星载单片机系统抗干扰技术
时间：09-25
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1 引言
目前，单片机系统在星载仪器中担负着非常重要的任务，星载仪器往往处于复杂的空间环境之中，存在着大量的干扰源，如高能带电粒子主要通过单粒子效应对单片机系统构成影响，使其发生单粒子翻转事件，将导致程序走向混乱，使系统无法正常工作。因此，在系统设计上充分考虑抗干扰设计，提高系统的可靠性尤为重要。对于单片机系统而言，干扰有两种，一是来源于系统外部环境和其它电气设备产生的干扰，通过传导和辐射等途径影响单片机系统正常工作；二是来源于系统内部，由系统结构、制造工艺等决定以及内部元器件在工作时产生干扰，通过地址、电源线、信号线、分布电容等传输，影响系统工作状态。单片机系统抗干扰措施主要从硬件、软件两个方面展开避错、容错设计，以提高系统的可靠性。
2 干扰产生的原因
2.1 干扰源
干扰源是指产生干扰的元件、设备或信号。产生的干扰包括：
（1）电磁干扰，如继电器开关启动、静电放电、电网电压波动等都可能引起不同程度的瞬变浪涌电压，会造成IC和半导体器件PN结烧毁、氧化层击穿等。
（2）人为干扰，如机械振动、继电器触点抖动、元器件安装和电路板布线引起的电磁耦合、接插件接触不良、虚焊、放大器自激、电源纹波等。
（3）环境因素干扰，如噪声和环境温湿度、以及太阳黑子的变化，空间粒子辐射等。
2.2干扰传输途径
干扰对单片机系统的影响主要通过三种途径传输，包括：
（1）输入系统。一般情况下，星载仪器的检测对象往往是微弱物理信号，通过放大的运放电路和高精度A/D转换电路组成。如串入干扰，会使输入的模拟信号失真，数字信号出错，从而导致采集的数据误差增大。
（2）输出系统。一旦受到干扰，将使各输出信号混乱，不能正常反应单片机系统的真实输出。但一般单片机输出电路都具有较高的电平，不易受到干扰，需要注意的是其对其他电路的干扰影响。
（3）CPU系统。该干扰主要是由CPU内部时钟和噪声引起的，它可使单片机系统总线上的数字信号错乱，CPU得到错误的地址信号，使程序跑飞或死循环，导致输出错误，并将这个错误一直传递，造成系统失败。
2.3 敏感器件
在星载仪器单片机系统中，通常会用到一些如A/D、D/A变换器、弱信号放大器等容易被干扰的器件，也是产生干扰的重要原因。
3 单片机常用抗干扰技术
抗干扰就是针对干扰产生的性质、传播途径、侵入位置和侵入形式等，采取相应的方法来消除干扰源，抑制传播途径，减弱电路或元器件对噪声干扰的敏感性，使单片机系统能正常稳定地运行。
3.1 抑制干扰源的干扰作用
针对不同的干扰源采取相应的措施，抑制干扰作用。
（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。
（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路，一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF，减少电火花影响。
（3）尽可能将干扰源（与电机、继电器）与敏感器件（单片机）远离。
3.2 硬件干扰抑制技术
硬件抗干扰具有效率高的特点，只要合理布置与选择有关参数，适当的硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰。
3.2.1 电源抗干扰设计
单片机系统对电源噪声很敏感，电源的通断、瞬时短路及电网串进来的干扰脉冲都会造成单片机误动作。主要措施为给电源加滤波电路和稳压器，以减少干扰。
3.2.2 屏蔽干扰技术
在空间环境中，由于受空间带电粒子辐射，会造成抗辐射能力较低的器件发生翻转或锁定，严重时会使器件失效。可采用铝皮或钽皮遮挡，进行屏蔽加固。
星载仪器中，高灵敏的弱信号探测探头引线应用屏蔽线，避免外界信号的干扰。将可能产生电磁脉冲的部件如高压电源，以及灵敏度较高的部件如前置放大器等用金属罩屏蔽，以减少干扰。
3.2.3 隔离抗干扰技术
隔离一方面可把外来的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。另一方面可将两条信号线隔开，使彼此的串扰尽可能小，常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。
a.光电隔离使用光电耦合器来完成，光电耦合器其输入端和输出端的电信号是以光为媒介进行间接耦合的，因而具有较高的电气隔离和干扰抑制能力，除此之外它还能起到很好的安全保障作用，因为在输入输出回路间有很高的耐压值。
b.脉冲变压器可实现数字信号隔离，脉冲变压器匝数少，且一次和二次绕组分别缠绕在铁氧体磁心的两侧，分布电容仅有几pF，所以可作为脉冲信号的隔离器件。
c.继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，故可利用继电器的线圈接受电气信号，利用触点发送和输出信号，避免弱电和强电信号间的直接接触，实现干扰隔离。
