行到冗余指令。當(dāng)彈飛的程序落到非程序區(qū)(如EPROM中未使用的空間、程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū))時(shí)，前一個(gè)條件即不滿足。當(dāng)彈飛的程序在沒(méi)有碰到冗余指令之前，已經(jīng)自動(dòng)形成一個(gè)死循環(huán)，這時(shí)第二個(gè)條件也不滿足，對(duì)付前一種情況采取的措施就是設(shè)置軟件陷阱，對(duì)于后一種情況采取的措施就是建立程序

43、運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)(WATCHDOG)。 第74頁(yè)/共131頁(yè)所謂軟件陷阱，就是一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專門對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。如果把該程序的入口標(biāo)號(hào)稱為ERR的話，軟件陷阱即為一條LJMP ERR指令，為加強(qiáng)其捕捉效果，一般還在它前面加兩條NOP指令，因此，真正的軟件陷阱由三條指令構(gòu)成： NOPNOPLJMP ERR 第75頁(yè)/共131頁(yè)軟件陷阱安排在下列四種地方： (1) 未使用的中斷向量區(qū)。有的編程人員將未使用的中斷向量區(qū)(0003H002FH)用于編程，以節(jié)約ROM空間，這是不可取的?，F(xiàn)在EPROM的容量越來(lái)越大，價(jià)格也不貴，節(jié)約幾十個(gè)字節(jié)的ROM

44、空間已毫無(wú)意義。當(dāng)干擾使未使用的中斷開(kāi)放并激活這些中斷時(shí)，就會(huì)進(jìn)一步引起混亂。如果在這些地方布上陷阱， 就能及時(shí)捕捉到錯(cuò)誤中斷。例如,系統(tǒng)共使用了三個(gè)中斷：INT0、T0、T1，它們的中斷子程序分別為PGINT0、PGT0、 PGT1，可按如下方式來(lái)設(shè)置中斷向量區(qū)： 第76頁(yè)/共131頁(yè)ORG 0000H LJMP MAIN ； 引向主程序入口LJMP PGINT0 ； INT0中斷正常入口NOP ； 冗余指令NOP ； LJMP ERR ； 陷阱LJMP PGT0 ； T0中斷正常入口NOP ； 冗余指令NOP ； LJMP ERR ； 陷阱LJMP PGT1 ； 未使用INT1， 設(shè)陷阱N

45、OP ； 冗余指令NOP ； LJMP ERR ； 陷阱 第77頁(yè)/共131頁(yè)LJMP PGT1 ； T1中斷正常入口NOP ； 冗余指令NOP ； LJMP ERR ； 陷阱LJMP ERR ； 未使用串行口中斷，設(shè)陷阱NOP ； 冗余指令NOPLJMP ERR ； 陷阱LJMP ERR ； 未使用T2中斷(8052)NOP ； 冗余指令NOP 第78頁(yè)/共131頁(yè) 從0030H開(kāi)始再編寫正式程序，先編主程序或是先編中斷服務(wù)程序都可以。 (2) 未使用的大片ROM空間，一般都是2764或27128，很少有將其全部用完的。對(duì)于剩余的大片未編程的ROM空間，一般均維持原狀(0FFH)，這對(duì)于80

46、51指令系統(tǒng)來(lái)講，是一條單字節(jié)指令(MOV R7，A)，程序彈飛到這一區(qū)域后將順流而下，不再跳躍(除非受到新的干擾)。只要每隔一段設(shè)置一個(gè)陷阱，就一定能捕捉到彈飛的程序。有的編程者用02 00 00(即LJMP START)來(lái)填充ROM的未使用空間，以為兩個(gè)00H既是地址，可設(shè)置陷阱， 又是NOP指令，起到雙重作用， 實(shí)際上是不妥的。 第79頁(yè)/共131頁(yè)程序出錯(cuò)后直接從頭開(kāi)始執(zhí)行，將有可能發(fā)生一系列麻煩的事情。 軟件陷阱一定要指向出錯(cuò)處理過(guò)程ERR?？梢詫RR安排在0030H開(kāi)始的地方，程序不管怎樣修改，編譯后ERR的地址總是固定的(因?yàn)樗懊娴闹袛嘞蛄繀^(qū)是固定的)。這樣就可以用00 00

