單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的可靠性分析

朱志明

摘 要：影響單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素主要為各類(lèi)干擾源，包括元件、設(shè)備本身和外部環(huán)境等。如果系統(tǒng)中存在尖峰或脈沖，就說(shuō)明系統(tǒng)存在干擾。要想提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，就必須盡可能地消除這些干擾。分析了干擾源的類(lèi)型，并提出了提升系統(tǒng)可靠性的方法。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；嵌入式系統(tǒng)；干擾源；電磁波

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.097

單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)通常被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，其工作環(huán)境惡劣，容易受到各種干擾。這就對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了很高的要求，只有有效抑制干擾，系統(tǒng)的價(jià)值才能發(fā)揮出來(lái)。單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的干擾源較多，要求工作人員將環(huán)境因素和系統(tǒng)因素綜合起來(lái)考慮，采用有效措施消除這些干擾，從而進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

1 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的干擾源類(lèi)型

1.1 電源干擾

電源干擾主要是由供電系統(tǒng)穩(wěn)定性較差造成的。如果供電系統(tǒng)中存在過(guò)壓現(xiàn)象或供電突然中斷，系統(tǒng)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)浪涌電壓，其主要存在形式為紋波。此時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)受到干擾。電源干擾是系統(tǒng)中最常見(jiàn)，也是最嚴(yán)重的一種干擾。另外，浪涌電壓雖然不會(huì)在系統(tǒng)中存在太長(zhǎng)時(shí)間，但系統(tǒng)功能會(huì)因此而紊亂，即使系統(tǒng)沒(méi)有遭到嚴(yán)重破壞，也無(wú)法正常運(yùn)行。

1.2 傳輸通道干擾

輸通道干擾是指信息傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的干擾。這類(lèi)干擾產(chǎn)生的原因有很多，可能來(lái)源于外部設(shè)備，也可能來(lái)源于驅(qū)動(dòng)器、變壓器的輸入部件和輸出部件。如果系統(tǒng)中的設(shè)備存在漏電現(xiàn)象，或者傳感器測(cè)量部件的絕緣性較差，又或是接地系統(tǒng)存在漏洞，差模電壓、共模電壓就會(huì)串入到通信通道中，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。如果同一根電纜中包含很多通道的傳輸線，各個(gè)通道之間就會(huì)在分布電感的作用下相互干擾。

1.3 系統(tǒng)自身的干擾

系統(tǒng)的控制對(duì)象在發(fā)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲疊加現(xiàn)象，直接對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生干擾。噪聲疊加現(xiàn)象與信號(hào)源一同經(jīng)過(guò)處理以后，后級(jí)電路就會(huì)遭到嚴(yán)重干擾。

1.4 空間磁場(chǎng)干擾

由于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境惡劣，其設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，控制系統(tǒng)極易受到這些電磁輻射的影響，包括發(fā)射天線所產(chǎn)生的電磁波、焊機(jī)所產(chǎn)生的噪聲和輻射等。

2 提升單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)可靠性的方法

2.1 避免電源干擾的方法

避免電源干擾的方法主要有以下幾種：①使用濾波器消除高頻干擾。由于高次諧波在電力系統(tǒng)中是非常常見(jiàn)的，其會(huì)將電源作為傳輸介質(zhì)進(jìn)入到單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)中。高次諧波主要有兩種存在方式，即共模和差模。使用濾波器可以有效消除高頻干擾，既能抑制共模噪聲，也能抑制差模噪聲。②對(duì)于尖峰干擾和浪涌干擾來(lái)說(shuō)，可以借助壓敏電阻來(lái)消除。如果壓敏電阻兩端的電壓超出額定范圍，電阻中通過(guò)的電流就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，發(fā)生短路現(xiàn)象。此時(shí)，可以利用壓敏電阻的這一特性來(lái)吸收尖峰電壓和浪涌電壓。一般情況下，可將壓敏電阻與初級(jí)電源和次級(jí)電源并聯(lián)起來(lái)。③變壓器是影響電源穩(wěn)定性的重要因素，可以對(duì)其采用雙隔離方式，將初級(jí)線圈屏蔽層和次級(jí)線圈屏蔽層與中心點(diǎn)接地，而次級(jí)外屏蔽層接抑制板地，以此降低高頻和低頻脈沖干擾。④系統(tǒng)電路分為兩種類(lèi)型，即數(shù)字電路和模擬電路。為了避免各個(gè)電路之間相互干擾，可以對(duì)這兩種電路獨(dú)立供電。這樣，這兩種電路就不會(huì)直接連接，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行、互不干擾。⑤將監(jiān)視電路運(yùn)用于系統(tǒng)中主要用來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)中的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并明確導(dǎo)致異常的原因，同時(shí)，將復(fù)位信號(hào)和中斷信號(hào)及時(shí)傳輸出去。

