單片機系統的抗干擾問題及開發

孫樂益

摘 要：隨著產品、設備、系統的智能化發展，單片機得到了廣泛的應用。單片機應用系統具有體積小、價格低、功能靈活、使用方便等優點。雖然在單片機設計時采取了不少措施，但其工作環境大都在工業生產現場或嵌入被控設備之中，受強電干擾較多，工作條件惡劣，易受各種干擾。因此，研究抗干擾技術對保證單片機系統穩定可靠工作十分重要。該文首先介紹了單片機系統受到干擾可能產生的不良影響，然后對單片機系統的干擾渠道進行了分析，最后具體討論實用有效的抗干擾措施。

關鍵詞：單片機系統 抗干擾 技術

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0061-01

單片機系統是一個復雜的電子系統，外來電磁輻射、內部各個元器件之間、各個分系統之間、各傳送通道間的相互干擾及其數據信息所產生的干擾和破壞都會影響單片機應用系統工作的穩定性、可靠性以及安全性。

1 單片機系統干擾的影響

經過實驗研究表明，對于單片機來說，它的運行系統不僅受到內部因素的影響，而且也受到了外部因素的影響。各種因素的影響使單片機在使用的過程中無法充分發揮其性能。具體的說，單片機系統受到干擾可能會產生以下一些不良影響。

1.1 使測量數據出現誤差或誤差變大

若單片機在測量單元模擬信息傳輸道出現了干擾的因素，產生的干擾信號就會在傳輸模擬信號中疊加，這樣就會使得采集過程中的誤差有所增加。這種情況在較弱信號測定與有強干擾互相對立的時候會格外的明顯，甚至有可能使檢測的誤差上升幾倍以上。

1.2 數據信息變化起伏

除了在程序存儲器當中的數據信息外，單片機內部所存儲的信息會受到各種形式的干擾，更這樣就會導致信息在運行的過程中，若運行狀態發生了變化，信息的運行就會出現失靈等問題，嚴重影響了單片機的正常工作效率。

1.3 運行失常分析

當單片機系統受到外部環境影響的時候，就會導致單片機系統程序的運行出現波動，導致單片機的運行失去意義，使得最終輸出的結果存在混亂。嚴重的話，會使得單片機在運行的過程中出現停機的現象。

2 單片機系統干擾的渠道

干擾就是由外部噪聲在系統中所造成的騷擾，是影響單片機系統正常工作的一種因素。干擾主要是利用電信號手段通過特定的渠道，與信號互相混合從而侵入單片機系統，這些干擾對單片機系統的穩定性可能會產生不良影響。凡是能產生一定能量，可以影響到周圍電路正常工作的信號都可認為是干擾源。干擾有的來自外部，有的來自系統內部。抗干擾則主要是指針對干擾而采取相應的手段使干擾消除，抑制干擾的傳播。干擾渠道主要包括以下三種類型。

2.1 供電系統對單片機系統的干擾

在工廠中運行的機器大多數都是大功率的，這種特別大的負載設備的啟停通常會導致電網受到污染，也會導致電壓不斷的漲落。由于大功率機器的開關等因素，會使電網常常會受到幾百伏甚至是幾千伏的電壓干擾，這會對單片機系統產生很大的影響。

2.2 過程通道對單片機系統的干擾

在工業生產中，開關的數量以及負責輸入輸出的信號線共有百條以上，其中長度最長達到幾千米，最短也會有幾百米，這樣就難免會將一些干擾因素引入到單片機系統當中。若是有較大設備漏電或是測量的部分沒有很好的絕緣功能，都有可能通過通道直接干擾信息，產生不利的影響。

2.3 空間對單片機系統的干擾

空間干擾一般主要是指來自天體的電磁波或者是電視臺所發出的電磁波，又或者是電器設備中的發射機等發出的電磁波。這些空間的輻射會使單片機系統產生一定的干擾，從而使其沒有辦法正常工作。

3 單片機系統的抗干擾技術及開發

對于單片機系統而言，干擾信號主要以差模和共模信號兩種形態為主。其中差模干擾信號是指信號回路的干擾，主要跟傳輸線的互感以及系統的工作頻率有關。對于這類干擾通常采用濾波和改善系統的采樣頻率來加以抑制。共模干擾信號是指干擾電壓同時加到兩條信號線上出現的干擾，所以對于這類干擾通常的抑制措施是注意保持線路傳輸結構的平衡。單片機系統的抗干擾措施多種多樣，不同的應用場合有不同的技術要求。

3.1 硬件抗干擾技術

硬件系統的抗干擾能把干擾排除在最外邊，所以硬件設施設計的時候應該要采取相應措施，這樣才能在最大的程度上抑制干擾的產生。

（1）電源抗干擾。

現在很多的單片機對于電源的噪聲是非常敏感的，干擾會通過設備的電源線向系統的內部傳入，其次在各種電子設備間也會通過電源產生相應的干擾。

（2）屏蔽抗干擾技術。

屏蔽就是以金屬板、金屬網或金屬盒構成的屏蔽體，是抑制電磁干擾最有效的方法。在采用這一方法來抗干擾時，通常首先使用低電阻的材料做成屏蔽體，然后將需要隔離部分包圍起來。

（3）使用光纖與雙絞線。

當數字信號長線傳輸的時候，可以利用雙絞線降低噪聲的干擾。主要是因為外界的磁場在雙絞線上的電流流動方向是相反的，那么感應磁所引起的噪聲電流就可以互相抵消，這也就使得雙絞線具有抗干擾的作用。

（4）去耦電路。

數字電路信號在轉換的時候會有很強的沖擊電流產生，也會在傳輸線上有較大的壓降產生，這樣就會形成一定的干擾。所以，為了能夠抑制這種干擾可以在電路中設置去耦電路，這樣一方面可以收集電路在開門的瞬間所釋放出的電量，另一方面也可以將電路中產生的噪聲過濾掉。

3.2 軟件抗干擾技術

（1）設置軟件陷阱。

軟件陷阱技術主要應用在單片機軟件系統抗干擾中，設置軟件陷阱可以采用在ROM或RAM中，每隔一些指令，就把連續幾個單元設置成空操作（所謂陷阱）。當失控的程序掉入“陷阱”，連續執行幾個空操作后，程序自動恢復正常，繼續執行后面的程序。

（2）指令冗余抗干擾。

這種技術在一定程度上與軟件陷進技術是一樣的，但是又有著一定的區別，指令冗余技術一般應用于程序存儲器使用的區域當中，而軟件陷進技術則是在沒有使用的區域當中。冗余抗干擾技術一般就是將正常的指令輸入后插入某些NOP的指令，這樣就可以將一些“亂飛”的程序規范化。

（3）數字濾波器。

一般模擬信號在傳送的時候都會受到一定的干擾，通常都是在信號中混入了噪音，所以在硬件的設計上安裝濾波器，在一定的程度上是可以降低噪聲的干擾。但是硬件濾波器的使用過程較為復雜，若是要現場對濾波器的參數進行修改也是一件十分困難的事情。因而，我們一般會采用軟件濾波器，這主要是因為使用軟件濾波器不用增加一些必要的開銷，可以靈活的改變濾波器上的參數，而對于噪聲又可以起到同樣的干擾效果。

4 結語

在實際的單片機應用系統中，抗干擾設計一般應注意很多問題。合理的硬件設計再結合必要的軟件抗干擾設計是單片機系統抗干擾設計的一個總體方向。采用軟件抗干擾技術不但可以節約硬件成本，而且在可靠性、可維護性等方面都有一定的優勢。

參考文獻

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