單片機嵌入式系統的抗干擾技術

郝樹虹 盛春玲 李秋菊 胡 濱

（1、萊鋼自動化部，山東 萊蕪 271104 2、萊鋼煉鋼廠，山東 萊蕪 271104）

1 單片機嵌入式系統及其干擾形式

嵌入式系統一般定義為:以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適合應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。簡而言之，可用“一言”定義:嵌埋在應用系統或設備之中，不為用戶所見的專用計算機系統。

工業現場環境中的干擾一般以脈沖形式進入系統，干擾形式主要有三種：一是空間干擾(磁場干擾)，電磁信號通過空間輻射進入系統；二是過程通道干擾，干擾通過與系統相連的前向通道、后向通道及與其它系統的相連通道進入；三是供電系統干擾，電磁信號通過供電線路進入系統，是危害最嚴重、最廣泛的一種干擾。當干擾侵入單片機系統后，會造成控制狀態失靈，數據采集誤差加大，數據發生變化，程序運行失常等不良后果。針對以上問題，本文分別從硬件和軟件兩個方面來探討一些提高單片機嵌入式系統抗干擾能力的方法。

2 硬件抗干擾措施

2.1 電源干擾控制

電源是對單片機系統干擾的一個主要來源。電源在提供能源的同時，直接將噪聲加在單片機系統上。中斷線、復位線和其它一些控制線最容易受到外界噪聲的干擾。

電源變壓器采用雙隔離，即電源變壓器的初、次級線圈屏蔽層與初級線圈中心點接大地，次級外屏蔽層接抑制板地，以減少高低頻脈沖干擾，提高高頻共模抗干擾能力。

用壓敏電阻抑制尖峰、浪涌。壓敏電阻兩端的電壓如超過其限定值，電流會迅速增大，呈短路狀態。利用這一特點可以吸收瞬時尖峰、浪涌電壓。壓敏電阻并聯在電源的初次級可有效抑制尖峰浪涌電壓。

低通濾波器可濾去干擾帶來的高次諧波，改善電源波形。采用分散獨立的穩壓塊，分別對各部分電路進行供電，可減少公共阻抗的相互影響，提高供電的可靠性。

2.2 隔離技術

在接口電路中，如果出現2點以上接地時，可能引入共阻耦合干擾和地環路電流干擾。抑制這類干擾的方法是采用隔離技術。通常有光電隔離和電磁隔離兩種。

光電隔離。光電隔離是由光電耦合器來實現的，光電耦合器通過光進行信號傳送，如圖1所示，可以切斷單片機與前向、后向及其它控制器電路的聯系，使其電路相互獨立，能有效抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾。光電耦合器的組成主要包括發光二極管、光敏晶體管等部件。當信號電壓U 產生電流I，其發光的強弱與U的大小成正比，通過光電耦合到光電三極管再一次變成電流，經放大電路輸出。它在輸入、輸出電路中另一個主要作用是抑制地環流，即使在輸入端出現60V的共模電壓時，對控制器也無影響。光電耦合器的輸入與輸出端在電氣上是絕緣的，且輸出端對輸入端無反饋，因而具有隔離和抗干擾的獨特性能。

圖1 光電隔離示意圖

電磁隔離。利用隔離變壓器來切斷環流，如圖2所示。電路1的輸出經過變壓器耦合到電路2,從而地環路被切斷，兩電路各自的地電位基準不受影響，不會造成干擾。

圖2 變壓器隔離示意圖

2.3 屏蔽技術

將單片機嵌入式系統置于金屬箱體中,利用金屬對電磁的屏蔽性來削弱或消除外部進入箱內的電場和磁場。信號線和電源線嚴格地分開,不得同時穿入同一個金屬盒或金屬管中。由于電場或磁場都與測點到干擾源的距離成反比,因此,把信號線安排到距離電源線遠的地方也是一種有效措施。

