淺談單片機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性

【摘要】單片機(jī)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，在自動化逐漸發(fā)展的今天，單片機(jī)控制系統(tǒng)越來越受到重視。想更好的運(yùn)用單片機(jī)控制系統(tǒng)不僅要注重理論也要實(shí)踐相結(jié)合，下文就以多年的經(jīng)驗(yàn)作保障介紹了單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及容錯性抗干擾性，并給出切實(shí)可行的措施，希望使其能更好地為自動控制行業(yè)做貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；抗干擾

引言

單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡稱，是一種典型的嵌入式微控制器。具有體積小、簡單可靠、功耗低、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)應(yīng)用以及軟件開發(fā)帶來了便利。它所被應(yīng)用的領(lǐng)域廣泛，在儀表儀器，家用電器、醫(yī)用設(shè)備甚至高端領(lǐng)域都有涉及。單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件具有抗干擾技術(shù)，使單片機(jī)控制系統(tǒng)的工作更加穩(wěn)定。下文不僅介紹了抗干擾技術(shù)，更提出了可行的建議，以便大家參考。

1、規(guī)范合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和容錯設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)對電機(jī)的控制與運(yùn)動精度要求較高，所以綜合了多種因素考慮選擇了步進(jìn)電機(jī)為動力執(zhí)行元件。而容錯設(shè)計(jì)是最重要的設(shè)計(jì)，接地、濾波等都是可靠性與容錯性的設(shè)計(jì)，但是這類硬件極其復(fù)雜。并且過度引入硬件，會出現(xiàn)電路板老化、引出新噪音以及增加成本等缺點(diǎn)。

整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性全由節(jié)點(diǎn)智能模塊決定，而各節(jié)點(diǎn)智能模塊具有獨(dú)立工作能力并受控于前置計(jì)算機(jī)，控制中心可以完整整個控制工作，以便提供準(zhǔn)確及時的數(shù)據(jù)信息。

容錯設(shè)計(jì)就是對故障予以容忍的設(shè)計(jì)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)故障或出錯是客觀存在的，容錯設(shè)計(jì)就是解除系統(tǒng)故障或出錯影響措施。實(shí)施的方法是投入超常規(guī)設(shè)計(jì)所需要的資源，以換取更高的系統(tǒng)可靠性。

2、單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾簡介

要解決單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾問題，必須對多方了解干擾的類型、來源，并結(jié)合控制者深厚的理論基礎(chǔ)以及多年的實(shí)踐來給予可行的建議，付諸于實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。單片機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)需要多種專業(yè)的知識理論，其系統(tǒng)包含數(shù)字電路和模擬電路部分，因此受干擾因素比較復(fù)雜。

干擾類型分為外部干擾和內(nèi)部干擾兩種，外部干擾是由空間、溫度、磁場、濕度等外界環(huán)境引起的空間感應(yīng)干擾、地電位波動干擾等干擾；內(nèi)部干擾是由系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)或分布電容、分布電感引起的耦合等引入的干擾。

干擾的來源可以分為以下幾種：①空間感應(yīng)干擾?？臻g感應(yīng)的干擾主要來源于電磁場在空間的傳播。②過程通道抗干擾。過程通道是單片機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出以及單片機(jī)與其他智能裝置之間進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂舰鄣仉娢徊▌痈蓴_。由于整個單片機(jī)控制系統(tǒng)接地線不同，它們之間存在著一定的電位差。④電源系統(tǒng)干擾。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般由交流電網(wǎng)供電，電網(wǎng)的各種沖擊、射頻的波動都將會導(dǎo)致系統(tǒng)的電源電壓的波動，從而對單片機(jī)控制系統(tǒng)造成干擾。⑤長線傳輸干擾。單片機(jī)控制系統(tǒng)的被控對象與單片機(jī)之間一般存在或長或短的距離，當(dāng)信號在信號傳輸時傳輸線的終端阻抗不匹配，或者信號傳輸中的延時，都會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

3、硬件抗干擾技術(shù)

1）屏蔽技術(shù)。屏蔽技術(shù)能有效地抑制通過自由空間傳播的電磁干擾，磁場屏蔽目的是消除或抑制直流或低頻交流磁場與被干擾回路的磁耦合。對磁場進(jìn)行屏蔽主要采取方法：采用高磁導(dǎo)率材料的屏蔽體、反向電流或渦流實(shí)現(xiàn)磁屏蔽；強(qiáng)磁場的屏蔽可以采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)；磁場的屏蔽，以吸收衰減為主。

2）接地技術(shù)。單片機(jī)控制系統(tǒng)的接地作用基本有三點(diǎn)：一，保護(hù)人身安全以及防止設(shè)備損壞事故；二，不是噪聲電壓形成地環(huán)路，抑制干擾；三，建立一個基準(zhǔn)電壓，以保證單片機(jī)系統(tǒng)控制的穩(wěn)定正常的工作。

