單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾措施應(yīng)用

董斌華，何林燕

（1.海南三亞91868部隊(duì)，海南 三亞 572016；2.陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021）

單片機(jī)具有體積小、成本低、可靠性好、控制功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于工業(yè)過程控制和軍事領(lǐng)域中，然而在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，因其受到多方面的干擾，影響了系統(tǒng)的可靠性，為了保證系統(tǒng)在各種復(fù)雜的環(huán)境中長時(shí)間、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，必須解決好其一直存在的一個(gè)常見關(guān)鍵而又難以解決的問題——抗干擾問題。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，干擾源主要來自來自兩個(gè)方面：一是來自系統(tǒng)內(nèi)部元器件在工作時(shí)產(chǎn)生的干擾，干擾信號通過地址線、電源線、信號線、分布電容和電感等傳輸，影響系統(tǒng)工作狀態(tài)；二是來自系統(tǒng)外部其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾，通過傳導(dǎo)和輻射等途徑影響微機(jī)控制系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的正常工作[1]。為使單片機(jī)控制系統(tǒng)正常工作，在硬件和軟件兩方面均可采取一定抗干擾措施來提高系統(tǒng)的可靠性。

1 硬件抗干擾措施

硬件技術(shù)適合于消除頻率較高信號中的干擾，主要是抵抗空間輻射干擾，輸入/輸出通道干擾及供電系統(tǒng)的干擾。

1.1 抑制電源干擾措施

電源產(chǎn)生的干擾主要是從電源和電源引出線侵入系統(tǒng)的，可以以下措施抑制電源干擾：

（1）采用開關(guān)電源供電，開關(guān)電源具有效率高、體積小、輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。盡管它自身引起的脈沖干擾較大，但一般具有較好的初—次級隔離，對存在于交流電網(wǎng)上的高頻脈沖干擾有較強(qiáng)的隔離能力[2]。

（2）采取電網(wǎng)濾波技術(shù)，即在開關(guān)電源前增加電源濾波模塊，以濾去電網(wǎng)中由各種大功率設(shè)備產(chǎn)生的尖峰脈沖干擾；直流電源濾波，對穩(wěn)壓后的直流電源進(jìn)一步采取濾波技術(shù)，如對各種芯片電源增加電容濾波，對直流電源與地線增加電感濾波；孟繁榮等[3]人為遏制氙燈觸發(fā)器在電源端產(chǎn)生的干擾信號，在電源端進(jìn)行了多級的隔離與濾波措施，結(jié)果表明：經(jīng)過多級濾波網(wǎng)絡(luò)與隔離措施，電源輸出波形上的干擾幅值已經(jīng)控制在一個(gè)系統(tǒng)允許的范圍之內(nèi)。

（3）在單片機(jī)控制系統(tǒng)中加入有電容構(gòu)成的退耦電路，以抑制系統(tǒng)中產(chǎn)生的干擾信號通過地線耦合，造成自激振蕩，引起系統(tǒng)錯(cuò)亂或不能正常工作現(xiàn)象的發(fā)生[4]。

（4）在單片機(jī)與外圍控制電路應(yīng)采用獨(dú)立的變壓器或開關(guān)穩(wěn)壓電源來分別供電，以實(shí)現(xiàn)電源隔離，從而對電網(wǎng)干擾起到一定的抑制作用[5]。

（5）合理布線及采用良好的接地系統(tǒng)，地線和電源線盡可能布粗些，線路的走向盡量按輸入到輸出分布[6]；單片機(jī)系統(tǒng)既有模擬電路，又有數(shù)字電路，模擬地和數(shù)字地需分開。高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地。低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地。交流地與信號地不能共地。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號較弱，可采用三線采樣雙層屏蔽浮地技術(shù)，提高抗共模干擾的能力。

1.2 抑制輸入輸出通道干擾措施

輸入、輸出信號通過隔離可以切斷干擾信道，避免強(qiáng)電流對回路的沖擊。常用的隔離方法有光電隔離、繼電器隔離和變壓器隔離。變壓器隔離是傳遞脈沖輸入、輸出信號時(shí)，不能傳遞直流分量，因此常用于不要求傳遞直流分量的輸入輸出控制設(shè)備中。對數(shù)字信號的隔離采用光電耦合器。采用這種方法時(shí)，信號的傳遞是通過光—電信號傳遞的，沒有直接的電信號連接，因此隔離了干擾傳播途徑。這種方法隔離不斷輻射和感應(yīng)干擾，在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在A/D后和D/A前加光電耦合器[7]。對模擬量來說，可以采用光電藕合器、繼電器、隔離放大器和差動(dòng)放大器等隔離[8]。

1.3 抑制空間輻射干擾的措施

采取屏蔽保護(hù)能有效地抑制來自電場和磁場的干擾。對元器件進(jìn)行屏蔽（變壓器、電感等）減少其對周圍電路的電磁干擾；對傳輸線進(jìn)行屏蔽，信號線采用屏蔽線，減少外部干擾；對部件進(jìn)行屏蔽，減少電磁場干擾[9]。其中對低頻電磁波可采用高導(dǎo)磁材料制做屏蔽件，如坡莫臺金鐵，磁鋼等；對高頻電磁波采用高導(dǎo)電率的材料，如銅，鋁等制做的屏蔽件可以抑制電磁干擾[10]。

