一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展,，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元,，如 ROM、RAM,、I/O,、定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí),，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展,，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路,。二是系統(tǒng)的配置,，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤,、顯示器,、打印機(jī)、A/D,、D/A 轉(zhuǎn)換器等,，要設(shè)計(jì)合適的接口電路,。

　　系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則：

　　1、盡可能選擇典型電路,，并符合單片機(jī)常規(guī)用法,。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ),。

　　2,、系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地,，以便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),。

　　3、硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮,。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響,，考慮原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)殃，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu),。但必須注意,，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時(shí)間比硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng),，且占用 CPU 時(shí)間,。

　　4、系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配,。如選用 CMOS 芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí),，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。

　　5,、可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)必不可少的一部分,，它包括芯片、器件選擇,、去耦濾波,、印刷電路板布線、通道隔離等,。

　　6,、單片機(jī)外圍電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力,。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí),，系統(tǒng)工作不可靠，可通過(guò)增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力或減少芯片功耗來(lái)降低總線負(fù)載,。

　　7,、盡量朝“單片”方向設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強(qiáng),，功耗也增大,，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著單片機(jī)片內(nèi)集成的功能越來(lái)越強(qiáng),，真正的片上系統(tǒng) SoC 已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn),，如 ST 公司新近推出的μPSD32××系列產(chǎn)品在一塊芯片上集成了 80C32 核、大容量 FLASH 存儲(chǔ)器,、SRAM,、A/D、I/O,、兩個(gè)串口,、看門狗、上電復(fù)位電路等等,。

　　單片機(jī)系統(tǒng)硬件抗干擾常用方法實(shí)踐

　　影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾,，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇,、安裝,、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素,，常會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常,，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會(huì)導(dǎo)致事故,，造成重大經(jīng)濟(jì)損失,。

　　形成干擾的基本要素有三個(gè)：

　?。?）干擾源,。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào),，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述如下：du/dt,， di/dt 大的地方就是干擾源。如：雷電,、繼電器,、可控硅、電機(jī),、高頻時(shí)鐘等都可 能成為干擾源,。

　　（2）傳播路徑,。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介,。典型的干擾傳 播路徑是通過(guò)導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。

　　（3）敏感器件,。指容易被干擾的對(duì)象,。如：A/D、D/A 變換器,，單片機(jī),，數(shù)字 IC， 弱信號(hào)放大器等,。

　　干擾的分類

　　1. 干擾的分類

　　干擾的分類有好多種,，通常可以按照噪聲產(chǎn)生的原因,、傳導(dǎo)方式,、波形特性等等進(jìn)行不同的分類。按產(chǎn)生的原因分：

　　可分為放電噪聲音,、高頻振蕩噪聲,、浪涌噪聲。

　　按傳導(dǎo)方式分：可分為共模噪聲和串模噪聲,。

　　按波形分：可分為持續(xù)正弦波,、脈沖電壓、脈沖序列等等,。

　　2. 干擾的耦合方式

　　干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)是通過(guò)一定的耦合通道才對(duì)測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)生作用的,。因此，我有必要看看干擾源和被干擾對(duì)象之間的傳遞方式,。干擾的耦合方式,，無(wú)非是通過(guò)導(dǎo)線、空間,、公共線等等,，細(xì)分下來(lái)，主要有以下幾種：

　?。?）直接耦合：

　　這是最直接的方式,，也是系統(tǒng)中存在最普遍的一種方式。比如干擾信號(hào)通過(guò)電源線侵入系統(tǒng),。對(duì)于這種形式,，最有效的方法就是加入去耦電路。從而很好的抑制,。

　?。?）公共阻抗耦合：

　　這也是常見(jiàn)的耦合方式，這種形式常常發(fā)生在兩個(gè)電路電流有共同通路的情況,。為了防止這種耦合,，通常在電路設(shè)計(jì)上就要考慮。使干擾源和被干擾對(duì)象間沒(méi)有公共阻抗。

　?。?）電容耦合：

　　又稱電場(chǎng)耦合或靜電耦合 ,。是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的耦合。

　?。?）電磁感應(yīng)耦合：

　　又稱磁場(chǎng)耦合,。是由于分布電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的耦合。

　?。?）漏電耦合：

　　這種耦合是純電阻性的,，在絕緣不好時(shí)就會(huì)發(fā)生。

　　常用硬件抗干擾技術(shù)

　　針對(duì)形成干擾的三要素,，采取的抗干擾主要有以下手段,。

　　1. 抑制干擾源

　　抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的 du/dt，di/dt,。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則,，常常會(huì)起到事半功倍的效果。減小干擾源的 du/dt 主要是通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn),。減小干擾源的 di/dt 則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn),。

