實用抗干擾技術在單片機系統中的應用探究

秦亞叢,李穎超

（中國礦業大學,221116）

0 引言

隨著電子技術的迅速發展及電子設備的廣泛運用，必然導致它們在其周圍空間產生的電磁場電平的不斷增加。也就是說，電子設備不可避免地在電磁環境（EME）中工作，而影響應用系統可靠、安全運行的最主要的因素正是各種電磁干擾。

因此，為了保證設備能在實際應用中安全穩定地工作，必須從系統設計開始就充分考慮到其對系統抗干擾性能的要求。本文以實際應用中的單片機控制系統為例，從硬件和軟件兩個方面介紹單片機系統使用抗干擾設計的常用方法。

1 硬件抗干擾

硬件抗干擾技術是系統設計時首選的抗干擾措施,它能有效抑制干擾源,阻斷干擾傳輸通道。這里主要介紹兩點：

1.1 電子元器件的選用

元器件的可靠性是設備或系統可靠性的基礎，可靠性指標已經成為元器件的重要的質量指標之一。研究電子元器件的可靠性就在于掌握元器件失效的客觀規律，分析產品的失效原因，以便進一步提高元器件的可靠性。因此在選用時要遵循以下原則：

（1）元器件的技術條件、技術性能、質量等級等均應滿足裝備的要求；

（2）優先選擇經實踐證明質量穩定、可靠性高、有發展前途的標準元器件，不允許選用淘汰品種和禁用的元器件；

（3）優先選用有良好的技術服務、供貨及時、價格合理的生產廠家的元器件。對關鍵元器件要進行用戶對生產方面的質量認定；

（4）綜合分析系統所工作的環境的溫度、濕度、振動、沖擊和電磁環境等因素，選擇適用的電子元器件。

1.2 印制板電路合理布線

印制電路板（PCB）是提供電路元件和器件之間的電氣連接的支撐件，如下圖所示。

隨著單片機系統功能的不斷擴大,PCB 的密度越來越高，而PCB 設計的合理與否對整體抗干擾能力影響很大。因此,在進行PCB 設計時,必須遵守PCB 設計的一般原則,并應符合抗干擾設計的要求，其中最重要的為以下兩點：

（1） 關鍵器件的放置：與其它邏輯電路一樣,在器件布置方面應盡量把相關的器件放的近些,目的是獲得較好的抗噪聲效果。

（2）要特別注意地線的正確連接,否則干擾影響將很嚴重。例如D/A、A/D 芯片以及采樣芯片都提供了數字地和模擬地,分別有相對應的管腳，連接時要格外注意。

2 軟件抗干擾

由于實際應用中干擾信號產生的原因有很多，并且具有不確定性，因此即使我們采取了一系列硬件抗干擾措施，也很難保證系統完全不受干擾。所以我們往往在硬件抗干擾措施的基礎上，加以軟件抗干擾技術，來作為硬件抗干擾的補充手段。這里著重介紹以下3 種方法：

2.1 指令冗余技術

采用冗余技術目的就是使程序納入正確軌道，它能起作用的條件是：PC 必須指向程序運行區，并且執行到冗余指令。本文著重介紹其中NOP 指令的使用。

如果在雙字節指令和3 字節指令之后插入兩個單字節NOP指令，則該指令就不會被前面的失控程序所影響，而會得到正確的運行。通常我們在一些對程序流向控制起著重要作用的指令前（例 如ACALL、LCALL、SJMP、LJMP、JB、JBC、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ、CJNCRET、RETI 等），以及在某些對系統至關重要的指令前（例如：SETB、EA 等），插入兩條NOP 指令，以確保程序的運行。同時，在一個程序中“指令冗余”不能過多，否則會降低程序的快速性。

2.2 軟件陷阱技術

當程序失控引致到非程序區時，軟件冗余就起不上作用了，此時我們可在非程序區攔截，使程序進入設置好的陷阱中，同時設計一段用于程序失控處理的程序強制其執行，這種方法就叫做軟件陷阱技術。軟件陷阱可以采用3 種形式：

形式一為：LJMP 0000H

形式二為：LJMP 0202H

形式三為：LJMP ERR

使程序納入正軌，指定運行到預定位置。

2.3 程序監視定時器

在工業環境中，單片機會因為干擾的存在引起PC 錯誤，導致程序的失控，或陷入死循環，此時，指令冗余技術、軟件陷阱技術都無能為力了，這是可以采用程序監視定時器（WATCHDAG，WDT），俗稱“看門狗”措施。WDT 通過不斷監視程序每周期的運行事件是否超過正常狀態下所需的時間，從而判斷程序是否進入了“死循環”，并對系統進行復位。

下圖為內部WDT 電路

下圖是外部看門狗電路

3 結語

抗干擾設計是單片機應用系統設計中不可或缺的重要內容，也就是說抗干擾性能的好壞是評價單片機控制系統性能優劣的重要指標。在設計時我們應結合具體情況，正確認識到干擾環境的多樣性和變化性，綜合運用幾種抗干擾方法，互相補充完善，針對性地采用技術措施，以確保應用系統能正常運行。

[1] 何立民.單片機應用系統設計.北京：北京航空航天大學出版社，1990

[2] 王幸之等.單片機應用系統抗干擾技術.北京：北京航天航空大學出版社，2000

[3] 夏泓，鄭鵬洲.電子元器件失效分析及應用.北京：國防工業出版社，1998

[4] 何楚，王思賢，廖孟揚.MC14489 與MCS-51 的接口通信與抗干擾.《電子技術》1997 年第11 期

[5] 何立民.單片機應用技術選編（1-8）.北京：北京航空航天大學出版社

[6] Mark I.Montrose:Printed Circuit Board Design Technique for EMC Compliance,IEEEPRESS Editorial Board,1996