嵌入式系统综合抗干扰技术

摘要:嵌入式系统的抗干扰设计是一项系统工程,笔者从实际应用中总结出一套针对嵌入式系统软硬结合的综合抗干扰技术,具有很强的参考价值。

Abstract: The anti-interference design of embedded system is a systematic project. Basing on the working practice, the author concludes a combination of flex and rigid combination comprehensive anti-interference techniques for embedded system.

关键词:嵌入式系统;抗干扰技术;软硬结合

Key words: embedded system; anti-interference techniques; rigid-flex combination

中图分类号:TN97 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)27-0234-02

0引言

当前嵌入式系统发展如日中天,关于嵌入式系统设计的资料也是满天飞,但是关于嵌入系统的抗干扰技术却鲜见全面的论述,笔者从实际应用中总结出一套针对嵌入式系统软硬结合的综合抗干扰技术,具有很强的参考价值。嵌入式系统的抗干扰是一项系统工程,要综合考虑,软硬结合,因地制宜,才能达到理想的效果。

总的来说,嵌入式系统的抗干扰设计应采用以硬件为主,软件为辅,软硬结合的方法。因为软件的抗干扰是被动的,只有在程序异常出现后,或复位或执行其它相关操作;而硬件抗干扰却是主动的隔离外部干扰,保证系统的稳定运行。当然,一些软件的抗干扰技术也会对软件本身的BUG具有很好的纠正作用,那就另做它论了。

1硬件干扰分析与对策

在分析硬件干扰的时候,我们要分清三个主体:干扰源,干扰途径与扰设备。如图1所示,搞清楚了这三个主体,我们就可以有的放矢,无往而不胜。

就干扰源而言,分系统内部干扰源与外部干扰源,在系统内部应区分哪些是高频信号,哪些是低频信号,哪些是大电流电路,哪些是小电流电路,以便在电路设计时有针对性的进行处理。而对干扰途径,无非是传导、近场感应与远场辐射。对传导干扰就在传输线路中对干扰信号进行阻挡或滤除,而对付感应与辐射干扰的重要手段就是屏蔽。另外,热干扰也是不可忽视的一种,设计时要注意发热器件对注意器件的影响,并注意隔离。

对于传导干扰,通常的采用的技术有滤波技术、吸收技术、隔离技术等。滤波技术的主要实现方式是结构各异、特性不同的滤波器,包括电容滤波器,电感滤波器,电感电容滤波器,电阻电容滤波器等。在使用滤波器时,要对有用和无用的信号进行透彻的分析,至少要明确有用的信号的频率特征,以便有的放矢,合理的选择滤波器的截止频率,控制滤波器的斜率、纹波与漂移,同时还要考虑滤波器的阻抗匹配问题与插入损耗。另一种抑制传导干扰的器件是铁氧体磁珠,又称屏蔽珠(Shield bead)、抗干扰珠(Anti-interference bead),或者电磁/射频干扰抑制器(EMI/RFI suppressor)。与大多数滤波器将干扰信号反射回源端或转换成电场、磁场可能形成二次干扰不同,铁氧体磁珠在高频段呈现为阻性,可将干扰信号转化热量,具有较好的高频抗干扰作用。由于它容易使用,抑制效果好,价格便宜和占用空间小等诸多优点,当前应用十分广泛。隔离技术也通常用来抑制传导干扰,其实质是彻底切断干扰的传输通道,以达到抗干扰的目的。常用的隔离方法有光电隔离、继电器隔离与变压器隔离等,使用时应根据不同的信号选择不同的隔离方法。

对于感应与辐射干扰,主要靠屏蔽技术。屏蔽技术能有效地抑制通过自由空间传播的电磁干扰,通过屏蔽技术,可以限制系统内部对外部元件和装置的干扰,同时也防止来自系统外部的干扰进入系统。按其原理,屏蔽可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。为了抑制由电场感应引起的干扰,应采取以下措施:

增大扰电路与干扰源间的距离,以减小两者之间的分布电容;尽量使扰线路贴近地平面,以增大其对地电容;在扰电路与干扰源间之间插入金属薄板,实施屏蔽。

对磁场进行屏蔽则主要采取高磁导率材料屏蔽体、反向电流及涡流实现。提高磁场屏蔽效果,屏蔽体的材料和开关是关键。对于电磁波来说,电场分量与磁场分量总是同时存在的,所以在屏蔽电磁波时,必须同时对电场和磁场进行屏蔽。电磁波屏蔽的关键是选择合适的屏蔽体。屏蔽体之所以能阻止电磁波的传播,是因为电磁波在穿越屏蔽体时发生了能量的反射衰减和吸收衰减。实际屏蔽体的屏蔽效能是由构成屏蔽体的材料和屏蔽体的结构决定的,这些因素包括:屏蔽材料的导电性越高越好;屏蔽材料的导磁性越高越好;屏蔽材料的厚度越厚越好;屏蔽体上导电不连续点越少越好。

2软件抗干扰技术

尽管采取了硬件抗干扰措施,但由于干扰信号产生的原因很复杂,且具有很大的随机性,所以很难保证系统完全不受干扰。因此,通常在采取了硬件抗干扰措施的基础上,同时采取软件抗干扰措施加以补充,做硬件措施的辅助手段。软件抗干扰方法灵活方便,易于实施,在嵌入式系统抗干扰设计中应用非常普遍。

软件抗干扰技术是当系统受干扰后,使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪求真的一种辅助方法,其主要研究内容,其一是采取软件的方法抵制叠加在输入信号上的噪声的影响,如数字滤波技术;其二是由于干扰而使运行程序发生混乱,导致程序乱飞或陷入死循环时,采取使程序纳入正轨的措施,如软件冗余、软件陷阱及看门狗技术。常用的软件抗干扰措施为:

数字滤波;输入口信号重复检测;输出端口数据连续刷新及回采;软件拦截技术(指令冗余、软件陷阱);看门狗技术等。

关于上述几种软件抗干扰措施的具体实施方法有很多资料可以参考,有兴趣的读者可查阅相关资料,受篇幅限制,此处不再深入讲解。

下面笔者想详细地谈谈故障自动恢复处理程序。嵌入式系统的微处理器因干扰而失控导致程序乱飞、死循环、甚至使某些中断关闭。我们采用指令冗余、软件陷阱和看门狗技术,使系统尽快摆脱失控状态而转到初始入口0000H。一般说来,因干扰故障转入0000H后,控制过程并不要求从头开始,而要求转入相应的控制模块。程序乱飞期间,有可能破坏内部RAM和外部RAM中的一些重要信息,因此必须经检查之后方可使用。程序转入0000H有两种方式,一种是上电复位,一种是故障复位(如看门狗复位),这两种入口方式要加以区分。所有这些,都是故障自动恢复处理程序要研究的内容。

故障恢复后,首先要结合不同微处理器的硬件特征,检查上电标志,以确定复位类型。其次,利用备份RAM对重要参数区进行自我检验和恢复。值得一提的是,软件在设置备份数据时应尽可能的分散,并远离堆栈区,同时尽量增加备份的数量,因为备份数量越多,可靠性越高。一般来说,嵌入式系统的程序是由若干功能模块组成,只要每个功能模块设置一个标志,在系统故障恢复后,可根据这些标志选择进入相应的功能模块。

综上,结合硬件与软件抗干扰技术,我们对嵌入式系统的抗干扰技术进行了系统而又全面的分析,在实际设计中,一定要统筹兼顾,软硬兼施,综合各种抗干扰技术,结合产品自身特点,有针对性的实施,只有这样,才能达到最佳效果。