　　抑制干擾源的常用措施如下：

　　（1）繼電器線圈增加續(xù)流二極管,，消除斷開(kāi)線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾,。僅加 續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開(kāi)時(shí)間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可 動(dòng)作更多的次數(shù),。

　?。?）在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路（一般是 RC 串聯(lián)電路，電阻一般選幾 K 到幾十 K,，電容選 0.01uF）,，減小電火花影響。

　?。?）給電機(jī)加濾波電路,，注意電容,、電感引線要盡量短,。

　　（4）電路板上每個(gè) IC 要并接一個(gè) 0.01μF～0.1μF 高頻電容,，以減小 IC 對(duì)電源的 影響,。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短,，否則,，等于增大了電 容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果。

　?。?）布線時(shí)避免 90 度折線,，減少高頻噪聲發(fā)射。

　?。?）可控硅兩端并接 RC 抑制電路,，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲（這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅擊穿的）。

　　2. 切斷干擾傳播路徑

　　按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類,。

　　所謂傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾,。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過(guò)在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播,，有時(shí)也可加隔離光耦來(lái)解決,。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理,。

　　所謂輻射干擾是指通過(guò)空間輻射傳播到敏感器件的干擾,。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距，用地線把它們隔離和在敏感器件上加 蔽罩,。

　　切斷干擾傳播路徑的常用措施如下：

　?。?）充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好,，整個(gè)電路的抗干擾就 解決了一大半,。

　　許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感，要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器,，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾,。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路,，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用 100Ω電阻代替磁珠,。

　　（2）如果單片機(jī)的 I/O 口用來(lái)控制電機(jī)等噪聲器件,，在 I/O 口與噪聲源之間應(yīng)加隔離（增加π形濾波電路）,。

　　（3）注意晶振布線,。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近,，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定,。

　?。?）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng),、弱信號(hào),，數(shù)字,、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源（如電機(jī),、繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離,。

　　（5）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離,。數(shù)字地與模擬地要分離,，最后在一點(diǎn)接于電源地。A/D,、D/A 芯片布線也以此為原則,。

　　（6）單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地,，以減小相互干擾,。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

　?。?）在單片機(jī) I/O 口,、電源線、電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠,、磁環(huán),、電源濾波器、屏蔽罩,，可顯著提高電路的抗干擾性能,。

　　3. 提高敏感器件的抗干擾性能

　　提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲 的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法,。

　　提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：

　?。?）布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲,。

　?。?）布線時(shí)，電源線和地線要盡量粗,。除減小壓降外,，更重要的是降低耦 合噪聲。

　?。?）對(duì)于單片機(jī)閑置的 I/O 口,，不要懸空，要接地或接電源,。其它 IC 的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源,。

　　（4）對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路,，如：IMP809,，IMP706，IMP813,， X5043,，X5045 等，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能,。

　?。?）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路,。（6）IC 器件盡量直接焊在電路板上,，少用 IC 座。

　　4. 其它常用抗干擾措施

　　交流端用電感電容濾波：去掉高頻低頻干擾脈沖,。

　　變壓器雙隔離措施：變壓器初級(jí)輸入端串接電容,，初、次級(jí)線圈間屏蔽層與初級(jí)間電容中心接點(diǎn)接大地,，次級(jí)外屏蔽層接印制板地,，這是硬件抗干擾的關(guān)鍵手段。

　　次級(jí)加低通濾波器：吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓,。

　　采用集成式直流穩(wěn)壓電源：因?yàn)橛羞^(guò)流,、過(guò)壓、過(guò)熱等保護(hù),。I/O 口采用光電,、磁電、繼電器隔離,，同時(shí)去掉公共地,。

　　通訊線用雙絞線：排除平行互感。防雷電用光纖隔離最為有效,。

　　A/D 轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換：減少誤差,。

　　外殼接大地：解決人身安全及防外界電磁場(chǎng)干擾。加復(fù)位電壓檢測(cè)電路,。防止復(fù)位不充份,，CPU 就工作，尤其有 EEPROM 的器件,，復(fù)位不充份會(huì)改變 EEPROM 的內(nèi)容,。

　　印制板工藝抗干擾：

　　①電源線加粗,，合理走線,、接地，三總線分開(kāi)以減少互感振蕩,。

　?、贑PU,、RAM、ROM 等主芯片,，VCC 和 GND 之間接電解電容及瓷片電容,，去掉高、低頻干擾信號(hào),。

　?、郦?dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少接插件與連線,，提高可靠性,，減少故障率。

　?、芗蓧K與插座接觸可靠,，用雙簧插座，最好集成塊直接焊在印制板上,，防止器件接觸不良故障,。

　　⑤有條件采用四層以上印制板,，中間兩層為電源及地,。