单片机现场应用中的几个技术问题.pdf

### 单片机现场应用中的关键技术问题 #### 一、选型与系统配置 ##### 1.1 选用低功耗系列单片机 在设计低功耗的应用系统时，选择合适的单片机至关重要。MCS-51单片机有两种主要的工艺状态：HMOS（高密度金属氧化物半导体）和CHMOS（互补金属氧化物半导体）。HMOS类型的单片机由于运行功耗较高，不适合应用于需要低功耗的应用场景。这类单片机虽然支持掉电模式来降低功耗，但在实际应用中仍然存在较高的能耗。相比之下，CHMOS类型的单片机专门针对低功耗应用设计，能够通过编程特殊功能寄存器PCON来实现待机或掉电工作方式，有效降低整体功耗。因此，在设计低功耗系统时，不仅应选择低功耗型单片机，还应在外围电路中采用低功耗芯片和器件，例如27C64存储器和74HC373锁存器。 ##### 1.2 选用低噪声系列单片机 在集成电路设计过程中，将电源和地线设置在相邻的引脚上有助于降低芯片内部的电流波动，从而减少噪声。此外，一些单片机内部集成了大电流输出引脚，这些引脚能够驱动数十到数百毫安的电流，尽管提供了强大的驱动能力，但也成为噪声源。为了减少此类噪声，可以采用跳变沿软化技术，通过逐渐改变信号状态来降低噪声水平。选择低噪声单片机并在设计时考虑噪声控制策略对于提高系统的稳定性和可靠性非常重要。 ##### 1.3 降低外时钟频率 外时钟是单片机系统中的一个重要噪声源，其高频特性不仅会影响系统的稳定性，还可能导致电磁兼容性问题。在对系统可靠性要求极高的应用环境中，选择较低频率的单片机可以显著减少噪声干扰。例如，8051单片机在最短指令周期1μs的情况下，需要12MHz的外时钟；而同样速度的Motorola单片机仅需4MHz的时钟频率即可满足需求，更适合于工业控制系统。 #### 二、抗干扰措施 ##### 2.1 硬件抗干扰措施 **2.1.1 接地** 良好的接地是提高单片机系统抗干扰能力的基础。这里的接地通常指的是接大地，即保护地。电源的地称为逻辑地，逻辑地和大地之间的连接关系可以根据应用场景的不同采取不同的方式，比如直接相连、浮空或通过电阻连接。但是，绝对不能将地线随意接到暖气管或其他非接地物体上，也不能将接地线与动力线的零线混淆。 **2.1.2 隔离与屏蔽** - **光电隔离**：使用光电隔离器件将单片机的输入输出信号隔离开，可以有效防止外部干扰进入系统，同时也可以阻止系统内部产生的噪声以传导的方式向外传播。 - **屏蔽**：对于容易产生噪声的部件（如开关电源），可以使用金属盒进行物理隔离，以减少对单片机系统的干扰。对于特别容易受到干扰的模拟电路（如高灵敏度的弱信号放大电路），也可以采用金属屏蔽的方法，并确保屏蔽层真正接地。 **2.1.3 印制电路板的布线与工艺** - **合理分区**：根据电路的功能特性，将印制电路板分为模拟电路区、数字电路区和功率驱动区，并保持适当的距离以减少相互间的干扰。 - **噪声元件与非噪声元件分离**：将噪声源与敏感元件保持一定距离，以减少噪声的影响。 - **特殊区域处理**：对于特殊的高速逻辑电路部分，可以使用地线包围，减少周围的电场干扰。 - **合理布线**：采用45°折线布线而非90°折线，以减少高频信号的辐射。 - **时钟线布局**：时钟线应尽量垂直于I/O线，避免平行排列以减少干扰。 - **A/D器件处理**：数字部分与模拟部分不应交叉，以避免噪声耦合。 通过以上方法，可以在一定程度上增强单片机系统的抗干扰能力和可靠性。