單片機控制系統抗干擾設計

文/李曉亮

在這里簡單介紹一下單片機控制系統，一般來講單片機系統擁有計算機技術、通信技術和自動化控制技術的優點，可以是實現對事物的自動化控制，其具有很多的優點：

（1）該系統利于人工操作，簡單方便；

（2）單片機系統可以為很多領域提供方便的控制系統，例如在我國的礦產行業、電力發電行業以及交通運輸行業等工業領域中都得到了廣泛使用。

但是，在這些工業領域中其工作環境往往比較惡劣，工作條件比較復雜，這就會很大程度上使得單片機很受到電磁設備啟停等的影響，致使接收信號不清晰，最終導致在對相關的數據進行測量時出現偏差甚至錯誤，影響工作的效率，此外，還可能會出現更為嚴重的情況，破壞單片機的軟件、硬件，使機器完全不能工作。因此，對單片機控制系統的抗干擾設計需要進一步研究，找出干擾源，根據干擾源，制定相應的應對策略來增強其抗干擾能力，能夠有效地降低外界環境對系統的影響，進而保證單片機控制系統正常運行。

1　單片機控制系統的主要干擾源

1.1　單片機控制系統的內部干擾源

在單片機控制系統中往往會因為其本身的特點而對其控制效果造成影響，通常來講單片機控制系統的內部干擾源可以分為下面兩個部分：如散粒噪聲、熱噪聲等。散粒噪聲的形成原理：晶體管區域里的載流子出現不規律的擴散，擴散出來的載流子在遇到電子空穴后兩者之間進行反應。該種噪聲大多數存在于半導體原件自身內部；熱噪聲的形成原理：在未與電源連通的情形下，半導體的兩端可能存在一個電壓值較小的電壓，該電壓就會導致半導體內部的電子發生熱運動，而電子在運動過程中就會形成噪音電壓。

1.2　現場環境的干擾源

電磁是單片機控制系統的現場環境干擾源，該干擾源通常情況下憑借場傳播進入測控系統，通過電場或磁場兩種方式對系統進行干擾。一般情況下，電磁干擾可以分為兩種，一種是傳導，另外一種是輻射。傳導干擾的傳播介質主要有金屬、電容等；輻射干擾主要是從輻射源向外界傳播，并且其在傳播過程中的形式擁有很多種。

表1：單片機控制系統抗干擾設計的幾種接地形式

2　單片機控制系統抗干擾設計策略

2.1　利用軟件防止干擾

2.1.1使用濾波算法

一般來講，在軟件層面進行的濾波算法很多，我們比較常見的為比較舍取法、中值法、算術平均值法。這些算法雖然具體對數據的處理方式不一樣，但其最終的目的還是讓排除數據的波動和外界的影響。其中算術平均法的原理為：根據所需要檢測的信號的特性，在對單片機控制系統不會造成任何影響的情況下，通過對多組所測的數據信息進行篩選，舍去最小值與最大值，最終計算得出平均值，這樣能夠有效地增加了采集數據的真實性和有效性，從而提升系統的可靠性。通常情況下都可以利用軟件濾波算法來排除外界干擾信號對數據帶來的影響，進而保證數據的有效性和控制效果的高效性。

2.1.2指令冗余技術

如果在單片機控制系統正常運行的時候收到外界的干擾，此時單片機的一些寄存器中的值可能發生變化，而此時如果提取變化以后的操作碼，勢必會對整個系統的性能造成影響，嚴重時還可能導致程序跑飛和系統奔潰。為此，就需要在編程過程中采用一定的技術來防止這種現象的發生，通常可以在雙字節程序和三字節程序之間增加幾組單字節程序指令，或者是需要對該程序進行重新編寫。

2.2　硬件抗干擾的設計

2.2.1抑制電源干擾

最為重要的是選取設備，一定要選取質量優質的電源設備，還需要對以下3種線路實施配線：電源線、控制線和動力線；其次，在架設電源線時要確保平行；再次，對電源變壓器的輸出與輸入兩線一定要采用雙絞線；最后，選取濾波器減小設備干擾傳導。

2.2.2優化布線結構

在進行布線結構的設計時，一定要區分電流的強弱，在這里特別要強調的是交流電，在進行結構布線時，必須使用分槽走線的形式，直流線和交流線不能夠捆在一起，一定要確保這兩種線分開布置。此外，在進行電路板的設計過程中，PCB板上的模擬地的信號線和數字地的信號線分離且分別接地，同時還要使可以對PCB板進行覆銅，這樣既可以提高電路板的硬度，還可以在一定程度上防止各信號之間的干擾。

2.3　正確選擇接地點

在單片機控制系統中接地點的選擇是至關重要的，其不僅對單片機控制系統的安全性能有所影響，而且正確的接地點還能夠降低干擾源的干擾。在對單片機控制系統采取抗干擾設計時，通常情況下有下面幾種方式，具體如表1所示。

要使電源輸出端和輸入端的其他附帶的干擾得到減小，就需要在單片機控制系統的接地設計過程中采取正確的方式，從而保證質量。一般情況下，接地的方式與頻率關系十分密切，當頻率低于1兆赫茲時，所使用的接地方式是單點接地；當頻率高于10兆赫茲時，所采用的接地方式是多點接地；當頻率處于1兆赫茲和10兆赫茲之間時，可將單片機控制系統進行單點接地。

2.4　外圍擴展存儲器系統抗干擾處理方法

在單片機控制系統中，其裝配的程序和數據兩種存儲器的芯片的電流較大，而且在工作時頻率相對較高，在進行設計時，一定要特別關注外界電磁的干擾。而通常印制板電路中的抗干擾設計是設計工作中的重中之重，能夠使用的方法具體如下：

（1）在確保正常工作的情況下，將數據線、地址線、控制線控制在最短，從而達到降低與地產生的電容的目的。這里需要強調的是，控制各條地址線的長度，在布線過程中方式要保持一致，從而盡可能保證每條線的阻抗大小基本相同，同時保證地址信號在傳輸到終端時的變化較小。

（2）系統在進行工作時，具有很大的負載電流，所以，需要適量增加電源線以及地線粗度，保證電流可以順利流通。

（3）在數據總線的開始端和結束端可以適當地加上一些阻值適中的上拉電阻，這樣便可以在一定程度上增加存儲器端口在高阻狀態下的抗干擾能力。

3　結論

綜上所述，降低單片機控制系統的干擾需要詳細設計，首先需要了解干擾源，根據干擾源以及其他各方面因素進行綜合考慮，從而采取科學合理的解決策略，最終確保系統的正常工作。