CN103454949A - 一种抗干扰自调整微控制器系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗干扰自调整微控制器系统及其控制方法，通过设置在微控制器内部的A/D转换器，进行实时的电磁干扰检测，并能降低输入微控制器的信号干扰。本发明提供的抗干扰自调整微控制器系统，包括微控制器、电源、传感器和抗干扰电路，电源为微控制器供电，传感器通过抗干扰电路与微控制器连接；所述微控制器内设置有中央处理器、寄存器、第一A/D转换器和第二A/D转换器，所述第一A/D转换器和第二A/D转换器和寄存器相连，所述中央处理器从寄存器中提取数据；所述抗干扰电路包括低通滤波器、高通滤波器、峰值检波器、耦合电容和参考电压。

Description

一种抗干扰自调整微控制器系统及其控制方法

 

技术领域

    本发明属于电磁兼容和汽车自动控制技术领域，尤其是涉及一种能够有效抗干扰的微控制器系统及其控制方法。

 

背景技术

电子控制系统通常由传感器、微控制器（如单片机、数据处理器）和执行装置组成，电子控制系统能够采集各种信号，通过微控制器进行运算处理后，驱动各种执行装置实现复杂的自动控制。例如，汽车控制系统中的发动机燃油喷射、点火、炱速、自动变速；动力转向内、巡行（CCS）、防抱死（ABS）系统；安全所囊、天窗、电动座椅、中控门锁、数字仪表及其显示等等，无一不是通过电子控制系统实现的。而未来的复杂系统不仅要求控制精确，还要满足电磁兼容要求。现有的解决电磁兼容的方法通常是硬件上采取滤波，接地，或者屏蔽技术，这些方法对于电磁环境稳定的系统比较理想，但是对于电磁环境复杂，变化的系统-比如汽车电子，很难找到一个经济可靠并可被工业界接受的解决方法。因为汽车很可能在很强的电磁干扰环境中行驶，这要求汽车控制系统的具有极高的抗干扰性能。而大幅度提高汽车的抗干扰性能意味着成本的增高，这对于成本非常在意的企业界来说是个挑战。如何在提高抗干扰性能的同时，能够很好地控制成本具有很高的难度。

 

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种抗干扰自调整微控制器系统及其控制方法，通过设置在微控制器内部的A/D转换器，进行实时的电磁干扰检测，并能降低输入微控制器的信号干扰。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种抗干扰自调整微控制器系统，包括微控制器、电源、传感器和抗干扰电路，电源为微控制器供电，传感器通过抗干扰电路与微控制器连接；所述微控制器内设置有中央处理器、寄存器、第一A/D转换器和第二A/D转换器，所述第一A/D转换器和第二A/D转换器和寄存器相连，所述中央处理器从寄存器中提取数据；所述抗干扰电路包括低通滤波器、高通滤波器、峰值检波器、耦合电容和参考电压；所述传感器输出的信号通过低通滤波器滤除高频干扰信号后传送至第一A/D转换器输入端，所述传感器的信号通过高通滤波器滤掉低频信号后、再连接到峰值检波器后稳定输出峰值电压、随后与参考电压通过耦合电容进行耦合，耦合后的信号传送到第二A/D转换器的输入端。

作为本发明的一种优选方案，所述传感器至少为一个，每个传感器均通过独立的抗干扰电路与微控制器连接。

本发明还提供了抗干扰自调整微控制器系统的控制方法，基于上述抗干扰自调整微控制器系统实现，包括如下步骤：

（1）  在中央处理器中预先设定分阶段控制阈值；

（2）  第二A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号后传输至寄存器进行存储；

（3）  中央处理器提取寄存器中第二A/D转换器的输出数据，与预先设定的分阶段控制阈值比较，当输出数据落在不同阶段控制阈值范围内时，中央处理器转换成相应的控制模式。

    作为抗干扰自调整微控制器系统的控制方法的一种优选方案，所述控制模式分为如下几种：停止模式、容错控制模式、开环控制模式、简单PID控制模式。

与现有技术相比，本发明提供的抗干扰自调整微控制器系统及控制方法具有如下优点和有益效果：能够有效过滤微处理器中正常工作的A/D转换器输入端的高频干扰信号，降低外界干扰对微控制器系统的影响；同时放大检测用A/D转换器输入端的干扰信号，确保电磁干扰信号的检测和采集。此外，本发明能够根据采集到的干扰信号强度采取不同的控制模式应对，实现控制模式的自动调整，有效降低电磁干扰对系统的影响，在干扰过强时，能够强制停止，避免因干扰导致的事故发生，具有极高的安全性能。本发明抗干扰性能良好，反应速度灵敏，应对方式灵活，结构简单合理，成本低廉，适于在电磁环境复杂或环境容易改变的技术领域，如汽车控制系统中推广应用。

