單片機控制系統的抗干擾設計的研究

于 淼，王巧梭

（1.河北省海警支隊，河北 秦皇島 066000；2.河北建材職業技術學院，河北 秦皇島 066004）

隨著計算機技術和微電子技術的高速發展，計算機控制技術得到了迅猛發展。尤其是單片機（MCU）控制系統在工業生產和日常生活中的智能機電產品中得到了廣泛的應用。在單片機控制系統的設計和開發中，不僅要突出控制系統的智能化程度，還必須重視控制系統的可靠性，否則將會影響控制系統的使用性能，因此，有必要對抗干擾技術進行研究。

1 單片機控制系統概述以及抗干擾設計的重要性

單片機控制系統包括通信技術、計算機技術、自動控制技術等多項技術。這些技術形成了一個單片機控制系統，實現了自動化和智能化，使操作更方便，也提高了生產力。單片機控制系統廣泛應用于電氣工業、化工等行業，工作條件十分惡劣。受自然條件和外界環境的影響，單片機被電磁干擾，會影響其信號的有效接收。這種類型的電磁場主要是由于暴露在相應的電磁設備中，不僅會干擾信號接收，還會導致軟件和硬件的運行錯誤。因此，由于單片機控制系統和運行環境的復雜，需要增加單片機設計的抗干擾性能。由于實際運行環境非常復雜，優先找到干擾源是解決問題的關鍵所在，明確產生干擾的實際原因，才能最大程度地降低干擾，提高單片機控制系統的運行水準。單片機控制系統的可靠性是毋庸置疑的，它的軟件性能、硬件性能和先進的技術集成都確保了單片機控制系統的有效性。另外，系統可以在困難的條件下工作，也有自身的優勢，這就是單片集成電路在合理性和科學性方面的優勢。然而，并非每個系統都是可靠的，可能會發生一些錯誤，這可以通過特定的設計或錯誤保護措施來緩解。如果忽視它的缺點，就會對系統的實際運行產生一定程度的不利影響，進而影響系統的有效運行。環境對單片機系統有重大影響，為了確保系統的可行性，需要從科學的角度來開發抗干擾系統。

2 系統受到干擾的主要原因和現象

單片機控制系統工作環境十分惡劣，實際應用期間，經常會遇到系統可靠性與安全性問題。單片機控制系統應用一定要在可靠穩定的環境下進行，否則，很容易增加控制誤差，情況嚴重的還會使得系統失靈。因單片機控制系統運行時間較長，即便是微小誤差，隨著日積月累，也容易引起系統失靈，最終導致嚴重損失[1]。單片機控制系統受干擾主要表現在以下幾個方面。

2.1 數據采集誤差

隨著測量單元模擬信號輸入通道在采集的信號上的疊加，數據準確性不斷下降，這一點在傳感器輸出微弱信號期間，尤為明顯。

2.2 控制狀態

輸出控制信號和某種狀態下的輸入信號及邏輯處理結果密切相關。若上述狀態信號被干擾，虛假狀態信號就會被引進，從而導致輸出控制誤差越來越多，最終導致控制失控。

2.3 干擾狀態下的數據變化

單片機控制系統中，RAM內存能進行讀/寫，因此，基于這一環境，很容易篡改RAM中的數據。在單片機系統中，程序存儲器中包含程序、表和常量[2]，這些可以防止系統受到外界干擾。但就內部RAM而言，可通過改變外部干擾來更新內部數據。結合干擾通道情況，內部數據性質也存在明顯差異，相應地導致的系統損傷也不一樣。引起錯誤數據的原因，主要包含控制失敗，程序狀態改變，組件狀態改變等。

2.4 程序運行發生異常

單片機控制系統中程序計數器合理運行，可以確保系統程序正常。若由于外部干擾，導致計數器數值變化，很容易對正常程序造成破壞。一般來講，程序多會執行系列指令，這些指令多半是無意義的，隨后進到“死循環”，這一過程常常會導致系統故障。

3 硬件系統可靠性設計

單片機應用可靠性技術和生產過程密切相關，具體像設計、制造、測試、安裝、維護等方面，另外還和生產管理、質量控制體系、人員專業水平等方面有關。導致系統運行不穩的因素主要有以下幾點。

3.1 電子元件性能與可靠性組成

電子元器件作為系統基本單元，其質量與穩定性會對系統性能與可靠性產生影響[3]。為了確保硬件系統合理可靠，有必要做好設計工作。所以具體設計期間，為了保證元件可靠性，應先選用元器件，確保其滿足穩定性與高精度水平要求。在微電子技術發展中，電子元器件可靠性逐漸提升。硬件抗干擾技術是系統設計首選的抗干擾措施，能有效抑制干擾源，阻斷干擾的傳輸信道。

3.2 系統設計

電路設計期間，應合理布局元件與電路，消除元件間電磁干擾，做好電路設計優化工作，可以有效控制外部干擾在系統方面產生的影響，例如平衡和去耦電路。冗余也稱為容錯或故障屏蔽，也可以作為一種設計方法，通過增加執行相同功能的并行或備用單元來提高系統可靠性。當某些組件故障不影響整個系統的運行時，為了減少外部電磁干擾，電磁兼容性設計可用于改善電磁環境下的單片機系統，確保指定功能順利完成。一般情況下，主要抗電磁干擾硬件措施包含去耦電路，屏蔽、有濾波、接地等技術。