此外，通過選擇合適的元器件及設(shè)計(jì)合理的元器件布局也可在一定程度上抵抗干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 軟件抗干擾措施

軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)系統(tǒng)受干擾后，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，或輸入信號受干擾后去偽存真的一種輔助方法。其具有設(shè)計(jì)靈活，節(jié)約硬件資源，成本低，操作方便易行，通用性強(qiáng)，適用于不同的系統(tǒng)及抵抗不同的干擾等特點(diǎn)。常用的軟件抗干擾措施包括指令冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術(shù)等。

2.1 指令冗余

從單片機(jī)程序跑飛的根源考慮，單片機(jī)受到干擾后，往往會(huì)把操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。如果程序跑飛到某一條單字節(jié)指令上時(shí)，就不會(huì)發(fā)生將操作數(shù)當(dāng)成指令的錯(cuò)誤，而能自動(dòng)納入正規(guī)。當(dāng)跑飛的雙字節(jié)或三字節(jié)指令操作時(shí)，程序?qū)⒗^續(xù)彈飛。因此，宜盡量采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵地方適當(dāng)?shù)牟迦霂讉€(gè)單字節(jié)的空操作指令NOP或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)使用，就可以保護(hù)其后面的指令不被拆散而被完整的執(zhí)行。

2.2 軟件陷阱

軟件冗余技術(shù)適用于干擾后PC指向不正確的程序區(qū)，當(dāng)PC指向非程序區(qū)或者表格區(qū)時(shí)使用冗余指令的措施已經(jīng)不再適用，可采用軟件陷阱的辦法攔截跑飛程序?qū)⑵溲杆僦赶蛞粋€(gè)指定位置[11]。軟件陷阱，就是用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將撲獲到的亂飛程序引向復(fù)位入口地址0000H，在此處將程序轉(zhuǎn)向?qū)ｉT對程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序，使程序納入正規(guī)。具體做法是將未使用的EPROM空間即非程序區(qū)用0000020000數(shù)據(jù)填滿，但要注意，最后一條填入數(shù)據(jù)應(yīng)為020000。這樣，當(dāng)亂飛的程序進(jìn)入此區(qū)后，便會(huì)迅速自動(dòng)入軌。對于MCS-51系列單片機(jī)，假設(shè)出錯(cuò)處理程序入口標(biāo)號為ERROR，則軟件陷阱指令如下：

NOP

NOP

LJMPERROR

軟件陷阱一般安排在以下位置：①未使用的中斷向量區(qū)，在干擾可使未使用的中斷開放并激活中斷的地方設(shè)置軟件陷阱即可及時(shí)捕獲到錯(cuò)誤中斷；②未使用的ROM空間，在實(shí)際使用過程中對未使用的EPROM空間應(yīng)全部填充為00H，因?yàn)槌绦驈?fù)位入口地址為0000H，當(dāng)“跑飛”的程序指針跳至無程序處，可以讓其重新指向主程序入口，起到防“跑飛”的功能；③表格，儲存在EPROM中的表格后安排軟件陷阱可在一定程度上防止軟件“彈飛”；④程序區(qū)。一般程序中不能任意安排軟件陷阱，但在正常程序中會(huì)有一些跳轉(zhuǎn)指令，在這些指令后使用軟件陷阱可捕獲到彈飛到跳轉(zhuǎn)指令的操作數(shù)上的出錯(cuò)程序[12]。

2.3“看門狗”技術(shù)

“看門狗”的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。其是通過不斷監(jiān)視程序運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)程序運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，計(jì)數(shù)器溢出，系統(tǒng)復(fù)位并重新運(yùn)行系統(tǒng)程序。

2.4 延時(shí)抖動(dòng)技術(shù)

工業(yè)測控系統(tǒng)往往會(huì)遇到強(qiáng)干擾，如浪涌電壓、電源過壓、欠壓以及尖峰干擾等，在軟件設(shè)計(jì)中可以采取措施加以避開，當(dāng)干擾到來時(shí)，使CPU暫停工作，待干擾過后再恢復(fù)CPU工作。

另外，通過數(shù)字濾波，掉電保護(hù)，人工復(fù)位，設(shè)立標(biāo)志判斷、增加數(shù)據(jù)安全備份等軟件抗干擾措施也能起到很好的抗干擾效果，提高系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié)語

硬件抗干擾措施和軟件抗干擾措施各具特點(diǎn)，硬件措施如果得當(dāng)，可將絕大部分干擾拒之門外，但仍然會(huì)有少數(shù)干擾進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，故軟件措施作為第二道防線必不可少軟件抗干擾措施是以CPU為代價(jià)的，如果沒有硬件消除絕大多數(shù)干擾，CPU將疲于奔命，無暇顧及正常工作，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時(shí)性，在實(shí)際應(yīng)用中若將硬件和軟件抗干擾有效的結(jié)合起來，則能起很好的抗干擾效果，保證系統(tǒng)準(zhǔn)確，可靠的運(yùn)行。

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