單片機控制系統抗干擾技術措施

謝歡

摘要

隨著信息技術水平的快速提升，單片機控制系統獲得了重要發展機遇。然而，由于存在各種干擾因素，在一定程度上制約了單片機控制系統的發展。因此，需要從軟件以及硬件方面入手，以便更好的提升單片機控制系統抗干擾技術的提升。鑒于此，本文從硬件抗干擾措施和軟件抗干擾措施兩方面分別進行探討，以供專業人士借鑒與參考。

【關鍵詞】單片機 控制系統 抗干擾

眾所周知，各種形式的干擾因素存在與工業生產制造環境中，因此，為保證單片機控制系統穩定可靠的工作，需要在設計單片機系統過程中加入有效的抗干擾的措施，從而實現單片機控制系統高效的運行。其中，系統內部元器件工作時產生的干擾以及系統外部其它電氣設施所產生的干擾是導致單片機控制系統出現干擾的主要的兩個來源，從而導致單片機控制系統難以正常穩定的工作。鑒于此，單片機控制系統的設計應從提升軟硬件抗干擾能力入手，從而提升系統的可靠性與穩定性。

1 硬件抗干擾措施

為了解決單片機控制系統的干擾問題，通常可以采取硬件抗干擾措施，并且實踐證明采用硬件抗干擾措施有著不錯的抗干擾效果。其中，絕大部分干擾可以通過合理的硬件電路很好的抑制或消除。此外，電路設計是硬件抗干擾措施主要采用的設計方式。

l.1 供電系統的抗干擾

通常來講，單片機控制系統所需要的電能來自于國家電網，并且需要變壓、整流、濾波以及穩壓后方可供給給單片機控制系統。與此同時，由于噪聲、高頻以及電壓突變等干擾因素普遍存在與電網之中，一旦引入至控制系統便會導致其受到干擾。此外，電網與數據采集系統通常采用直連的方式，由于地電位差存在于二者地線之間，從而導致環路電流在地線之中形成，進而導致共模干擾的形成。

濾波、隔離、穩壓、使用穩定交流電源以及分別對系統內部各個模塊進行供電等措施是抑制上述干擾因素普遍采用的方法，從而提升供電系統的抗干擾能力。此外，使用交流穩壓器可以有效避免電網電壓出現范圍較大的波動，從而起到抑制電源噪聲干擾的目的。與此同時，電網與數據采集系統可以通過隔離變壓器而彼此隔離，進而避免控制系統引入電網地線的干擾。另外，高次頻波是電網干擾主要組成部分，因此可以使用交流電源濾波器來消除大于50Hz的高次頻波，并且可以隔離輸出與輸入端。最后則是采用分組供電的方式來對系統內部各模塊進行供電，從而避免各模塊之間有彼此干擾因素的存在。

1.2 模擬輸入通道的抗干擾

信息交換主要通過模擬輸入通道來實現，但是公共地線是導致干擾存在的主要因素。如果傳輸線路比較長，則通常還會遇到電磁波以及靜電的干擾，從而導致信號傳輸的可靠性與準確性有所下降。為了解決上述干擾問題，通常可以使用電磁隔離或光電耦隔離的方式將敏感電路與干擾源彼此分開。其中，光傳感器與發光二極管是光電耦隔離技術中的核心部件，并且將兩者封裝成一體后便可以隔離兩個電路的地線，從而使兩者彼此隔離，避免干擾的出現。通常來講，當其它外部模塊與單片機控制系統中的單片機或數據I/O口連接時，普遍使用光電耦隔離的方式來降低電路中的干擾。

1.3 地線設計抗干擾

系統地、機地（屏蔽地）、數字地（邏輯地）和模擬地等是主要單片機系統中地線結構的集中主要形式，科學合理的接地方式是實際控制系統有效抑制干擾的主要措施。其中：

1.3.1 增加地線的面積與寬度，并且使用多點接地的措施來使接地電阻有效降低

阻抗普遍存在與導體中，導體中如果有電流流過便會出現電壓梯度現象。對于兩個接地點彼此分開的情況，則兩點間的電位差與電流大小成正比例關系，并且電流頻率與電位差同樣存在某種特定關系。當導線上為高頻時，則其電位差與分布電感也呈現上升態勢。因此，為降低系統中的接地電阻，可以通過多點接地的方式來實現，從而對電位差進行有效的抑制。在設計控制系統電路過程中，為消除接地間的電位差，可以采用減少地線電阻或是加大地線寬度的方式來實現。

1.3.2 分離模擬與數字電路

通常來講，數字電路與模擬電路是單片機控制系統重要的組成部分。因此，為降低兩種電路間的相互干擾，通常采用分別單獨設置模擬地和數字地的方式來實現。

2 軟件抗干擾措施

科學合理軟硬件組合是抗干擾系統成功的保障。因此，除了需要在硬件電路設計方面進行抗干擾設計外，還需要在軟件方面來提升單片機控制系統的抗干擾能力。

2.1 指令冗余

先提取操作碼，再取操作數是CPU取指令的主要流程。如果有干擾因素導致單片機出現錯誤，則程序中會錯誤的將操作數當做操作碼來進行提取，從而導致程序出現故障。由此可見，需要將一些單字節指令人為的插入至關鍵地方，或者是重寫有效單字節指令的方式可稱之為指令冗余。一般來講，將兩個字節以上的空操作指令NOP插入至雙字節或三字節指令后，從而避免誤將后面的指令被當做操作數執行，進而使得程序可以正常執行。此外，為了確保指令被正常執行，可以在系統流向起重要作用的指令前加入兩條NOP，從而使得出現錯誤的程序可以被正確執行。

2.2 掉電保護技術

當硬件電路檢測到掉電信號后，在單片機的外部中斷輸入端中加入該信號，在軟件中設定掉電中斷的優先級為高級，從而保證系統可以第一時間應對掉電干擾。

2.3 睡眠抗干擾

中斷系統與定時計數系統可以在單片機處于睡眠狀態下依然處于工作狀態，從而導致CPU難以對系統總線中所出現的干擾有所應對，進而降低了系統對抗干擾因素的力度。此外，CPU在應用系統中多是執行一些循環檢查以及等待指令的程序，并且盡管CPU在此過程中沒有執行重要的工作，但是卻極易受到干擾。因此，建議設置CPU在非正常工作狀態下休眠，中斷系統可以在必要情況下喚醒CPU，待其完成工作后再進入休眠模式。CPU在此種模式下將在大部分時間內處于睡眠模式，從而明顯的降低干擾帶來的影響。

3 結束語

綜上所述，單片機控制系統容易受到多種因素的的干擾，為了進一步加強系統的抗干擾能力，只有從系統的硬件方面入手，合理地設計硬件線路，并且加強對軟件的設計，才能不斷提升系統的抗干擾能力，從而促進單片機控制系統的進一步發展。

參考文獻

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