 

附图说明

图1为本发明提供的抗干扰自调整微控制器系统电路结构框图；

图2为多个传感器通过抗干扰电路与微控制器连接的示意框图；

图3为在外界有电磁干扰的情况下，微处理器内两个A/D转换器的输出结果比较图；

图4为闭环控制系统中，电磁干扰分区域环境下的电磁检测结果实例图。

附图标记列表：

1-微控制器，2-电源，3-传感器，4-线缆，5-中央处理器，6-寄存器，7-第一A/D转换器，8-第二A/D转换器，9-低通滤波器，10-高通滤波器，11-峰值检波器，12-耦合电容，13-参考电压，14-电源接口。

 

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种抗干扰自调整微控制器系统，包括微控制器1、电源2、传感器3和抗干扰电路，电源通过线缆4为微控制器1供电，传感器3通过线缆4连接抗干扰电路从而与微控制器1相连。所述微控制器1内设置有中央处理器5、寄存器6、第一A/D转换器7和第二A/D转换器8，所述第一A/D转换器7和第二A/D转换器8和寄存器6相连，所述中央处理器5从寄存器6中提取数据，由于微控制器1中的其他部件是现有技术，在本发明中不再详述。所述抗干扰电路包括低通滤波器9、高通滤波器10、峰值检波器11、耦合电容12和参考电压13。第一A/D转换器7用于正常工作，第二A/D转换器8用于检测第一A/D转换器7受到的电磁干扰。通过对A/D转换器的了解，电磁干扰只能干扰其电源2或者信号输入，外界的电磁干扰可能耦合到传感器的线缆和/或电源的线缆上，然后进入微控制器1。第一A/D转换器7上的干扰和参考电压13耦合、并连接到第二A/D转换器8的输入端，以保证第二A/D转换器8能够检测出第一A/D转换器7输入端口的电磁干扰。微处理器1通过电源接口14与电源2连接，由于微控制器1内部的第一和第二A/D转换器共用电源2，如果干扰是从电源2来的，那么第一A/D转换器7电源上的电磁干扰也会被第二A/D转换器8检测出。

所述传感器3输出的信号通过线缆4连接到低通滤波器9，当受到电磁干扰时，传感器3的低频信号和耦合到线缆4上的高频电磁干扰信号耦合，低通滤波器9滤除其中的高频干扰信号后把低频有用信号传送至第一A/D转换器7的输入端，经过第一A/D转换器7的转换，模拟信号被转换为数字结果后存储在寄存器13中，由中央处理器14计算处理，很显然，低通滤波器7提高了第一A/D转换器7的抗干扰度。

所述传感器3的信号通过线缆4连接到高通滤波器10，高通滤波器10滤掉有用低频信号，通过滤波器过后的电磁干扰信号，再连接到峰值检波器11，与参考电压13通过耦合电容12耦合，耦合后的信号送到第二A/D转换器8，经过转换，数字结果存储在寄存器13中，由中央处理器14计算处理。高通滤波器10，峰值检波器11，提高了第二A/D转换器8的干扰检测灵敏度，保证第二A/D转换器8上的电磁干扰比第一A/D转换器7上的干扰要严重，而且第二A/D转换器8会在第一A/D转换器7被干扰前检测到干扰信号。在没有干扰的情况下，第二A/D转换器8给出参考电压13的正确值。有干扰时，第二A/D转换器8会给出一个错误值，错误值与参考值偏差的大表明电磁干扰的大，偏差小，电磁干扰小。在第一A/D转换器7被干扰前，微控制器1判断出有干扰时，就可以对第一A/D转换器7进行数字滤波等方法保证信号的准确性，还可以根据干扰程度的不同，采取不同的控制方法应对，以保证微处理器控制系统运行的稳定性和精确性。

作为本发明的一种优选方案，如图2所示，所述传感器3可以为一个或多个，每个传感器3均通过独立的抗干扰电路与微控制器1连接。随着科技的日益进步，与微处理器连接的传感器数量众多，种类也非常丰富，如温湿度传感器、速度传感器、压力传感器等等。当有干扰时，这些传感器与微处理器1之间的连接线缆上都可能耦合有电磁干扰，由于每个传感器具有独立的抗干扰电路，从而能够有效降低各传感器连接线缆上耦合的电磁干扰，由于传感器所处位置不同，这些电磁干扰的强度也不相同，因此微处理器有可能在同一时间获得多个不同的干扰数值。微处理器可以通过一定的算法，例如取干扰平均值，或根据预先设定的优先级、选取优先级别最高的干扰数值等方式获取控制用电磁干扰值。