2.4 硬件看門狗（Watchdog）技術

MAX813L 是一款帶看門狗和電源監控功能復位芯片，提供的復位信號為高電平，適用于復位信號為高電平的單片機系統。MAX813L的溢出時間為1.6 秒，當系統出現死機時，單片機就會停止向看門狗發送脈沖，超過1.6 秒，看門狗電路就會發出復位信號，將系統復位，使系統恢復正常。

2.5 去耦技術

數字信號電平轉換在轉換過程中會產生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供應電源內阻上產生較大壓降，形成嚴重干擾。為抑制此干擾，在電源電路、數字電路和信號處理電路中適當配置去耦電容，即形成去耦電路，這樣可旁路集成電路產生的干擾。原則上每個集成電路的電源和地之間都要加1個去耦電容。它有兩個作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開、關門瞬間的充放電能量；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數字電路中典型的去耦電容是0.1μF。

3 軟件抗干擾措施

3.1 指令冗余技術

當跑飛的程序落在用戶工作程序ROM 區內時，可采用指令冗余的方法使程序走上正軌。常用的指令冗余技術有兩種：NOP 指令的使用和重要指令冗余。NOP 指令是在雙字節指令和三字節指令之后插入兩個單字節NOP 指令，即使因為“跑飛”使程序落到操作數上，由于兩個空操作指令的存在，不會將其后的指令當操作數執行，從而使程序納入正軌。在某些對系統工作至關重要的指令之前也可插入幾條空操作指令，以確保這些指令的正確執行。

3.2 軟件陷阱技術

當跑飛的程序落在非程序區（如EPROM未使用的空間或某些數據表格區），則采用軟件陷阱使程序恢復正常。所謂軟件陷阱，就是在非程序區設置一些攔截程序，將失控的程序引至復位入口地址0000H 或處理錯誤程序的入口地址ERR，在此處利用LJMP 指令，使程序走入正軌。

3.3 軟件看門狗電路

程序運行過程中.有時受到某種干擾的影響會出現死循環現象，看門狗的作用就是防止程序發生死循環。在5l 單片機中有兩個定時器，可以用這兩個定時器來對主程序的運行進行監控。對T0 設定一定的定時時間，當產生定時中斷時對一個變量進行賦值，而這個變量在主程序運行的開始已經有了一個初值，要設定的定時值要小于主程序的運行時間。這樣在主程序的尾部對變量的值進行判斷，如果值發生了預期的變化，就說明T0 中斷正常，如果沒有發生變化則使程序復位。T1 用來監控主程序的運行，給T1 設定一定的定時時間，在主程序中對其進行復位，如果不能在一定的時間里對其進行復位，T1的定時中斷就會使單片機復位。在這里T1的定時時間要設的大于主程序的運行時間，給主程序留有一定的裕量。而Tl的中斷正常與否再由T0 定時中斷子程序來監視。T0 監視T1，T1 監視主程序，主程序又來監視T0，從而保證系統的穩定運行。

3.4 數字濾波技術

為了消除實時數據采集系統通道中的干擾信號，需對信號濾波。所謂數字濾波，就是在單片機中用某種計算方法對輸入的信號進行數學處理，以便減少干擾在有用信號中的比重，提高信號的真實性。這種濾波方法不需要增加硬件設備，只需要根據預定的濾波算法編制相應的程序即可達到信號濾波的目的，有利于降低成本。數字濾波穩定性高，濾波參數修改方便，可以對各種干擾信號進行濾波。常用的濾波方法有：算術平均值濾波、中值濾波、程序判斷濾波、加權平均值濾波、滑動平均值濾波和復合數字濾波法。

4 結束語

在工程實踐中通常都是幾種抗干擾技術并用，互為補充完善來取得較好的抗干擾效果。細致周到地分析干擾源，確定干擾性質，硬件與軟件抗干擾技術相結合，完善系統監控程序，使系統最大限度的避免干擾的產生和受干擾后能使系統恢復正常運行，保證單片機控制系統長期穩定可靠地工作。

[1]朱順華，王成春，鄒逢興.單片機控制系統的硬件抗干擾設計[J].微計算機信息，2007.23,8-2.

[2]劉光斌.單片機系統實用抗干擾技術 [M].北京：人民郵電出版社，2006