47、 02 00 30五個(gè)字節(jié)作為陷阱來(lái)填充ROM中的未使用空間， 或者每隔一段設(shè)置一個(gè)陷阱(02 00 30)， 其他單元保持0FFH不變。 第80頁(yè)/共131頁(yè)(3) 表格。有兩類表格，一類是數(shù)據(jù)表格，供MOVC A， A+PC指令或MOVC A，A+DPTR指令使用，其內(nèi)容完全不是指令。另一類是散轉(zhuǎn)表格，供JMP A+DPTR指令使用， 其內(nèi)容為一系列的三字節(jié)指令LJMP或兩字節(jié)指令A(yù)JMP。 由于表格內(nèi)容和檢索值有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在表格中間安排陷阱將會(huì)破壞其連續(xù)性和對(duì)應(yīng)關(guān)系，只能在表格的最后安排五字節(jié)陷阱(NOP NOP LJMP ERR)。 由于表格區(qū)一般較長(zhǎng)，安排在最后的陷阱不能保證一定

48、捕捉到彈飛來(lái)的程序， 這時(shí)只有指望別處陷阱或冗余指令來(lái)收服它了。 第81頁(yè)/共131頁(yè)(4) 程序區(qū)。程序區(qū)是一連串執(zhí)行指令構(gòu)成的，不能在這些指令串中間任意安排陷阱，否則正常執(zhí)行的程序也被抓走。 但是， 在這些指令串之間常有一些斷裂點(diǎn)，正常執(zhí)行的程序到此便不會(huì)繼續(xù)往下執(zhí)行了，這類指令有LJMP、SJMP、 AJMP、 RET、RETI。 這時(shí)PC的值應(yīng)發(fā)生正常跳變。如果還要順次往下執(zhí)行，必然就出錯(cuò)了。當(dāng)然，若彈飛的程序剛好落到斷裂點(diǎn)的操作數(shù)上或落到前面指令的操作數(shù)上(又沒(méi)有在這條指令之前使用冗余指令)，則程序就會(huì)越過(guò)斷裂點(diǎn)， 繼續(xù)執(zhí)行。例如， 在一個(gè)根據(jù)累加器A中內(nèi)容的正、負(fù)、零情況進(jìn)行三分支

49、的程序中， 軟件陷阱的安置方式如下： 第82頁(yè)/共131頁(yè)JNZ XYZ ； 零處理 AJMP ABC ； 斷裂點(diǎn) NOP ； 陷阱 NOP LJMP ERR XYZ： JB ACC 7， UVW ； 正處理 AJMP ABC ； 斷裂點(diǎn) NOP ； 陷阱 NOP LJMP ERR 第83頁(yè)/共131頁(yè)UVW： ； 負(fù)處理ABC： MOV A， R2 ； 取結(jié)果 RET ； 斷裂點(diǎn) NOP ； 陷阱 NOP ； LJMP ERR 第84頁(yè)/共131頁(yè)由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序執(zhí)行效率，在當(dāng)前EPROM 容量不成問(wèn)題的條件下，還是多多益善，只是在打印程序清單時(shí)顯得很

