單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)綜合抗干擾技術(shù)的研究

李家坤

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212）

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境中，往往不可避免地存在著各種干擾源，如供電系統(tǒng)的干擾、過程通道的干擾、空間輻射的干擾等，這些干擾極容易入侵計(jì)算機(jī)，造成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性大大下降。因此，增強(qiáng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性顯得尤為重要[1]?？垢蓴_技術(shù)主要有硬件抗干擾和軟件抗干擾，本文分析了干擾的來源及其影響，并在硬件和軟件兩方面系統(tǒng)地提出了有效的抗干擾措施。

1 干擾的來源和后果

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中干擾是以脈沖的形式進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，主要有供電系統(tǒng)的干擾、過程通道的干擾及空間輻射的干擾。供電系統(tǒng)干擾是以電源的噪聲干擾引起的；過程通道干擾是干擾通過前向通道和后向通道進(jìn)入系統(tǒng)；空間輻射干擾多發(fā)生在高電壓、大電流、高頻電磁場(chǎng)附近，并通過靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等方式侵入系統(tǒng)內(nèi)部。干擾一般沿各種線路侵入系統(tǒng)，此外，系統(tǒng)接地裝置不可靠，也是產(chǎn)生干擾的重要原因；各類傳感器，輸入輸出線路的絕緣損壞均有可能引入干擾[2]。

干擾產(chǎn)生的后果主要有：（1）造成數(shù)據(jù)采集誤差加大；（2）造成程序運(yùn)行失常；（3）引起系統(tǒng)被控對(duì)象的誤操作；（4）引起被控對(duì)象狀態(tài)不穩(wěn)定；（5）造成定時(shí)不準(zhǔn)；（6）使存貯器中有效數(shù)據(jù)發(fā)生變化。

2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)

2.1 供電系統(tǒng)的抗干擾措施

（1）遠(yuǎn)離干擾源。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的電源線不宜接入帶有大功率感性負(fù)載的動(dòng)力線，可以采用專用的220 V交流電源供電。

（2）安裝隔離變壓器?？紤]到高頻噪聲通過變壓器不是依初次級(jí)線圈的互感耦合，而是靠初次級(jí)寄生電容耦合的，因此隔離變壓器的初次級(jí)之間應(yīng)采用三層屏蔽層保護(hù)。

（3）模擬電路與數(shù)字電路系統(tǒng)獨(dú)立供電。模擬電路與數(shù)字電路之間無電路上的直接聯(lián)系，而是利用浮空技術(shù)，互不共地。

（4）數(shù)字電路系統(tǒng)采用集成度高、抗干擾性強(qiáng)的開關(guān)電源。在交流電源輸入端加入LC高頻濾波網(wǎng)絡(luò)，能有效地濾除高頻干擾。

（5）安裝低通濾波器。由諧波頻譜分析可知，電源引起的干擾大部分是高次諧波，可在隔離變壓器之后設(shè)計(jì)低通濾波器，使得50 Hz市電基波通過，濾去高次諧波，以改善電源波形。

（6）采用分散獨(dú)立的功能塊供電。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，用三端集成穩(wěn)壓塊分別組成所需的穩(wěn)壓電源，這樣可以減少公共阻抗和公共電源的相互耦合，有利于電源散熱，大大提高供電的可靠性。

2.2 過程通道的抗干擾措施

導(dǎo)線間的相互耦合（包括電耦合、磁耦合、電磁耦合）是過程通道干擾的主要因素之一，合理布線、選線以及通道的隔離是抑制、消除干擾的主要措施。

（1）布線上采用“遠(yuǎn)離技術(shù)”。將干擾源遠(yuǎn)離被干擾的信號(hào)線和回路，即強(qiáng)電的饋線必須單獨(dú)連線，絕對(duì)不能與弱信號(hào)線綁扎在一起，盡量避免平行走向，最好使兩者正交，這樣可以將電場(chǎng)耦合與磁場(chǎng)耦合形成的干擾電壓降到最小。

