關于單片機軟硬件的抗干擾設計技術的探討與分析

林仲景

【摘 要】本文簡要分析了單片機應用系統受干擾的來源及被干擾的后果，分別從軟件、硬件兩方面，探討關于此系統的抗干擾設計技術，望能為此領域研究有所借鑒。

【關鍵詞】單片機；軟件；硬件；抗干擾技術

單片機憑借其自身優良的性價比，在多領域得到廣泛應用。針對通訊、醫療器械及工業控制等領域，對單片機可靠性有著越來越高的要求。而伴隨單片機應用途徑及種類的日益增多，其功能也變得越發完善，硬件設計日益簡單。在實驗室中設計的控制系統，其在完成安裝與調試后，與設計要求相符，但若將其用于現場，系統經常難以正常、穩定的工作。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場環境復雜等，因此，應重視單片機應用系統的抗干擾技術設計。

一、干擾的來源及后果

在各種工業現場環境中，干擾乃是以脈沖方式進至單片機系統的，歸結其渠道，主要有3條，分別為過程通道干擾、供電系統干擾與空間干擾。針對空間干擾來講，在高頻電磁場、大電流及高電壓附近比較多見，多經電磁感應、靜電感應而侵入到系統內部；針對供電系統感染而言，其主要通過電源的噪聲干擾所致；而對于過程通道干擾，從本質上來講，就是干擾經后向或前向通道進系統。另外，如果所配置的接地系統運作不可靠，同樣會形成干擾；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）增大數據采集誤差。若單片機系統的前向通道有干擾侵入，并且疊加于信號上，便會增大數據采集誤差，尤其是前向通道設置的是小電壓信號輸入的傳感器接口，受干擾現象便會更為嚴重。（2）程序運行失常。首先，控制狀態失靈。在整個單片機系統體系中，因有加入有干擾，因而會增大輸出的誤差，導致邏輯狀態出現異常性改變，最終造成控制失常。其次，死機。如果單片機受到的是強干擾，那么會改變程序計數器的PC值，進而對程序的正常運行造成破壞。（3）系統被控對象出現誤操作。單片機內部程序指針指向了其它方向，運行錯誤程序；在RAM中，部分數據會被沖亂，或者是一些特殊寄存器的值被異常性改變，使得程序計算出并不準確的結果。

二、系統硬件抗干擾設計

（1）供電系統。其一，避免干擾從電源系統進入，可以根據實際情況，采取交流穩壓器，以此來確保供電的整體穩定性，避免電源出現欠壓、過壓等情況。另外，還可以運用隔離變壓器，將高頻噪過濾掉，另用低通濾波器，將工頻干擾濾掉。其二，運用開關電源為系統提供充足功率余量，在主機部分，可專門設置穩壓電路，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、輸出信號加裝光電耦合器用于隔離，可把前向通道、后向通道與主機部分之間的電路聯系部分切斷，這樣便能夠一定程度的預防干擾進至主機系統。其二，終端阻抗與雙絞線傳輸匹配。當數字信號需要進行長線傳輸時，通過雙絞線的利用，能夠較好的抑制噪聲干擾。還可以聯用于光電耦合器。于接收與發送信號端，需要設置有末端電阻，雙絞線需匹配于阻抗。（3）屏蔽。針對易被干擾或會產生干擾的部件，可用金屬盒施加屏蔽，促使干擾電磁波能夠短路接地。（4）提升器件驅動能力。通常情況下，1個TTL能夠推動10幾個CMOS或者是8個TTL，而1個CMOS則可以推動20多個CMOS或者1～2個TTL。若存在過重的輸出負載，那么會使輸出電平降低，使電平低于被驅動器件的輸入門檻電平，進而導致系統不穩。（5）提升元器件可靠性。首先，運用質量好、可靠度高的電子元件，并開展嚴格、系統化測試與篩選。其次，在實際設計中，所設計的元件技術參數需有一定余量。最后，提升組裝與印制板質量。（6）運用雙機冗余設計。對于嚴格要求控制系統可靠性的場合，可以選用雙機冗余，這能夠一定橫渡提升系統抗干擾能力。所謂雙機冗余，從本質上來講，即為執行同一控制任務，可以由2個單片機來進行，分別是從機與主機。通常，主機控制三總線，并控制整個系統，此時，從機保持待機狀態，若主機因某種原因出現誤動作狀況，此時的仲裁器便會立即判別條件，如果認定是主機程序混亂，那么會將主機總線控制權及時切斷，喚醒從機，進而替代主機，實施處理與控制操作。

三、軟件的抗干擾設計

（1）數據采集誤差的軟件措施。其一，運用軟件濾波算法，可以將從輸入信號干擾而造成的部分輸出控制錯誤給過濾掉。常用方法有中值法、比較舍取法、算數平均值法等。在實際運用中，究竟選何種方法，須依據信號實際變化情況，酌情予以選擇。其二，對于那些關鍵數據，則可選用軟件冗余技術，也就是給數據增加冗余位，檢錯與糾錯數據。一般選用的方法為循環碼校驗、海明碼及奇偶校驗等。（2）程序運行失控的軟件策略。首先，指令冗余。針對MCS-51系列單片機來講，其多為單字節指令，如果在其上有出錯的程序，此時出錯的程序便能夠自動轉入正規；如果落于多字節指令的操作數，那么此時的程序便會繼續出錯，因此，在對程序流向起到關鍵性作用的指令前，將2條NOP指令插入，恢復被彈飛的指令。其次，設置程序指令陷阱。通過設置軟件陷阱，能夠及時捕獲出錯的程序，且將出錯程序強行引入。在安排軟件陷阱時，可將其設置在如下地方：①還沒有使用的中斷向量區。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置在此些地方，便能夠及時對錯誤中斷進行捕獲。②還未曾使用的ROM空間。將陷阱分隔設置其中，可以捕獲彈飛于此區域的出錯程序。③表格。將軟件陷阱安裝于EPROM中的表格后，能夠較好的預防軟件彈飛。④程序區。針對一般性程序而言，其無法任意安排軟件陷阱，但如在正常程序當中，會存在一些跳轉指令，而將軟件陷阱設置在此些指令后，便能夠將彈飛至跳轉指令的操作數上的出錯程序捕獲到。

四、結語

綜上，在整個單片機應用系統中，抗干擾技術設計為其重要構成，通過軟件與硬件抗干擾技術的高質量、合理化運用，能夠最大限度的避免系統受外界干擾，即使受到外界干擾，但干擾后仍能使系統恢復至原先正常運行狀態，因而能夠保障系統長久、高質量工作。

【參考文獻】

[1]吳興純， 趙金燕， 楊秀蓮，等. 單片機運用系統的軟件抗干擾技術研究與分析[J]. 電子設計工程， 2011， 19（16）：34-37.

[2]孫夢穎， 曹俊江. 軟件抗干擾技術在單片機系統設計中的應用[J]. 信息與電腦， 2017（11）：38-39.

[3]王會海， 曹建， 趙巖. 基于AT89C52單片機的平板硫化機測控系統的抗干擾設計和研究[J]. 制造業自動化， 2004， 26（6）：42-45.