50、臃腫，破壞程序的可讀性和條理性。可以在打印程序清單時(shí)不加(或刪去)所有的軟件陷阱和冗余指令，在編譯前再加上冗余指令和盡可能多的軟件陷阱， 生成目標(biāo)代碼后再寫入EPROM中。 第85頁(yè)/共131頁(yè)6.4.6 6.4.6 程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)(WATCHDOG)(WATCHDOG) 前已述及，當(dāng)程序彈飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)時(shí)，冗余指令和軟件陷阱也無(wú)能為力了，這時(shí)系統(tǒng)完全癱瘓。如果操作者在場(chǎng)，可以按下人工復(fù)位按鈕，強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位，擺脫死循環(huán)。但操作者不能一直監(jiān)視著系統(tǒng)，即使在監(jiān)視著系統(tǒng)， 也往往是在引起不良后果之后才能進(jìn)行人工復(fù)位。為讓計(jì)算機(jī)自己來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行情況，特為系統(tǒng)裝加“程序運(yùn)行

51、監(jiān)視系統(tǒng)”。 國(guó)外把“程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)”稱為WATCHDOG(看門狗)， 它有如下特性： (1) 本身能獨(dú)立工作， 基本上不依賴CPU。 第86頁(yè)/共131頁(yè)(2) CPU在一個(gè)固定的時(shí)間間隔中和監(jiān)視系統(tǒng)打一次交道， 以表明系統(tǒng)“目前尚正?！薄?(3) 當(dāng)CPU掉入死循環(huán)后，能及時(shí)發(fā)覺(jué)并使系統(tǒng)復(fù)位。 在8096系列單片機(jī)和增強(qiáng)型8051系列單片機(jī)中， 已將該系統(tǒng)做入芯片里，使用起來(lái)很方便。而在普通型8051系列單片機(jī)系統(tǒng)中，必須由用戶自己建立。如果要達(dá)到WATCHDOG的真正目標(biāo)，該系統(tǒng)必須包括一定的硬件部分，它完全獨(dú)立于CPU之外。如果為了簡(jiǎn)化硬件電路，也可以采用純軟件的WATCHDOG系統(tǒng)

52、。當(dāng)硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)未考慮到采用WATCHDOG， 則軟件 WATCHDOG是一個(gè)比較好的補(bǔ)救措施，只是其可靠性稍差一些。 第87頁(yè)/共131頁(yè)WATCHDOG的硬件部分為一獨(dú)立于CPU之外的部件，可用單穩(wěn)電路構(gòu)成，也可用自帶脈沖源的計(jì)數(shù)器構(gòu)成。CPU正常工作時(shí)，每隔一段時(shí)間就輸出一個(gè)脈沖，將單穩(wěn)系統(tǒng)觸發(fā)到暫穩(wěn)態(tài)， 暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間設(shè)計(jì)得比CPU的觸發(fā)周期長(zhǎng)， 因而單穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)就不能回到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)CPU 陷入死循環(huán)后，再也不能觸發(fā)單穩(wěn)系統(tǒng)了，單穩(wěn)系統(tǒng)便可以順利返回穩(wěn)態(tài)，利用它返回穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出的信號(hào)作為復(fù)位信號(hào)，便可使CPU退出死循環(huán)。 圖6-15為用計(jì)數(shù)器構(gòu)成的WATCHDOG電路。 第88頁(yè)/共13

53、1頁(yè)圖6-15 計(jì)數(shù)器WATCHDOG電路 第89頁(yè)/共131頁(yè)將555接成一個(gè)多諧振蕩器，周期為T0，將74LS93接成十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)數(shù)到第8個(gè)脈沖時(shí), QD端變?yōu)楦唠娖健?單片機(jī)用一條輸出端口(例如P1.7)輸出清零脈沖，只要每次清零脈沖的時(shí)間間隔短于8個(gè)脈沖周期，計(jì)數(shù)器就總是計(jì)不到8， QD端保持低電平。當(dāng)CPU受干擾而掉入死循環(huán)時(shí)， 就不能送出復(fù)位脈沖了，計(jì)數(shù)器很快數(shù)到8，QD端立即變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過(guò)微分電路C2、R3輸出一個(gè)正脈沖， 使CPU復(fù)位。 第90頁(yè)/共131頁(yè)在這里，CPU的復(fù)位信號(hào)有3個(gè)：上電復(fù)位(C1、R1)，人工復(fù)位(S、R2、R1)和WATCHDOG復(fù)位(C2、R