3.3 使用時鐘低頻單片機

一般來講，外時鐘身為高頻噪聲源，既會干擾外界，還會干擾系統硬件電路。為了減少噪聲干擾，可以優選低頻率單片機，便于提升單片機控制系統抗干擾性。對于不同公司而言，單片機外時鐘存在較大差異，例如，ATMAL公司使用的外時鐘是6 MHz，MOTOROLA公司使用的單片機外時鐘是4 MHz。

3.4 輸入、輸出隔離

隔離狀態中輸入與輸出，能阻斷信號干擾，此時強電流難以沖擊回路[4]。單片機控制系統設計期間，使用的隔離方法包含繼電器隔離、光電隔離、變壓器隔離。若輸出與輸入信號處在隔離情況下，很難傳遞直流分量，該方法多針對不傳遞直流分量輸入、輸出控制設備。此外，光電耦合器結構相對簡單，常常被應用在工業生產信號輸入與輸出隔離信號中。

3.5 屏蔽技術和去耦電路

為防止電子設備朝外敷設干擾電磁波，減少電子設備干擾，可使用如下屏蔽技術，例如，噪聲源大開關電源，借助雙重屏蔽，即可保護開關電源。數字信號電平轉換期間，產生電流沖擊很大，傳輸線與供應電源內阻將產生很大壓降，其會干擾電路正常運行。為合理抑制干擾，在電源電路與數字信號處理期間合理應用去耦電容，即可變為去耦電路，減少集成電路帶來的干擾。

3.6 印刷電路板設計

電路板元器件布置期間，應結合其功能合理布置，加上不同模塊對應電源與地線相連，然后云集在一點進行連接。為了得到最佳抗干擾成效，應在外圍一同布設單片機和電路，減少二者間總線長。邏輯電路設計期間，為了減少公共阻抗與輻射耦合，隔離變壓器與光電耦合器需放置接近端子位置，避免相鄰信號線的線間干擾。電路板線路布置期間，電路板銅模線應盡量使用45°折線，設計者應按照粗地線與電源線，電流和信號流向相同的原則，以減少信號在傳輸導線上的延遲。

3.7 選擇優質組件

因單片機控制系統運行常常受到外界環境影響，為防止影響系統設備，最終引起系統故障，設計系統期間應選擇優質產品，特別像晶振與RAM等組件，便于在提升系統抗干擾性期間，保證系統控制可靠性與精度。此外，高性能CMOS器件，可以提升噪聲容限，而測量放大器則能合理抑制共模帶來的干擾。

4 軟件系統防干擾設計

軟件是區分計算機系統和其他電子設備的主要結構。做好軟件編制工作，能全面提升系統可靠性。常用的軟件措施有信息冗余技術和自動故障檢測與診斷技術，主要有以下幾個方面。

4.1 存儲空間冗余技術

應用單片機控制系統期間，加強信息維護與數據保存，可以有效提升系統可靠性。為了避免系統丟失，常常需要對重要數據與文件進行多次復制，然后將其存儲到不同空間內，若某個間隔下數據被損壞，系統會從其他部分進行復制，便于恢復自身所需信息。

4.2 時間冗余技術

單片機控制系統應用期間，為了提升系統可靠性，可進行重復操作，然后將結果和前期控制結果對比分析，便于驗證系統操作是否正常。唯有上述兩方面結果一樣，方能進到下一步。若二者結果不同，可重復進行，若第三個結果和前兩者相同，另一個結果多因意外引起，此時應立即將其排除。若上述三個結果都不同，則可確定為永久性硬件故障，然后繼續進行檢查。該方法主要是應用時間成本提升可靠性，故而也叫做時間冗余技術或重復檢測技術。

4.3 自動故障檢測與診斷技術

若系統復雜，為了及時檢測故障設備，更換使用單元，應開展在線系統測試，然后做好系統診斷工作。該過程操作目的是確保動作與功能正常，便于第一時間找到故障位點，從而進一步減少維修時間。

4.4 軟件可靠性

單片機控制系統運行軟件可以實現不同功能。軟件可靠性研究，即看軟件是否能夠真實地描述多功能。所以，對生產過程的理解和軟件編寫質量密切相關。為了提高軟件可靠性，設計者需要深入理解生產過程，確保軟件閱讀方便，便于測量與修改工作開展。

4.5 失效保險技術

針對重要系統，整個系統故障應處在安全的狀態。另外，還包含一些數字濾波、程序監控和故障自動恢復技術。

4.6 數字濾波

單片機系統在運行過程中，經常會出現死鎖、錯誤操作、信息不準確等情況，十分頻繁會出現程序死循環。當輸入通道為模擬信號時，檢測誤差增大，尤其是模擬信號波較短時，難以保證數據的精準和完整。為了控制或避免數據誤差，基于信號和噪聲特性的噪聲要求和設計方法，通過算術平均和比較折衷方法不斷優化，使數字濾波器盡可能地濾除系統誤差中嘈雜的輸入信號。

