單片機自動控制中抗干擾相關問題研究

張崇武

摘要：隨著科技發展變化的日新月異，集成了計算機、通信、自動控制等現代技術的單片機控制系統的發展速度也越來越快，并以它自身的便捷性、易控制和好擴展等優勢在電力、化工和交通等各領域廣泛應用，但在單片機自動控制系統的應用中，其抗干擾性一直是懸而未決的問題，對單片機的應用發展起到了一定的制約性影響?；诖?，本文將從單片機自動控制系統應用中經常出現的干擾來源入手分析，結合筆者多年的實踐工作經驗，對如何提升單片機自動控制中的抗干擾方法提出了幾點意見建議。

Abstract： With the rapid change of the development of science and technology， the development of single-chip microcomputer control systems integrating modern technologies such as computer， communication and automatic control is also growing faster and faster， with its own convenience， easy control and good expansion， it is widely used in various fields， such as power， chemical and transportation and so on. However， in the application of single-chip microcomputer automatic control system， its anti-interference has been an unresolved problem， which has a certain restrictive influence on the application development of single-chip microcomputer. Based on this， this paper starts from the analysis of the interference sources often appear in the application of single-chip automatic control system. Combining the author's years of practical work experience， this paper puts forward some suggestions on how to improve the anti-interference method in the automatic control of single-chip microcomputer.

關鍵詞：單片機;自動控制;抗干擾;問題研究

Key words： single chip microcomputer;automatic control;anti-interference;problem research

中圖分類號：TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0274-02

0? 引言

單片機自動控制系統在應用實踐中會受到周圍工作環境的影響，如電場環境、磁場環境和周圍的溫度變化等因素都會給單片機自動控制系統的系統硬件造成干擾，繼而出現運行不穩定或軟件程序失控問題。基于這些方面的影響，如何提高單片機自動控制系統的抗干擾能力，是能夠保證系統正常運行的重中之重。本文將對單片機自動控制中抗干擾相關問題展開如下研究。

1? 單片機自動控制系統常見問題及干擾的來源分析

在工業生產中，單片機自動控制系統在實際生產中經常會出現下面這些情況，第一，上位機發出去的信息，下位機單片機經常出現信息漏接或無法接收的問題。第二，電機在啟動之后，下位機單片機上所出現的數據是亂碼，無法正常呈現。第三，單片機在對繼電器進行驅動時出現失靈現象。第四，單片機顯示屏上的顯示器不能正常工作。第五，單片機無法正常啟動，經常出現死機問題，只有點擊復位按鈕才能恢復到初始狀態[1]。第六，系統被控對象在操作中出現失誤。第七，單片機定時顯示失準等。引發這些問題出現的干擾來源主要包括如下幾個方面：

1.1 電源干擾? 單片機控制系統中所應有的電源多是和工業系統電源共用的，當系統操作中需要進行電源開關、大電機的啟動等操作時，都會造成電源電壓的巨大波動，此操作中還會形成較強的干擾信號。此外，如果電源引線太長，在輸電時也會產生一定的感應電動勢，會對微機系統的正常運行帶來干擾性影響。有權威統計顯示：在計算機系統產生的各種干擾中，其中有七成的干擾均是由于電源發生耦合而造成的[2]。

1.2 空間電磁波干擾? 單片機工業控制系統的所采用的多是低電平多錄數據處理系統， 其信號電壓通常為低電平電壓，在幾十毫伏以下。但在信號源和測量系統應用中，所需進行連接的電纜長度要求較高，少則幾十米，多則幾百米，當四周有較強的電磁設備運轉時，極易受到干擾。此外，系統之間的連線、輸入（出）線等的布線電容和電感也會給線路造成一定的干擾，其結果就是造成測量結果的不準確，嚴重的時候還會造成信號的徹底失真。

