基于单片机的遥控系统的抗干扰分析和实现

摘 要：针对基于单片机的遥控系统放入现场工作环境后受干扰严重的现象,认真分析产生干扰的原因,详细介绍了怎样通过实验现象查找干扰原因的途径,进而提出了提高基于单片机的遥控系统抗干扰性能的解决方案。

关键词：单片机；遥控；无线通信；抗干扰

中图分类号：TP33,TN972 文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)0101003オ

Analysis and Implement of Anti[CD*2]jamming Measure in

Remote Control System Based on Single Chip

WANG Linli1,QIAO Zhi 2

(1.Information Technology College,Hebei University of Economics and Business,Shijiazhuang,050061,China;

2.Shijiazhuang Railway Institute,Shijiazhuang,050043,China)

オ

Abstract：In the work environment,there may exist large amount of electromagnetism disturbance in the remote control system which is based on single chip microprocessor.The essay is aimed at carefully analyzing the cause producing the disturbance.It also introduces that how the phenomenon produce and seek the approach to resolve it effectively,and then puts forward some proposals to improve the anti[CD*2]jamming ability of the system.

Keywords：single chip microprocessor;remote control;wireless communication;anti[CD*2]jamming

オ

1 引 言

从事过单片机应用系统工作的研究人员都有这样的体会：所设计的单片机控制系统在实验室反复实验都可以得到很好的预期效果,然而把系统放到实际现场运行时却不能工作。我们课题组研制的基于单片机的遥控系统就遇到了这样的问题,原因是工作现场比实验室环境恶劣,系统受到了各种各样的干扰,系统必须增加一些有效的抗干扰措施才能正常运行。有时后期的抗干扰工作比前期的设计工作还要艰巨,花费的时间还要多,所以抗干扰技术非常重要,抗干扰措施是否运用得当直接关系到系统的稳定性和可靠性。

关于单片机应用系统抗干扰方面的介绍很多,根据多年的设计经验,在设计该系统过程中我们全面考虑了系统的硬件和软件抗干扰措施。硬件方面,设计电路时在数字量通道采用光电隔离,模拟量通道采用滤波电路,采用抗干扰稳压电源等；设计印刷电路板时综合考虑了各种因素,采取了有效的抗干扰措施,比如：在各个关键部位配置去耦电容；信号线路和强电控制线路、电源线路分开走线等。软件方面,采用了针对该系统的有效的软件抗干扰措施,包括利用冗余指令、利用软件陷阱、设置软件看门狗等,另外为保证传输数据的可靠性,减少系统的随机干扰对结果的影响,在软件设计上对实时数据采用表决法,对一个数据连续采样3次,进行比较,如果有两次是相同的,信号会被执行,否则不执行。

在设计过程中,我们就已经考虑了抗干扰问题,然而即使根据多年的实践经验采用了很多诸如上述的软硬件抗干扰方法,将系统放入现场环境中运行后仍出现很多意想不到的问题。本文针对该遥控系统放入现场工作环境后,通过观察由干扰引起的现象,从而分析产生干扰的原因,详细介绍了怎样通过实验现象查找干扰原因的途径,进而提出了提高单片机应用系统抗干扰性能的解决方案。

2 基于单片机的遥控系统的功能介绍及工作原理

该遥控系统以单片机系统为基本控制单元,构成无线传输系统、速度调节系统等,在3 km外控制运动目标的启动、速度、往返、停止。在运动目标的运行过程中可根据需要随机调节速度,调速范围为7~25 km/h。所有这些状态均由单片机控制实现,由键盘输入控制参数,经过单片机运算与处理,通过无线数传模块完成对参数的无线传输、运行状态以及调速设备的控制,从而达到遥控运行的目的。

3 抗干扰电路与放大电路

由于信号在传输过程中会受到各种干扰的作用,因此,无论是数字量输入输出通道还是模拟量输入输出通道,都要增加抗干扰电路。所以,D/A转换器输出的电压信号对直流调速器实施控制之前要经过一段抗干扰电路。光电耦合器可以构成有效的抗干扰电路,但是光电耦合器的特性是非线性的,而且温度系数大,用来传送模拟量会产生较大的非线性失真及温度漂移,所以此处不采用光电耦合器进行隔离,而采用线性光耦。具体连接如图1所示。

K3,K2为光耦电流传输比。

由计算公式可以看出,实现线性光隔输出的前提是K10足够大,并且,K3=K2,R3=R2。

89C51的P1口对执行机构进行控制,他输出控制靶车运行状态的前进、后退、停止、启动等命令,通过控制状态继电器,使线路断开或连通,驱动靶车运行。在单片机与执行机构之间,我们利用了隔离放大器中的光电耦合来实现抗干扰。

4 系统运行中由干扰引起的现象及抗干扰分析

系统的软、硬件抗干扰措施按常规方式都采用后,系统开始放入现场环境中运行,仍然发生了很多故障,绝大多数是干扰的原因,作者挑选了几个典型的现象进行分析和解答,希望能和进行单片机应用研究的学者相互探讨。

[HTF]现象1[HTSS] 将89C51芯片嵌入印刷电路板中上电运行,程序没有反应。然而将89C51单片机芯片取下,换作仿真器运行时,程序开始执行；或者电路板上电后,先按下复位键,程序也会正常执行。

分析：单片机系统中的I/O接口芯片的复位端口与单片机的复位端口连在一起,统一复位。接口芯片由于生产厂家不同,复位时间也稍有不同；复位线较长而有较大的分布电容,导致这些接口的复位过程滞后于单片机。工程实践表明,当单片机复位结束立即对这些I/O芯片进行初始化操作时,往往导致失败。