（2）采用雙絞線傳輸，注意長(zhǎng)線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ洹Ｒ笤吹妮敵鲎杩?、傳輸線的特性阻抗與接收端的輸入阻抗三者相等。

（3）采用電流傳輸代替電壓傳輸。這種方法可獲得較好的抗干擾能力。

（4）采用光電耦合隔離。光電耦合器是在密封條件下，利用光電耦合來溝通被切斷的電路，不會(huì)受到外界光的干擾。

（5）進(jìn)入A/D的每路信號(hào)，先要進(jìn)行濾波和限幅，以減小干擾的影響。同時(shí)采用低噪聲前置差動(dòng)放大電路，獲得較大的共模抑制比。

（6）對(duì)于暫不工作的A/D通道，輸入一律短路，以防止感應(yīng)電壓進(jìn)入計(jì)算機(jī)，影響系統(tǒng)正常工作。

2.3 空間輻射的抗干擾措施

輻射干擾主要來源于空間存在的多種電磁波。例如，通信、廣播、大功率設(shè)備的開關(guān)電弧，電網(wǎng)有脈沖源工作時(shí)的射頻波及系統(tǒng)內(nèi)部高頻電路輻射出的電磁波等，這些輻射波的電磁感應(yīng)的方式通過殼體、導(dǎo)線等形成接收電路，造成對(duì)電路的干擾[3]。

防止輻射干擾的主要方法有：

（1）屏蔽技術(shù)。包括靜電屏蔽、電磁屏蔽、磁屏蔽。屏蔽方式有兩種：一種是把容易被干擾的電路或?qū)Ь€、殼體等屏蔽起來，以防接收輻射干擾；另一種是把輻射屏蔽起來，防止輻射干擾影響其他電路，例如將ADC等器件置于接地的金屬罩內(nèi)。

（2）合理布局。將內(nèi)部具有輻射性能的電路獨(dú)立遠(yuǎn)置，以避免對(duì)其他電路的影響。

（3）在信道中設(shè)置各種濾波器，以濾除由輻射而引起的干擾。

2.4 其他抗干擾措施

2.4.1 印制電路板的布線與工藝

（1）盡量采用多層印制電路板，多層板可提供良好的接地網(wǎng)，可防止產(chǎn)生地電位差和元件之間的耦合。

（2）印制電路板要合理分區(qū)。模擬電路區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、功率驅(qū)動(dòng)區(qū)要盡量分開，地線不能相混，分別和電源端的地線相連。

（3）元件面和焊接面應(yīng)采用相互垂直、斜交，或者彎曲走線，避免相互平行以減小寄生耦合：避免相鄰導(dǎo)線平行段過長(zhǎng)；加大信號(hào)線間距。高頻電路互聯(lián)導(dǎo)線盡量短，使用 45°或者圓弧折線布線，不要使用 90°折線，以減小高頻信號(hào)的發(fā)射。

（4）印制電路板要按單點(diǎn)接電、單點(diǎn)心接地的原則送電。三個(gè)區(qū)域的電源線、地線分三路引出。地線、電源線要盡量粗，噪聲元件與非噪聲元件要盡量分開。時(shí)鐘振蕩電路、特殊高速邏輯電路部分用地線圈起來，讓周圍電場(chǎng)趨近于零。

（5）使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率的時(shí)鐘，時(shí)鐘產(chǎn)生器要盡量靠近用到該時(shí)鐘的器件。石英晶體振蕩器外殼要接地，時(shí)鐘線盡量短，時(shí)鐘線要遠(yuǎn)離 I／O線，在石英晶體振蕩器下面要加大接地的面積而不應(yīng)該走其他信號(hào)線。