54、3)，通過(guò)或門綜合后加到RESET端。 C2、R3的時(shí)間常數(shù)不必太大， 有數(shù)百微秒便可， 因?yàn)檫@時(shí)CPU的振蕩器已經(jīng)在工作。74LS93的清零信號(hào)為高電平，為防止CPU掉入死循環(huán)前將P1.7變?yōu)楦唠娖蕉筗ATCHDOG失效，在P1.7和計(jì)數(shù)器的清零端之間加一個(gè)微分隔離電路。 CPU在平時(shí)保持P1.7為低電平，每間隔一段時(shí)間(不超過(guò)8個(gè)T0從P1.7）輸出一個(gè)正脈沖，經(jīng)微分后使計(jì)數(shù)器清零。這個(gè)微分電路的時(shí)間常數(shù)可選數(shù)秒級(jí)。 第91頁(yè)/共131頁(yè)脈沖源555的振蕩周期T0大小可由系統(tǒng)軟件的循環(huán)周期來(lái)決定。如果系統(tǒng)有一個(gè)自始至終都工作的軟件時(shí)鐘系統(tǒng)，可將復(fù)零操作放在時(shí)鐘中斷里完成，這時(shí)555的振蕩

55、周期T0必須大于18系統(tǒng)時(shí)鐘中斷周期，通常取1412時(shí)鐘中斷周期。 如果系統(tǒng)沒(méi)有固定的定時(shí)中斷， 可將復(fù)零操作放在監(jiān)控循環(huán)中執(zhí)行。如果程序中有查詢等待指令(在某些用握手方式跟外設(shè)打交道的程序中常出現(xiàn))時(shí)特別注意， 如用P1.1查詢： WAIT：JB P1.1，WAIT 第92頁(yè)/共131頁(yè)這時(shí)，有可能外設(shè)要持續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間才能準(zhǔn)備好，這段時(shí)間如果大于WATCHDOG允許時(shí)間，系統(tǒng)將被復(fù)位。為此，改成如下結(jié)構(gòu)便可： WAIT：SETB P1.7 ； 復(fù)位WATCHIX)G NOP NOP CLR P1.7 ； 允許WATCHDOG開(kāi)始工作 NOP NOP JB P1.1 WAIT； 查詢等待 第

56、93頁(yè)/共131頁(yè)上面介紹的WATCHDOG電路是計(jì)數(shù)器型的，如果要用單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，電路必須仔細(xì)推敲，有很多單穩(wěn)電路是不能靠連續(xù)觸發(fā)來(lái)長(zhǎng)期維持穩(wěn)態(tài)的，使用中應(yīng)注意。 有時(shí)為了簡(jiǎn)化硬件電路，也可以建立一個(gè)軟件的WATCHDOG系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)掉進(jìn)死循環(huán)后，只有比這個(gè)死循環(huán)更高級(jí)的中斷子程序才能有對(duì)CPU的控制權(quán)。為此可用一個(gè)定時(shí)器來(lái)做WATCHDOG，將它的溢出中斷設(shè)定為高級(jí)中斷(掉電中斷選用INT0時(shí)，也可設(shè)為高級(jí)中斷，并享有比定時(shí)中斷優(yōu)先的地位)。系統(tǒng)中的其他中斷均設(shè)為低級(jí)中斷。例如用T0作WATCHDOG，定時(shí)約為16 ms， 可以在初始化時(shí)這樣建立WATCHDOG： 第94頁(yè)/共131頁(yè)M

