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单片机干扰分析MCU的改进

发布时间:2020-06-30 19:52:53 阅读: 来源:洗地机厂家

本文讨论了干扰对错误的形成机制,提出了对MCU改进的建议。这个建议如果实施,不仅有利于高技术领域的应用,也会惠及一般的民用领域。

1 干扰源的讨论

很久以前,还在“8031+2764+14433”的年代,我们做了一批过程监控仪表,用于灭菌过程F0的监控,遇到了强烈的干扰问题。灭菌过程约30 min,由电触点压力表控制进气电磁阀,间接控制温度。F0是一个温度函数的积分值,可以反映灭菌的效果,它综合考虑了温度波动的影响。当时采取了一些抗干扰措施,例如,硬件上对信号线屏蔽,信号滤波;软件上的智能滤波,程序复执,程序分段保护,数据后备,端口等重复初始化,ROM的定时校验和检验,多种出错报警,出错时重新热启动(可使问题有所缓和,但偶然会有判为ROM校验和错而停机的情况出现)。由于当时F0只是用作参考,问题尚不严重,如要掩盖,也可以用热启动代替停机;但很快F0要作为产品工艺参数,用记录纸备案,于是就重新设计了监控仪。新的监控仪用89C51+14433,再加上光耦和TI5617 D/A转换器,将温度和F0变为模拟量后送到双笔记录仪,实现产品工艺过程的记录与存档。硬件上,光耦隔离后部分是D/A和模拟电路,软件在原有基础上添加与TI5617有关的串行通信部分。TI5617的串行通信类似I2C,由CS、DIN和SCLK三条线构成,SCLK数据位时钟可达到25 ns,速度很高。用于计算的周期是6 s,仪表用定点算法配以查表,所以留出了充足的时间做许多抗干扰的工作。在D/A用的串行通信中甚至考虑了多次重复发送的子程序,希望减少通信错误的影响;但结果却很坏,记录纸上是一片墨带。由于不知道通信对错,很可能最后一次传送就是错的,于是不得不重新处理抗干扰问题。

经查干扰主要发生在电磁阀动作的时候,由于不可能在现场为每一个简单的小表制作一个良好的地线,一般的市售电源滤波器件根本不起作用。现场用的是220 V交流电磁阀,无法设计缓冲线路。分析认为,电磁阀断开时会在电源上产生很大的反向电压。交流电源的示波器受到干扰,在无法看清干扰的情况下,就用数字万用表观察,可以观察到1 300 V以上的读数。考虑到数字万用表输入的滤波效果,真正的峰值还要大,因此推想,高频的干扰穿越了变压器绕组间电容,造成变压器次级交流电压瞬间反向。尽管反向波幅的衰减很大,但因方向已改变,整流二极管来不及响应,已不供电,而滤波的电解电容器动态上来不及反应,也不供电,造成稳压前直流电源瞬间下降。同时它通过整流二极管,78L15、78L05等低频器件到达二组隔离的电源,造成直流电源跌落。循此思路,发现TI5617的SCLK可能出现不正确的时钟信号,造成数据传送的错误。TI5617的读数发生在SCLK的下降沿,说明书上强调,在非传送时减少馈通应使SCLK=LOW,为节省电流消耗,SCLK是从光耦的基极输出的。因此若光耦次级电源跌落,确实会造成SCLK下降而误读。然后我们在基极电阻(20 kΩ)上并联0.1 μF电容,在光耦次级电源上串接高频二极管,以防0.1 μF电容器通过光耦反向放电。采取此措施后,记录曲线不再有墨带。对本应用而言,干扰问题初步解决,但仍不彻底。干扰得到解决本身证实了分析是正确的——来自电源的干扰有可能进到直流电源部分。

国际标准ISO 7637是针对汽车电子领域电源的传导干扰问题的。它规定有#1、#2a/b、#3a/b、#4、#5a/b等多种测试波形,反映实际应用中会遇到的情形。其中,关断感性负载(例如雨刮器的马达)引起的电压升高,在12 V系统中可达50 V,虽有瞬间超过元器件耐压而引起损伤的可能性,但不会直接引起误动作。而在波形#1中,关断感性负载(例如电动座椅的马达和座椅的加热系统)产生的脉冲,在电源为12 V的系统中1 μs可达到-100 V,衰减到10%的时间为2 ms。在波形#3a中,电源为12 V的系统里5 ns可达到-138 V,回到0 V的时间大约为100 ns。这些是典型数据,实际上电源线不是匹配的传输线,干扰波还要来回反射,情况更为复杂。在这些场合,也可能发生直流电源的跌落干扰。

空间的幅射干扰也是经常遇到的问题,例如在太空或反应堆附近,电子器件会受到重离子的轰击而产生故障;又如在空港区或大电流、高电压区域,电子器件也会受到强电磁辐射而发生故障。在这些场合,干扰也会引起MCU的基本门电路工作失误。

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