關(guān)于單片機(jī)軟硬件的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)的探討與分析

林仲景

【摘 要】本文簡(jiǎn)要分析了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)受干擾的來源及被干擾的后果，分別從軟件、硬件兩方面，探討關(guān)于此系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)，望能為此領(lǐng)域研究有所借鑒。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；軟件；硬件；抗干擾技術(shù)

單片機(jī)憑借其自身優(yōu)良的性價(jià)比，在多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)通訊、醫(yī)療器械及工業(yè)控制等領(lǐng)域，對(duì)單片機(jī)可靠性有著越來越高的要求。而伴隨單片機(jī)應(yīng)用途徑及種類的日益增多，其功能也變得越發(fā)完善，硬件設(shè)計(jì)日益簡(jiǎn)單。在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，其在完成安裝與調(diào)試后，與設(shè)計(jì)要求相符，但若將其用于現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)經(jīng)常難以正常、穩(wěn)定的工作。造成此狀況的原因有許多，而主要原因使各種電磁干擾與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜等，因此，應(yīng)重視單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)設(shè)計(jì)。

一、干擾的來源及后果

在各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，干擾乃是以脈沖方式進(jìn)至單片機(jī)系統(tǒng)的，歸結(jié)其渠道，主要有3條，分別為過程通道干擾、供電系統(tǒng)干擾與空間干擾。針對(duì)空間干擾來講，在高頻電磁場(chǎng)、大電流及高電壓附近比較多見，多經(jīng)電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)而侵入到系統(tǒng)內(nèi)部；針對(duì)供電系統(tǒng)感染而言，其主要通過電源的噪聲干擾所致；而對(duì)于過程通道干擾，從本質(zhì)上來講，就是干擾經(jīng)后向或前向通道進(jìn)系統(tǒng)。另外，如果所配置的接地系統(tǒng)運(yùn)作不可靠，同樣會(huì)形成干擾；輸入、輸出線路的絕緣損壞，也易引入干擾。干擾所造成的后果為：（1）增大數(shù)據(jù)采集誤差。若單片機(jī)系統(tǒng)的前向通道有干擾侵入，并且疊加于信號(hào)上，便會(huì)增大數(shù)據(jù)采集誤差，尤其是前向通道設(shè)置的是小電壓信號(hào)輸入的傳感器接口，受干擾現(xiàn)象便會(huì)更為嚴(yán)重。（2）程序運(yùn)行失常。首先，控制狀態(tài)失靈。在整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)體系中，因有加入有干擾，因而會(huì)增大輸出的誤差，導(dǎo)致邏輯狀態(tài)出現(xiàn)異常性改變，最終造成控制失常。其次，死機(jī)。如果單片機(jī)受到的是強(qiáng)干擾，那么會(huì)改變程序計(jì)數(shù)器的PC值，進(jìn)而對(duì)程序的正常運(yùn)行造成破壞。（3）系統(tǒng)被控對(duì)象出現(xiàn)誤操作。單片機(jī)內(nèi)部程序指針指向了其它方向，運(yùn)行錯(cuò)誤程序；在RAM中，部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)被沖亂，或者是一些特殊寄存器的值被異常性改變，使得程序計(jì)算出并不準(zhǔn)確的結(jié)果。

二、系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì)