（6）I／O驅(qū)動(dòng)器件、功率放大器件盡量靠近印制板的邊、靠近引出接插件。重要的信號(hào)線盡量短、盡量粗，并在兩側(cè)加上保護(hù)地。將信號(hào)通過扁平電纜引出時(shí)，要使用地線—信號(hào)—地線相間的結(jié)構(gòu)。

2.4.2 提高元器件的可靠性

（1）選用質(zhì)量好的電子元件并進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試、篩選和優(yōu)化[4]。

（2）設(shè)計(jì)時(shí)元件技術(shù)參數(shù)要留有一定的余量。（3）提高印制板和組裝的質(zhì)量。

2.4.3 使用多機(jī)冗余設(shè)計(jì)

在對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，使用多機(jī)冗余可進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力。多機(jī)冗余，就是執(zhí)行同一個(gè)控制任務(wù)，可安排多個(gè)單片機(jī)來完成。以雙機(jī)冗余為例，所謂雙機(jī)冗余，就是執(zhí)行同一個(gè)控制任務(wù)，可安排兩個(gè)單片機(jī)來完成，即主機(jī)與從機(jī)。正常情況下，主機(jī)掌握著三總線的控制權(quán)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，此時(shí)，從機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，等待仲裁器的觸發(fā)。

3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)

一般來講，竄入微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的干擾，其頻譜往往很寬，采用硬件抗干擾措施，只能抑制某個(gè)頻率段的干擾，仍有一些干擾會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)。因此，除了采取硬件抗干擾方法外，還要采取軟件抗干擾措施。

3.1 采用數(shù)字濾波技術(shù)

疊加在系統(tǒng)模擬輸入信號(hào)上的噪聲干擾，會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。但由于這些噪聲的隨機(jī)性，可以通過數(shù)字濾波技術(shù)剔除虛假信號(hào)，求取真值。常用方法如下：

（1）算術(shù)平均濾波法

算術(shù)平均濾波法就是連續(xù)取N個(gè)值進(jìn)行采樣，然后求其平均值。該方法適應(yīng)于對(duì)一般具有隨機(jī)性干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。這種濾波法的特點(diǎn)是：N值較大時(shí)，信號(hào)的平滑度好，但靈敏度低；當(dāng)N值較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高。

（2）遞推平均濾波法

該方法是把N個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度為N，每進(jìn)行一次新的測(cè)量，就把測(cè)量結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，計(jì)算N個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。對(duì)周期性的干擾，此方法有良好的抑制作用，平滑度高，靈敏度低。但對(duì)偶發(fā)脈沖的干擾抑制作用差。

（3）防脈沖干擾平均值濾波法

在脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，如果采用一般的平均濾波法，則干擾將會(huì)“平均”到結(jié)果中去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的誤差。為此，在N個(gè)采樣數(shù)據(jù)中，去掉最大值和最小值，然后計(jì)算N－2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。為了加快測(cè)量速度，N一般取值為4。

3.2 采用系統(tǒng)自檢程序

設(shè)計(jì)系統(tǒng)自檢程序是提高系統(tǒng)可靠性的有效方法之一。自檢程序能對(duì)單片機(jī)的輸入輸出通道、內(nèi)部RAM、特殊功能寄存器SFR、外部RAM進(jìn)行故障檢查和診斷，并能給出故障的部位。

3.3 系統(tǒng)程序失控的對(duì)策

當(dāng)干擾通過總線或其他口線作用到CPU時(shí)，就會(huì)造成程序計(jì)數(shù)器PC值的改變，引起程序混亂，使系統(tǒng)失控。因此，在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，如何發(fā)現(xiàn)CPU受到干擾，并盡可能無擾地使系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)是軟件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要問題。

3.3.1 采用指令冗余技術(shù)

CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼執(zhí)行，引起程序混亂。MCS-51指令系統(tǒng)中所有的指令都不超過3個(gè)字節(jié)，而且有很多單字節(jié)指令。當(dāng)程序彈飛到某一個(gè)單字節(jié)指令上時(shí)，便自動(dòng)納入正軌；當(dāng)彈飛到某一雙字節(jié)或三字節(jié)指令上時(shí)，有可能落到某操作數(shù)上繼續(xù)出錯(cuò)[5]。因此，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)指令（NOP），或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)書寫，這就是指令冗余。對(duì)雙字節(jié)和三字節(jié)，在其后插入2條空操作指令NOP，可保護(hù)其后的指令不被拆散。程序設(shè)計(jì)中，常在一些對(duì)程序流向起決定作用的指令 （如 RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JC 等）和某些對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)起重要作用的指令 （如SETB、EA等）之前插入2條NOP指令，可保證納入正軌，或者在這些重要指令后面重寫，確保這些指令的正確執(zhí)行。

3.3.2 采用軟件陷阱技術(shù)

所謂軟件陷阱，就是在PC正常運(yùn)行不該到達(dá)的存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置一條引導(dǎo)指令，捕獲PC并強(qiáng)行將其引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專門對(duì)程序運(yùn)行出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序，以此達(dá)到復(fù)位系統(tǒng)的目的。

如果把這段程序的入口標(biāo)號(hào)稱為ERR的話，軟件陷阱即為一條LJMP ERR指令，為加強(qiáng)其捕捉效果，一般還在它前面加兩條NOP指令。因此，真正的軟件陷阱由三條指令構(gòu)成：

軟件陷阱常被安排在未使用的中斷向量區(qū)；未使用的大片ROM空間；表格及程序區(qū)。

由于軟件陷阱都安排在程序正常執(zhí)行不到的地方，故不會(huì)影響程序執(zhí)行效率。

3.3.3 利用“看門狗”技術(shù)

當(dāng)跑飛程序既沒有落入軟件陷阱，又沒有遇到冗余指令，而是在用戶程序之間或用戶本未使用的地址空間跳來跳去，自動(dòng)形成一個(gè)死循環(huán)。解決這一問題的辦法是采用“看門狗”技術(shù)來實(shí)現(xiàn)PC快速自恢復(fù)。

“看門狗”可采用硬件電路設(shè)計(jì)完成，也可以采用軟件“看門狗”。采用軟件“看門狗”可以避免硬件“看門狗”所需要增加的開銷。

軟件看門狗的具體設(shè)計(jì)方法如下：

采用定時(shí)器T0作為WATHDOG，將 T0的中斷定義為高級(jí)中斷，系統(tǒng)中的其他中斷設(shè)為低級(jí)中斷，WATCHDOG啟動(dòng)后，系統(tǒng)必須及時(shí)刷新T0的時(shí)間常數(shù)。這樣，當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，由于每次還未到T0產(chǎn)生溢出中斷，即將T0的時(shí)間常數(shù)刷新，T0中斷永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生；而當(dāng)程序因干擾進(jìn)入某一小區(qū)域死循環(huán)時(shí)，T0將產(chǎn)生高級(jí)中斷，T0中斷可直接轉(zhuǎn)向出錯(cuò)處理程序，由出錯(cuò)處理程序來完成系統(tǒng)復(fù)位。

針對(duì)電源的干擾、過程通道的干擾、空間輻射的干擾等幾種主要的干擾源，本文從硬件、軟件兩個(gè)方面探討了一些提高抗干擾能力的方法。不同的單片機(jī)系統(tǒng)都有自己的系統(tǒng)特點(diǎn)和要求，在硬件和軟件抗干擾設(shè)計(jì)上也各有自己的特色，在實(shí)踐中可以有針對(duì)性地采用其中幾種。

[1]何立民.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997.

[2]先鋒工作室.單片機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]王幸之.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[4]周晗曉，袁慧梅.單片機(jī)系統(tǒng)的印制板設(shè)計(jì)與抗干擾技術(shù)[J].電子工藝技術(shù)，2004（6）.

[5]史勇，謝曉霞.測(cè)控系統(tǒng)中的軟件抗干擾技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（19）.