1.3 過程通道干擾? 單片機應用系統里的模擬量輸入/出和開關量的輸入/出通道是必不可少的。在這些通道中，總是難免會有一些干擾信號侵入到單片機系統中，除了這些信號的干擾外，在各輸入/出通道內還會因各種控制線和信號線的交錯而形成各自的電磁感應干擾，進而造成單片機自動控制系統的程序失準，如不及時加以解決將會影響到整個系統的運行。

1.4 人為干擾? 所謂人為干擾，指的是由于人的因素引起的直接或間接的干擾。其出現的形式主要包括機械振動、繼電器觸點抖動、可控硅通斷、感性負載的投切、元器件安裝及布線引發的電磁耦合、接插件接觸不好、虛焊、放大器自激、電源紋波和附近工作的電焊機、電動機啟動、通過的汽車等[3]。

2? 抗干擾的硬件技術措施

根據前述問題，在對單片機自動控制系統進行硬件技術處理中，可通過如下技術措施來提升其抗干擾能力。

2.1 消除電源干擾的技術措施? 在單片機系統中，要提高供電系統質量，減少亂入干擾，做好如下工作：第一，電源和設備的選擇方面。盡可能選擇有靜電屏蔽功能和抗電磁干擾功能的隔離電源變壓器，并將強電設備的動力電源與單片機的輸入電源分離，將單片機的電源分離出去，獨立供電。電源線、控制線和動力線也應各自配線，其中編程器、變壓器和中央處理器等重要設備的電源線應優選導電性強的優質材料，以減少外界信號的干擾。第二，電源電壓的穩定方面。為預防電壓毛刺或畸變，要將+5V電源設置多級濾波處理器，電源線的布設還應保持平行，以此來減少電網波動及電源噪聲問題。此外，為消除兩級電壓不穩問題，還可給系統配置集成穩壓塊，保持兩者的平衡。第三，電源變頻器方面。變頻器的抗干擾方法中，可通過隔離變壓器的方法來降低電源傳導的干擾，濾波器的應用也是有效降低干擾的一種有效途徑。

2.2 對布線結構進行優化調整? 在單片機自動控制系統中，如布線布局和結構是科學合理的，則會在系統應用中有效發揮抗干擾能力。在布線過程中，應注意以下幾方面的結構優化調整：第一，注意強弱電的分離，特別是交流電布設過程中，最好采取分槽走線的布設方法，并通過對直流線和交流線的獨立捆綁，拉大兩者之間的距離，減少其對雙方的信號干擾。第二，信號地和模擬地應保持分離狀態，接地處理中應盡可能的使其處于單點接地狀態。在應用屏蔽線的過程中，應盡可能的將其應用在處于大范圍銅覆蓋的電路板和信號連接線路上，地線盡可能選用加粗的，通過這種對布線結構和材料的優化調整，能有效提升單片機自動控制系統的抗干擾防御性能。

2.3 接地抗干擾提升措施? 單片機的自動控制系統里的模擬地和電網相連，因而容易形成電網干擾，數字地區域內受電磁輻射和高次諧波的干擾影響嚴重，極易造成單片機自動控制系統數據的失準，為提升系統應用的安全性，減少接地干擾，在系統設計中可通過完善接地系統的方法來減少干擾。鑒于單片機系統的接地形式的差異考量，當信號頻率處于1-10MHz之間時，通常選用單點接地的方式，把所有地線端子與最近位置的接地點相連;當信號頻率為10MHz之上時，則采用多點接地的方式;當信號頻率處于1MHz以下時，接地選用單點接地的方式，地線應為專用地線，其電阻≤100Ω，截面積>2mm2[4]。

3? 抗干擾的軟件技術措施

在單片機自動控制系統的抗干擾設計過程中，除了硬件技術措施的應用外，還應重視軟件抗干擾設計的輔助作用，當前，較為常見的抗干擾軟件技術措施主要包括：

3.1 軟件數字濾波技術措施? 軟件濾波算法，能將單片機自動控制系統中的絕大多數因輸入信號干擾引發的輸出控制錯誤過濾出去。在單片機系統的輸入通道內，所包含的干擾源非常多，數字濾波算法能將測控結果的準確性大大提高。其應用原理為：將一組根據序列進行運算的輸入信號，轉成另外一組輸出數字蓄力的裝置。其數字濾波處理流程圖如圖1所示。