[HTF]现象2[HTSS] 执行状态不稳定,比如按下前进键有时系统会执行,而按过若干次后不再执行。这时查看程序发现程序跑飞,应该是本地控制状态,却进入远程控制程序。

分析：本地状态或远程状态的给定是通过P0.3口输入的,P0.3口是“0”时为远程控制状态,是“1”时为本地控制状态。在数字电路中,当信号由一个状态转换成另一个状态时,会产生瞬变干扰。从P0.3口输入的状态由于干扰的作用发生了变化,使判断出错,程序跑飞。用示波器观察P0.3端口的变化,发现有瞬时脉冲,此瞬时脉冲很窄,习惯上,如果脉冲噪声的脉宽比有用脉冲宽度小很多,称这种脉冲为窄脉冲噪声。

[HTF]现象3[HTSS] 程序开始上电执行,当进行到双方开始通讯时,发送方无线数传模块始终处于发送数据状态,接收方无线数传模块始终处于接收数据状态,无线数传不再进行。

分析：无线数传模块要被正确应用才可以正确传输数据。他要求发送模块与接收模块的工作频率一致,且目的地址和身份地址互为对应。由于干扰的作用,无线数传模块的目的地址被修改,使发送模块发送数据时找不到目的地。

现象4 按下前进、后退等键若干次后,继电器不再吸合,程序有时会自动回复到初始化,有时会有误动作。比如：按下“前进键”时,控制“前进”状态的接触器的线圈吸合一下又迅速弹开,反而控制“后退”状态的接触器的线圈吸和。

分析：查找原因的过程是从一个最简程序开始的,这个最简程序只能完成简单的前进、后退、停止操作,即使这样,上述状况仍然存在,这样排除了软件错误的可能。把硬件电路回复到最简状态,仅保留最基本的功能,上述状态依然存在,至此判定是干扰的原因。为了减小干扰,在各芯片的电源与地之间加电容滤波,发现加的电解电容的容量越大,系统出现此故障越快,相反,电解电容容量越小,可以执行的次数越多,据此判定是高频干扰,因电解电容本身具有一定电感,对高频滤波效果不好。把无线数传模块拿开,系统执行明显好转,在此时模块靠近单片机系统,并使其外壳重新接地时,系统回复到原来状态。至此判定,干扰源来自无线数传模块,并且是高频干扰。无线数传模块不仅极易受到外部的干扰,而且他本身也是一个强大的干扰源,他发出的电磁波侵入微机系统,作用在输入系统上,使模拟信号失真,数字信号出错,微机系统根据这种输入信息作出的反应必然是错误的；作用在输出系统上,使各输出信号混乱,不能正常反应微机系统的真实输出,从而导致一系列错误动作,对于控制系统来说,其输出将控制执行机构,使其做出一些不正确的动作；作用在微机系统的内核,使三总线上的数字信号混乱,CPU得到错误的地址信息后,引起程序计数器PC出错,使程序运行离开正常轨道,导致程序失控。

5 基于单片机的遥控系统的硬件抗干扰解决方案

前面提到了一些在现场运行是系统出现的故障,针对这些现象,我们采取了一些抗干扰措施,有效地保证了系统的正常运行。

现象1解决方案 当单片机进入0000H地址后,首先执行约2 ms的软件延时,然后再对这些I/O芯片进行初始化。

现象2解决方案 在P0.3端口与地之间加入RC滤波环节,利用RC的低通特性滤掉窄脉冲噪声。RC的时间常数根据经验一般须大于现场可能出现的噪声最大脉宽10倍左右,小于信号脉宽的1/10,只有这样才能达到既能抑制噪声,又不致于使信号丢失的目的。本例中有效信号实际为一个电平状态,频率极低,故滤波时间常数可选大一些。

现象3解决方案 无线数传模块很容易受到外界干扰。外部干扰侵入无线数传模块,会改变模块工作频率、身份地址或目的地址,使模块不能进行正常通讯。为使模块具有较好的抗干扰能力,采取了以下措施：

(1) 将无线数传模块与外部连接的电源线和数字信号线均换成金属编织屏蔽线,金属编织网作屏蔽层,内心作信号线。屏蔽层起静电屏蔽作用,屏蔽层与5 V电源共地。

(2) 万一再次出现模块参数被修改的情况,为使无线数传能继续进行,设置一个故障检测键,当按下此键时,重新对模块参数进行设置。

现象4解决方案 既然通过分析得知干扰源为无线数传模块,我们对无线数传模块采用了以下措施,使其不再干扰其他信号的输入与输出：

无线数传模块与微机系统的供电线路分开供电；

无线数传模块的电源并接滤波电容；

将无线数传模块浮置起来；

对微机系统进行电磁屏蔽。

6 结 语

对抗干扰的分析和实现是单片机应用系统设计过程中的重要环节,尤其对于工作环境恶劣,又需要远程控制的情况,采取有效的抗干扰措施显得尤其重要。本文在实践的基础上,经过反复现场实验和理论认证,对于在进行基于单片机的遥控系统的设计中,遇到的干扰问题进行了详细的分析和总结,给出了行之有效的解决方案,保证了数据和命令的准确、及时地传输,使系统能够安全、可靠的运行。

参 考 文 献

［1］孟庆建,张恭孝.单片机系统的电磁兼容问题[J].自动化仪表,2004,25(4)：63-65.

［2］黄昌明,韩九强,昌明.基于无线通信的远程测控系统的研究[J].计算机自动测量与控制,2001,9(6)：14-16.

［3］何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990.

作者简介 王琳丽 女,1977年出生,河北石家庄人。研究方向为电工理论与新技术。

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”