目前，单片机系统在星载仪器中担负着非常重要的任务，星载仪器往往处于复杂的空间环境之中，存在着大量的干扰源，如高能带电粒子主要通过单粒子效应对单片机系统构成影响，使其发生单粒子翻转事件，将导致程序走向混乱，使系统无法正常工作。因此，在系统设计上充分考虑抗干扰设计，提高系统的可靠性尤为重要。对于单片机系统而言，干扰有两种，一是来源于系统外部环境和其它电气设备产生的干扰，通过传导和辐射等途径影响单片机系统正常工作；二是来源于系统内部，由系统结构、制造工艺等决定以及内部元器件在工作时产生干扰，通过地址、电源线、信号线、分布电容等传输，影响系统工作状态。单片机系统抗干扰措施主要从硬件、软件两个方面展开避错、容错设计，以提高系统的可靠性。
2 干扰产生的原因
2.1 干扰源
干扰源是指产生干扰的元件、设备或信号。产生的干扰包括：
（1）电磁干扰，如继电器开关启动、静电放电、电网电压波动等都可能引起不同程度的瞬变浪涌电压，会造成IC和半导体器件PN结烧毁、氧化层击穿等。
（2）人为干扰，如机械振动、继电器触点抖动、元器件安装和电路板布线引起的电磁耦合、接插件接触不良、虚焊、放大器自激、电源纹波等。
（3）环境因素干扰，如噪声和环境温湿度、以及太阳黑子的变化，空间粒子辐射等。
2.2干扰传输途径
干扰对单片机系统的影响主要通过三种途径传输，包括：
（1）输入系统。一般情况下，星载仪器的检测对象往往是微弱物理信号，通过放大的运放电路和高精度A/D转换电路组成。如串入干扰，会使输入的模拟信号失真，数字信号出错，从而导致采集的数据误差增大。
（2）输出系统。一旦受到干扰，将使各输出信号混乱，不能正常反应单片机系统的真实输出。但一般单片机输出电路都具有较高的电平，不易受到干扰，需要注意的是其对其他电路的干扰影响。
（3）CPU系统。该干扰主要是由CPU内部时钟和噪声引起的，它可使单片机系统总线上的数字信号错乱，CPU得到错误的地址信号，使程序跑飞或死循环，导致输出错误，并将这个错误一直传递，造成系统失败。
2.3 敏感器件
在星载仪器单片机系统中，通常会用到一些如A/D、D/A变换器、弱信号放大器等容易被干扰的器件，也是产生干扰的重要原因。
3 单片机常用抗干扰技术
抗干扰就是针对干扰产生的性质、传播途径、侵入位置和侵入形式等，采取相应的方法来消除干扰源，抑制传播途径，减弱电路或元器件对噪声干扰的敏感性，使单片机系统能正常稳定地运行。
3.1 抑制干扰源的干扰作用
针对不同的干扰源采取相应的措施，抑制干扰作用。
（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。
（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路，一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF，减少电火花影响。
（3）尽可能将干扰源（与电机、继电器）与敏感器件（单片机）远离。
3.2 硬件干扰抑制技术
硬件抗干扰具有效率高的特点，只要合理布置与选择有关参数，适当的硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰。
3.2.1 电源抗干扰设计
单片机系统对电源噪声很敏感，电源的通断、瞬时短路及电网串进来的干扰脉冲都会造成单片机误动作。主要措施为给电源加滤波电路和稳压器，以减少干扰。
3.2.2 屏蔽干扰技术
在空间环境中，由于受空间带电粒子辐射，会造成抗辐射能力较低的器件发生翻转或锁定，严重时会使器件失效。可采用铝皮或钽皮遮挡，进行屏蔽加固。
星载仪器中，高灵敏的弱信号探测探头引线应用屏蔽线，避免外界信号的干扰。将可能产生电磁脉冲的部件如高压电源，以及灵敏度较高的部件如前置放大器等用金属罩屏蔽，以减少干扰。
3.2.3 隔离抗干扰技术
隔离一方面可把外来的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。另一方面可将两条信号线隔开，使彼此的串扰尽可能小，常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。
a.光电隔离使用光电耦合器来完成，光电耦合器其输入端和输出端的电信号是以光为媒介进行间接耦合的，因而具有较高的电气隔离和干扰抑制能力，除此之外它还能起到很好的安全保障作用，因为在输入输出回路间有很高的耐压值。
b.脉冲变压器可实现数字信号隔离，脉冲变压器匝数少，且一次和二次绕组分别缠绕在铁氧体磁心的两侧，分布电容仅有几pF，所以可作为脉冲信号的隔离器件。
c.继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，故可利用继电器的线圈接受电气信号，利用触点发送和输出信号，避免弱电和强电信号间的直接接触，实现干扰隔离。
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