3.2 軟件陷阱技術措施? 軟件陷阱，即我們所說的攔截技術，是把顯示錯誤和處于亂飛狀態的程序捕獲抓取出來，并將所抓取內容強行送入出錯處理程序內的一種技術方法。通常情況下，我們會對利用軟件陷阱的方法攔截亂飛程序，然后再通過設計合理陷阱的方法進行恰當的處置。

軟件陷阱的布設通常在尚未使用的中斷向量區（0003H-002FH）、未使用的大片ROM空間、表格和程序的中裂點區域，如跳轉指令和返回指令之后，這部分區域在正常程序的執行過程中屬于執行死角，無法監控到，因而在對程序的執行效率方面并不會產生影響。如在程序內設計一部分容錯程序，我們假設它的入口標號是ERROR，我們可以在其內存空間里設置相應的軟件陷阱，例如NOP NOP LJMP ERROR，然后把在系統內捕獲到的失控程序送入容錯程序中進行強行處理。然后以標志位為依據將修正后的程序送入正軌中。在這里，應需要特別注意的是軟件陷阱的設置區域的選取。

3.3 “看門狗”技術措施? “看門狗”技術指的是對處于循環運行趨勢的程序進行不間斷的監視，當發現時間超出的已知循環的設定時間時，則認定其已經進入了死循環階段，系統將通過強迫執行的方式將程序返回到0000H入口處，并對錯誤的處理程序進行識別處理，使系統復位，進入到運行正軌中去[5]?！翱撮T狗”技術的特征包括：第一，具有獨立完成工作的能力，對CPU沒有依賴性。第二，CPU在特定時間間隔內會和這套系統接觸一次，即我們常說的“喂一次狗”，該接觸表明單片機自動控制系統運行的“正常性”。第三，如CPU出現進入死循環現象，這項“看門狗”技術能第一時間發現系統故障，并快速處理使其復位。

3.4 其他技術措施? 在采用其他技術措施對單片機抗干擾進行處理時，主要是針對單片機的中斷情況采取的一種有效措施?？垢蓴_的方法主要包括：第一，重復讀取信號。當對外部中斷信號時進行的采集經常會出現瞬間干擾問題，若任其發展不做處理的話，極有可能會造成對中斷程序的錯誤執行。在干擾信號出現時，其瞬間波動時間非常短，因而可通過重復讀取信號的方法來消除這一問題。第二，將未使用的空間及時關閉。關閉未使用中斷空間的方法，能將進入空間的錯誤程序及時關閉，并安全退出，以減少干擾。

4? 結束語

眾所周知，單片機自動控制系統的干擾源來自其周圍工作環境的方方面面，單片機系統在自動控制中的抗干擾設計作為一項綜合性設計，在采取硬件系統的優化調整措施的過程中，在提升單片機系統的抗干擾性方面效果顯著。然而，一旦在系統中應用較多的抗干擾硬件系統，則可能會使系統的可靠性降低。而軟件系統的改進，對硬件系統是一種有效補充，大大提升了單片機自動控制系統運行的安全性和可靠性，為系統的長期、穩定運行提供了基礎保證。

參考文獻：

[1]黃啟鋒，郭麗花，林有希，等.單片機控制系統軟件抗干擾方法的研究[J].中國農機化學報，2016，37（2）：214-217，222.

[2]張楠.單片機控制系統的抗干擾設計探析[J].信息通信，2014（1）：36.

[3]何忠悅，于淑芳.單片機抗干擾技術實踐應用探析[J].機電信息，2012（120）：112-113.

[4]桑毅，姚曄.單片機系統抗干擾問題研究[J].計算機光盤軟件與應用，2011（20）：87-88.

[5]林金忠.單片機自動控制中抗干擾研究[J].長江大學學報，2009（9）：251-252.