57、OV TMOD， 01H ；設(shè)置T0為16位定時(shí)器SETB ET0 ；允許T0中斷SETB PT0 ； 設(shè)置T0為高級(jí)中斷MOV TL0，0C0HMOV TH0，0E0H ； 定時(shí)約16 ms(6 MHz晶振)SETB TR0 ； 啟動(dòng)T0SETB EA ； 開(kāi)中斷 第95頁(yè)/共131頁(yè)以上初始化過(guò)程可和其他資源初始化一并進(jìn)行。如T1也作為十六位定時(shí)器，則可以用MOV TMOD，11H來(lái)代替MOV TMOD， 01H。 WATCHDOG啟動(dòng)以后，系統(tǒng)工作程序必須經(jīng)常對(duì)它發(fā)信號(hào)， 每?jī)纱沃g的間隔不得大于16 ms(例如每10 ms發(fā)一次)。執(zhí)行一條MOV TH0， 0E0H指令即可。 如果用M

58、OV TH0，0來(lái)工作，它將保持131 ms(而不是要求的16 ms)。這條指令的安放原則和硬件WATCHDOG相同。 第96頁(yè)/共131頁(yè)當(dāng)程序掉入死循環(huán)后，16 ms之內(nèi)即可引起一次T0溢出， 產(chǎn)生高級(jí)中斷，從而退出死循環(huán)。T0中斷可直接轉(zhuǎn)向出錯(cuò)處理程序，在中斷向量區(qū)安放一條LJMP ERR即可。由出錯(cuò)處理程序來(lái)完成各種善后工作， 并用軟件方法使系統(tǒng)復(fù)位。純軟件WATCGDOG需要系統(tǒng)讓出一個(gè)定時(shí)器資源，這在某些系統(tǒng)中是很難辦到的，如果還想采取軟件WATCHDOG，可以讓T0作兼職WATCHDOG，由T0中斷子程序分擔(dān)部分工作程序。 第97頁(yè)/共131頁(yè)如果在執(zhí)行這段工作程序中掉進(jìn)死循環(huán)，

59、WATCHDOG系統(tǒng)當(dāng)然也同時(shí)癱瘓了，因此，這部分兼職工作程序的執(zhí)行時(shí)間應(yīng)盡可能短些。專職WATCHD OG在正常情況下是不發(fā)生溢出中斷的，而兼職WATCHDOG在正常情況下必定發(fā)生溢出中斷，因?yàn)樗€有兼職的工作要完成。這時(shí)可以另外用一個(gè)單元作為計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)T0中斷的次數(shù)。當(dāng)T0中斷次數(shù)達(dá)到某個(gè)規(guī)定值時(shí)(例如5次)， 即作出錯(cuò)處理，這時(shí)在主程序和其他低級(jí)中斷子程序中均插入若干條使計(jì)數(shù)器清零的指令。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，該計(jì)數(shù)器的值不斷被清零，是增加不到滿值的，故不會(huì)引起出錯(cuò)處理。當(dāng)系統(tǒng)掉進(jìn)死循環(huán)后，T0中斷使程序退出死循環(huán)，將計(jì)數(shù)器加一，然后返回到死循環(huán)中繼續(xù)死循環(huán)，然后中斷，如此下去，直到計(jì)數(shù)器加

60、到指定值便作出錯(cuò)處理。 兼職WATCHDOG中斷子程序結(jié)構(gòu)如圖6-16所示。 第98頁(yè)/共131頁(yè)圖6-16 兼職WATCHDOG程序流程圖第99頁(yè)/共131頁(yè)設(shè)計(jì)數(shù)單元為39H，時(shí)鐘6 MHz，T0定時(shí)為5 ms。工作方式1， 最大允許死循環(huán)時(shí)間為25 ms(5次)， 中斷子程序如下： WATCHDOG： PUSH ACC ； 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) PUSH PSW MOV TL0，3CH ； 置初值 MOV TH0，0F6H INC 39H ； 計(jì)數(shù)器加一 MOV A， 39H ADD A， 0FBH ； 是否達(dá)到5次 JNC WATCH LJMP ERR ； 出錯(cuò)處理 第100頁(yè)/共131頁(yè)WATC