4.7 提高RAM資料的可靠性

當設備開啟或關閉時，它會在一定程度上影響CPU甚至RAM。冗余數據保護技術可用于保護RAM數據。系統恢復后，對備份RAM及其關鍵參數進行自檢恢復，為RAM提供重要數據，確保數據有效保護，防止MCU軟件誤操作。由于數字輸入輸出對噪聲敏感，可以在信號中加入一定數量的離散突發，但這種噪聲不適合硬件控制，必須通過軟件檢測。為保護開關的輸入輸出端不受干擾，對單片機控制系統的抗干擾設計進行了科學可靠的改進，使其更適合不同的工作環境，確保更方便的公共生產服務與生活。

5 單片機控制系統的抗干擾對策

5.1 加強系統分析

對于單片機控制系統自身來說，抗干擾工作不僅不能達到預期的效果，而且即使單獨使用常規的方法也會出現很多問題。在開發干擾保護時，要從系統分析的角度入手，選擇合適的工具和策略。考慮到單片機控制的不同工作環境和不同邊界條件，有必要進行詳細的分析，作為對未來工作的額外幫助和指導。無論是對一個研究問題，還是對系統的全面調查，都可以使整個系統更加穩定。其次，檢查全部的干擾源或動態因素，充分考慮抗干擾系統設計，分析單片機控制系統，完善抗干擾系統。

5.2 數字輸入端的噪聲抑制

抗干擾設計必須來自硬件，而單片機控制系統的良好性能與硬件本身息息相關，因此，設備維護不當會產生負面影響。數字輸入端的降噪設施可以提供全方位的降噪功能，為系統的未來發展開拓更廣大的空間。在輸入端，RC濾波器時間常數大于最大脈沖寬度，小于信號寬度，這意味著可以在不損失信號的情況下抑制噪聲。在輸入端加一個上拉電阻來提高電源電壓，可以提高輸入電平，提高輸入的穩定性[5]。為了提高對低電平輸出信號的抗擾度，可以降低信號源內阻，即采用增益為1的電壓跟隨器來提高單片機控制的效率系統。

5.3 外圍擴展存儲器的抗干擾

調試單片機控制系統必須以多種模式進行。引入單一技術可以防止短期業務中斷，但無助于長期發展。外設可擴展內存干擾抑制是單片機控制系統中不可或缺的構成要件。首先，數據線、地址線和控制線應當較短，以減少對地電容。尤其要考慮每條地址線的長度，連接方式盡量統一，避免每條線的阻抗與進入端口的地址信號波形產生過大的差異。在傳輸過程中，異步控制信息因此受到干擾。其次，由于負載電流大，電源線和地線要按需求加粗。同時，電路板兩側的三條母線相互成直角排列，以避免母線間產生電磁干擾。

5.4 軟件抗干擾

單片機控制系統的抗干擾性能不僅需要硬件投資，還需要用軟件進行科學編程。抗干擾軟件在當前的現實情況中越來越受到重視。為了推進工作，有必要完善抗干擾軟件系統。比如，選擇軟件過濾算法可以改進抗干擾設計系統。這種方法可以濾除輸入信號中由噪聲引起的大部分采樣誤差。目前，普遍使用的手段是算術平均法、比較法、中值法和一階遞歸數字濾波法。因此，軟件降噪可以更好地匹配硬件降噪，確保單片機控制系統的合理性和可靠性。

6 單片機控制系統抗干擾設計的發展趨勢

現代單片機控制抗干擾系統的開發取得了一些進展。未來單片機抗干擾系統的設計問題會逐漸增多，需要堅持智能化的思路，優化抗干擾電路的設計和狀態，構建單片機多模控制系統。單片機控制的干擾抑制系統涉及內容必須更廣泛，結合其他技術電路或其他邊界條件，正確的設計可以減少問題的發生。

7 單片機控制系統抗干擾設計的注意事項

抗干擾單片機控制器設計已成為行業發展的重要組成部分。為保證系統的安全性和可靠性，必須考慮以下幾個方面：1）早期開發單片機防抱死制動系統控制系統，提高可靠性，消除防抱死制動系統的故障。在設計單片機控制系統時，需要對各種干擾源及其強度、損耗進行深入研究和分析。2）單片機抗干擾系統的設計需要改進，特別是對于一些新的干擾源，需要進行大范圍的檢測和分析。選擇合適的方式，找出問題的最優解，即用尖端的成熟技術解決。3）單片機控制系統的抗干擾系統需要持續革新，以提高技術交流的效率。

8 結語

在單片機控制系統設計開發過程中，結合工作環境的實際應用，上述抗干擾系統設計和優化的措施和方法的使用，可以有效提高單片機系統的工作穩定性，充分體現了單片機控制系統經濟性。筆者從硬件、軟件兩個方面探討了一些提高抗干擾能力的方法，并在一些實際工程設計中采用，收到了良好的效果，基本解決了令人頭痛的干擾問題。