图3是在施加本系统上施加外部电磁干扰的情况下，传感器信号是直流信号（高于参考电压）时，第一A/D转换器7和第二A/D转换器8的实际输出结果。 纵坐标是A/D转换器输出结果（以最低有效位（LSB）表示）。从图中可以看出 第一A/D转换器7的输出结果有几个LSB的错误，但是第二A/D转换器8的输出偏离参考电压20个LSB，第一A/D转换器7明显受到的实际干扰更小，而第二A/D转换器8受到的扰动幅度非常明显，符合设计预期。

本发明还提供了抗干扰自调整微控制器系统的控制方法，基于上述抗干扰自调整微控制器系统实现，整理如下：

（1）  首先在中央处理器中预先设定分阶段控制阈值。以汽车电子领域为例，微控制器的控制模式一般分为简单PID控制模式、容错控制模式和开环控制模式，而当电磁干扰过强时，必须停止工作以避免事故发生，因此我们将电磁干扰由弱自强分为A至D四个区（如图4所示），相应的分阶段控制阈值设定为三个：A阶段上限阈值、B阶段上限阈值、C阶段上限阈值。

（2）  第二A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号后传输至寄存器进行存储。当没有电磁干扰时，第二A/D转换器8给出的数值与参考电压13相同，当传感器的线缆和/或电源的线缆上耦合电磁干扰时，低通滤波器9滤除第一A/D转换器7输入端的高频干扰信号，降低有用信号的误差，而第二A/D转换器8输入端的干扰信号得到放大并进行存储。

（3）    中央处理器5提取寄存器6中第二A/D转换器8的输出数据，与预先设定的分阶段控制阈值比较，当第二A/D转换器8获得的干扰值小于或等于A阶段上限阈值时，中央处理器5控制系统在简单PID模式下运行，此时第一A/D转换器7输出的数据仅通过简单的滤波处理，微控制器工作速度快效率高；当第二A/D转换器8获得的干扰值大于A阶段上限阈值且小于等于B阶段上限阈值时，中央处理器5控制系统在容错控制模式下运行，系统通过复杂容错控制，保证微控制器能正确工作，但工作效率较低；当第二A/D转换器8获得的干扰值大于B阶段上限阈值且小于等于C阶段上限阈值时，由于干扰过大，中央处理器5控制系统采用开环控制模式，此时控制精确性与A阶段和B阶段相比较差，但安全性得到较好的保障；当第二A/D转换器8获得的干扰值大于C阶段上限阈值时，中央处理器5给出警告，停止工作，避免事故发生。

    所述阈值高低应根据不同控制系统、不同技术领域进行适应性的调整，本例中提供的微控制器的控制模式名称和数量也不应作为本发明的限制，事实上，各类型工控设备均可以根据本发明的思路，根据干扰程度的不同调整成相应的控制模式，这些控制模式一般是现有的，但也可以根据需要进行适应性改动。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (4)

1.一种抗干扰自调整微控制器系统，包括微控制器、电源、传感器，所述电源为微控制器供电，所述微控制器内设置有中央处理器、寄存器、第一A/D转换器和第二A/D转换器，所述第一A/D转换器和第二A/D转换器和寄存器相连，所述中央处理器从寄存器中提取数据，其特征在于：还包括抗干扰电路，传感器通过抗干扰电路与微控制器连接；所述抗干扰电路包括低通滤波器、高通滤波器、峰值检波器、耦合电容和参考电压；所述传感器输出的信号通过低通滤波器滤除高频干扰信号后传送至第一A/D转换器输入端；所述传感器的信号通过高通滤波器滤掉低频信号后、再连接到峰值检波器后稳定输出峰值电压、随后与参考电压通过耦合电容进行耦合，耦合后的信号传送到第二A/D转换器的输入端。

2.根据权利要求1所述的抗干扰自调整微控制器系统，其特征在于：所述传感器至少为一个，每个传感器均通过独立的抗干扰电路与微控制器连接。

3.一种抗干扰自调整微控制器系统的控制方法，基于权利要求1或2所述的抗干扰自调整微控制器系统实现，其特征在于，包括如下步骤：

在中央处理器中预先设定分阶段控制阈值；

第二A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号后传输至寄存器进行存储；

中央处理器提取寄存器中第二A/D转换器的输出数据，与预先设定的分阶段控制阈值比较，当输出数据落在不同阶段控制阈值范围内时，中央处理器转换成相应的控制模式。

4.根据权利要求3所述的抗干扰自调整微控制器系统的控制方法，其特征在于：所述控制模式分为如下几种：停止模式、容错控制模式、开环控制模式、简单PID控制模式。

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