3）供電電源配置。對于一個完整的單片機(jī)控制系統(tǒng)來講，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。常見的電源干擾有：：電源線中的高頻干擾、感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬變噪聲、晶閘管通斷時所產(chǎn)生的干擾、電網(wǎng)電壓的短時下降干擾。電源抗干擾的基本方法有：通過在電感線圈兩端并聯(lián)吸收網(wǎng)絡(luò)或采用無觸點(diǎn)開關(guān)代替有觸電開關(guān)來消除系統(tǒng)中的電磁干擾源；采用分類供電、掉電保護(hù)裝置、蓄電池、在線UPS不間斷等方法來提高電源質(zhì)量等。

4）硬件濾波技術(shù)。單片機(jī)控制系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸入等的過程中，經(jīng)常會受到外部內(nèi)部的干擾，當(dāng)受到過多干擾時，其系統(tǒng)甚至無法正常工作。所以需要用到濾波器，常見的濾波電路有無源濾波器、有源濾波器、信號濾波器以及隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展而出現(xiàn)的數(shù)字濾波器（即軟件濾波器）。

5）隔離技術(shù)。隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)的干擾通道切斷，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場干擾的目的。該方法可用于抑制尖峰脈沖干擾、共模干擾、電源系統(tǒng)干擾和過程通道干擾。一般工業(yè)應(yīng)用的單片機(jī)控制系統(tǒng)采用的隔離措施有：光電隔離、繼電器隔離和變壓器隔離等。

6）布線抗干擾技術(shù)。單片機(jī)控制系統(tǒng)的印制電路板的選擇大小要適中，且要求布線合理，還應(yīng)滿足抗干擾技術(shù)的要求。將微弱信號電路與易產(chǎn)生噪聲污染的電路分開布線，盡量保證傳輸信號損失小，波形不失真，系統(tǒng)電路間的耦合降低到最小。

4、軟件抗干擾技術(shù)

1）指令冗余技術(shù)。當(dāng)CPU受到干擾陷入死循環(huán)，可能引起程序混亂，這時候應(yīng)將系統(tǒng)步入正軌，也就是用到指令冗余技術(shù)。此技術(shù)可以基本解決確定性干擾，當(dāng)程序彈飛到某一條單字節(jié)指令上時，就不會發(fā)生將操作數(shù)當(dāng)成指令的錯誤，而取而代之的是自動納入正軌。

2）軟件陷阱技術(shù)。所謂軟件陷阱，就是一條引導(dǎo)指令，它強(qiáng)行將捕獲到的程序引向一個指定的地址，去運(yùn)行一段程序出處理程序，使程序運(yùn)行處于正?；?。如果把這段程序的地址稱為ERROR，一旦程序運(yùn)行出錯，PC指針落到這些位置，則可有效地捕捉到使之回到正常的程序運(yùn)行。軟件陷阱在EPROM容量允許的情況下多多益善。

3）程序運(yùn)行監(jiān)視器。程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)又稱看門狗技術(shù)，當(dāng)程序受到干擾失控或進(jìn)入死循環(huán)時，當(dāng)定時時間到但系統(tǒng)不能刷新的情況下，定時器會中斷，返回起始程序或使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗技術(shù)大概有以下幾種：單穩(wěn)態(tài)型看門狗、計(jì)數(shù)器型看門狗、微處理器監(jiān)控定時器型看門狗。

4）輸入輸出數(shù)字量的軟件抗干擾。各類干擾對系統(tǒng)主要分布在輸入、輸出以及系統(tǒng)內(nèi)核部分。所以要對輸入輸出數(shù)字量進(jìn)行抗干擾修復(fù)。而采用軟件方法及靈活又經(jīng)濟(jì)，是最適合的方法。

輸入數(shù)字量中的干擾信號多呈毛刺狀，作用時間短，可以通過重復(fù)采集的方法，將隨機(jī)干擾引起的虛假輸入狀態(tài)信號濾除掉。還可以建立反饋檢測通道來確定輸出結(jié)果的正確性。

5）數(shù)字濾波技術(shù)。數(shù)字濾波技術(shù)可分為遞歸型濾波器與非遞歸型濾波器。常用的數(shù)字濾波法有：程序判斷濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、防脈沖干擾平均值濾波法和一階滯后濾波法等方法。其技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展的軟件濾波器，它可以濾除夾雜在數(shù)字信號中的干擾信號。

5、結(jié)束語

綜上所述，可靠性以及抗干擾技術(shù)對單片機(jī)控制系統(tǒng)十分重要，運(yùn)用者需要有刻苦學(xué)習(xí)的決心，多方了解自動控制技術(shù)知識，強(qiáng)化理論運(yùn)用，注重實(shí)踐。在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，尋找更方便快捷安全可靠的技術(shù)支持，以便不斷改進(jìn)單片機(jī)控制系統(tǒng)，使其能跟上信息化社會的步伐，更好地為自動控制工業(yè)服務(wù)。