（1）供電系統(tǒng)。其一，避免干擾從電源系統(tǒng)進(jìn)入，可以根據(jù)實(shí)際情況，采取交流穩(wěn)壓器，以此來確保供電的整體穩(wěn)定性，避免電源出現(xiàn)欠壓、過壓等情況。另外，還可以運(yùn)用隔離變壓器，將高頻噪過濾掉，另用低通濾波器，將工頻干擾濾掉。其二，運(yùn)用開關(guān)電源為系統(tǒng)提供充足功率余量，在主機(jī)部分，可專門設(shè)置穩(wěn)壓電路，還可以采用DC-DC模塊將輸入、輸出供電隔離，最大程度避免各部分之間的干擾。（2）輸入、輸出干擾的抑制。其一，輸入、輸出信號(hào)加裝光電耦合器用于隔離，可把前向通道、后向通道與主機(jī)部分之間的電路聯(lián)系部分切斷，這樣便能夠一定程度的預(yù)防干擾進(jìn)至主機(jī)系統(tǒng)。其二，終端阻抗與雙絞線傳輸匹配。當(dāng)數(shù)字信號(hào)需要進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸時(shí)，通過雙絞線的利用，能夠較好的抑制噪聲干擾。還可以聯(lián)用于光電耦合器。于接收與發(fā)送信號(hào)端，需要設(shè)置有末端電阻，雙絞線需匹配于阻抗。（3）屏蔽。針對(duì)易被干擾或會(huì)產(chǎn)生干擾的部件，可用金屬盒施加屏蔽，促使干擾電磁波能夠短路接地。（4）提升器件驅(qū)動(dòng)能力。通常情況下，1個(gè)TTL能夠推動(dòng)10幾個(gè)CMOS或者是8個(gè)TTL，而1個(gè)CMOS則可以推動(dòng)20多個(gè)CMOS或者1～2個(gè)TTL。若存在過重的輸出負(fù)載，那么會(huì)使輸出電平降低，使電平低于被驅(qū)動(dòng)器件的輸入門檻電平，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)。（5）提升元器件可靠性。首先，運(yùn)用質(zhì)量好、可靠度高的電子元件，并開展嚴(yán)格、系統(tǒng)化測(cè)試與篩選。其次，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，所設(shè)計(jì)的元件技術(shù)參數(shù)需有一定余量。最后，提升組裝與印制板質(zhì)量。（6）運(yùn)用雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)。對(duì)于嚴(yán)格要求控制系統(tǒng)可靠性的場(chǎng)合，可以選用雙機(jī)冗余，這能夠一定橫渡提升系統(tǒng)抗干擾能力。所謂雙機(jī)冗余，從本質(zhì)上來講，即為執(zhí)行同一控制任務(wù)，可以由2個(gè)單片機(jī)來進(jìn)行，分別是從機(jī)與主機(jī)。通常，主機(jī)控制三總線，并控制整個(gè)系統(tǒng)，此時(shí)，從機(jī)保持待機(jī)狀態(tài)，若主機(jī)因某種原因出現(xiàn)誤動(dòng)作狀況，此時(shí)的仲裁器便會(huì)立即判別條件，如果認(rèn)定是主機(jī)程序混亂，那么會(huì)將主機(jī)總線控制權(quán)及時(shí)切斷，喚醒從機(jī)，進(jìn)而替代主機(jī)，實(shí)施處理與控制操作。

三、軟件的抗干擾設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集誤差的軟件措施。其一，運(yùn)用軟件濾波算法，可以將從輸入信號(hào)干擾而造成的部分輸出控制錯(cuò)誤給過濾掉。常用方法有中值法、比較舍取法、算數(shù)平均值法等。在實(shí)際運(yùn)用中，究竟選何種方法，須依據(jù)信號(hào)實(shí)際變化情況，酌情予以選擇。其二，對(duì)于那些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，則可選用軟件冗余技術(shù)，也就是給數(shù)據(jù)增加冗余位，檢錯(cuò)與糾錯(cuò)數(shù)據(jù)。一般選用的方法為循環(huán)碼校驗(yàn)、海明碼及奇偶校驗(yàn)等。（2）程序運(yùn)行失控的軟件策略。首先，指令冗余。針對(duì)MCS-51系列單片機(jī)來講，其多為單字節(jié)指令，如果在其上有出錯(cuò)的程序，此時(shí)出錯(cuò)的程序便能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)入正規(guī)；如果落于多字節(jié)指令的操作數(shù)，那么此時(shí)的程序便會(huì)繼續(xù)出錯(cuò)，因此，在對(duì)程序流向起到關(guān)鍵性作用的指令前，將2條NOP指令插入，恢復(fù)被彈飛的指令。其次，設(shè)置程序指令陷阱。通過設(shè)置軟件陷阱，能夠及時(shí)捕獲出錯(cuò)的程序，且將出錯(cuò)程序強(qiáng)行引入。在安排軟件陷阱時(shí)，可將其設(shè)置在如下地方：①還沒有使用的中斷向量區(qū)。干擾能夠開放沒有使用的中斷，并且將其激活，而通過將軟件陷阱設(shè)置在此些地方，便能夠及時(shí)對(duì)錯(cuò)誤中斷進(jìn)行捕獲。②還未曾使用的ROM空間。將陷阱分隔設(shè)置其中，可以捕獲彈飛于此區(qū)域的出錯(cuò)程序。③表格。將軟件陷阱安裝于EPROM中的表格后，能夠較好的預(yù)防軟件彈飛。④程序區(qū)。針對(duì)一般性程序而言，其無法任意安排軟件陷阱，但如在正常程序當(dāng)中，會(huì)存在一些跳轉(zhuǎn)指令，而將軟件陷阱設(shè)置在此些指令后，便能夠?qū)楋w至跳轉(zhuǎn)指令的操作數(shù)上的出錯(cuò)程序捕獲到。

四、結(jié)語

綜上，在整個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，抗干擾技術(shù)設(shè)計(jì)為其重要構(gòu)成，通過軟件與硬件抗干擾技術(shù)的高質(zhì)量、合理化運(yùn)用，能夠最大限度的避免系統(tǒng)受外界干擾，即使受到外界干擾，但干擾后仍能使系統(tǒng)恢復(fù)至原先正常運(yùn)行狀態(tài)，因而能夠保障系統(tǒng)長(zhǎng)久、高質(zhì)量工作。

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