2.2 避免傳輸通道干擾的方法

避免傳輸通道干擾的方法主要有以下幾種：①可以在傳感器周邊安裝一個(gè)增益放大器，最好選擇差動(dòng)輸入方式，以有效避免共模干擾混入系統(tǒng)中。②為了減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中的感應(yīng)，可以將屏蔽線作為傳輸線，并將屏蔽層接地。③在長(zhǎng)線的傳輸過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配，避免因阻抗不匹配而導(dǎo)致信號(hào)失真。④要對(duì)傳輸線進(jìn)行合理布局，將強(qiáng)電線與信號(hào)線分開(kāi)，不允許二者混扎在一起；信號(hào)強(qiáng)的傳輸線與信號(hào)弱的傳輸線要分開(kāi)，二者最好保持垂直。⑤單片機(jī)與輸入電路、輸出電路之間最好用光電耦合器隔離。這樣就能有效防止干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)造成干擾，同時(shí)，系統(tǒng)本身的噪聲也不會(huì)傳播出去，避免其對(duì)外界電力設(shè)備造成干擾。⑥如果輸入線或輸出線的長(zhǎng)度在80 cm以上，可以適當(dāng)增大傳輸電壓值和電流值，否則很可能導(dǎo)致信號(hào)失真。將MC1488安裝在傳送端。這樣，電平就可以達(dá)到12 V。將MC1489安裝在接收端，電平就會(huì)恢復(fù)到5 V。

2.3 避免系統(tǒng)自身干擾的方法

在系統(tǒng)運(yùn)行中，傳感器需要完成的一項(xiàng)重要工作就是采樣。采樣會(huì)受到工作環(huán)境的直接影響——環(huán)境變化時(shí)，電路參數(shù)隨之波動(dòng)，控制精度就會(huì)受到影響。為了避免這種現(xiàn)象，一般采取以下措施：①要保證控制環(huán)境的穩(wěn)定性，將環(huán)境因素的變化控制在合理范圍內(nèi)；②在選擇器件時(shí)，盡量不選擇容易受到環(huán)境影響的器件；③為了進(jìn)一步提升傳感器的穩(wěn)定性，可以將補(bǔ)償裝置加入其中，也可以連接一條抑制漂移的電路。

2.4 避免空間磁場(chǎng)干擾的方法

避免空間磁場(chǎng)干擾主要有兩種方法，即屏蔽和接地。要做好這兩項(xiàng)工作，就需要注意以下幾點(diǎn)：①在選擇信號(hào)線時(shí)，要求其具備屏蔽功能，最好選擇絞線型；屏蔽層必須單獨(dú)接地，不允許將其當(dāng)作信號(hào)線使用。②為了消除靜電干擾，可以對(duì)感應(yīng)體作接地處理，并且要避免其形成接地環(huán)路。③需要作接地處理的電路有兩種類(lèi)型，即強(qiáng)電流電路和弱電流電路。為了避免接地以后兩種電路相互干擾，要將二者的接地地點(diǎn)分開(kāi)，將粗銅線作為地線，然后將其與箱底地線連接。

3 總結(jié)

單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)處于不同的工作環(huán)境下，其所表現(xiàn)出的穩(wěn)定性是不同的。為了提升系統(tǒng)的適應(yīng)能力，有效對(duì)抗外界干擾，需要進(jìn)一步提升其穩(wěn)定性。本文主要分析了系統(tǒng)的干擾源類(lèi)型，并從電源干擾、傳輸通道干擾、系統(tǒng)本身干擾和空間磁場(chǎng)干擾幾個(gè)角度分析了抗干擾的方法。

〔編輯：劉曉芳〕