單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常見干擾產(chǎn)生的原因與抗干擾技術(shù)分析

張志

摘要：針對單片機(jī)系統(tǒng)在日常應(yīng)用中的受到干擾因素進(jìn)行分析，介紹了影響單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的干擾源，最后得出通過硬件和軟件兩個方面提高單機(jī)片系統(tǒng)抗干擾性的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：單機(jī)片；干擾；抗干擾技術(shù)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）06-0214-02

單片機(jī)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)測控領(lǐng)域中，并且其具有價格低、體積小、功能靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此其在生產(chǎn)過程中、工業(yè)自動化以及儀器領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大對其可靠性提出了更高的要求，其中抗干擾是一項(xiàng)重要內(nèi)容，因此在單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用過程中必須要做好抗干擾研究，確保單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 抗干擾技術(shù)的重要性

微機(jī)測控系統(tǒng)經(jīng)常需要在惡劣的環(huán)境下工作，對其進(jìn)行應(yīng)用要注意對安全性和可靠性問題的研究。微機(jī)測控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中必須能可靠、長期、穩(wěn)定運(yùn)行，否則在運(yùn)行過程中很有可能因?yàn)榭刂粕铣霈F(xiàn)誤差，影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，情況嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致系統(tǒng)失控，造成嚴(yán)重的后果。測控系統(tǒng)在受到干擾后，引起的后果主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）采集到的數(shù)據(jù)的誤差擴(kuò)大，干擾侵入到微機(jī)系統(tǒng)測量單元的內(nèi)部，對輸出通道的信號進(jìn)行模擬，模擬信號會與有用信號發(fā)生疊加，這將會導(dǎo)致采集到的信號誤差進(jìn)一步擴(kuò)大，尤其是傳感器所傳輸?shù)男盘栞^弱時，干擾將會變得更加嚴(yán)重，對系統(tǒng)的影響也會進(jìn)一步加劇。

2）由于受到干擾，數(shù)據(jù)發(fā)生變化，單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用的RAM存儲其不僅是可讀的，同時也可寫，因此在應(yīng)用過程中，一旦遭受到干擾，RAM中所存儲的數(shù)據(jù)不僅會泄漏，并且面臨著被篡改的風(fēng)險。

3）程序無法正常運(yùn)行，存在于單機(jī)片系統(tǒng)中的程序計數(shù)器，其正常運(yùn)行是維護(hù)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵。如果單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中遭受到干擾，PC值將會發(fā)生變化，遭受干擾后的PC值會的無法估量的，因此十分容易導(dǎo)致程序出現(xiàn)混亂，程序無法正常運(yùn)行。

4）控制失靈，干擾會使單片機(jī)系統(tǒng)的輸出無法進(jìn)一步加大，導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)受到外界因素的影響，最終將會使系統(tǒng)失去控制。

5）損壞硬件，單片機(jī)在運(yùn)行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)故障，情況不嚴(yán)重時會對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量造成影響，情況嚴(yán)重時將會對設(shè)備造成損壞，引發(fā)生產(chǎn)事故。

2 影響單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的干擾源

1）單片機(jī)系統(tǒng)自身干擾

單片機(jī)系統(tǒng)自身存在干擾源的主要原因是在系統(tǒng)設(shè)計過程中，針對其中的一些問題考慮不周全。例如，電路工作不可靠、布局存在問題，或元器件本身質(zhì)量存在問題，在應(yīng)用過程中，產(chǎn)生半導(dǎo)體散粒噪聲干擾、過程通道干擾、接觸噪音干擾等。出現(xiàn)的這些干擾現(xiàn)象隨著流動元器件電流的增加會變得更加明顯，噪聲電流通過系統(tǒng)電路將會對系統(tǒng)造成影響，造成的主要后果是導(dǎo)致控制精準(zhǔn)度下降。

2）電磁干擾

現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場會存在許多電磁干擾源，不同類型的干擾源都會對單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用造成影響。例如，動力斷路器斷弧過程中出現(xiàn)了多次復(fù)燃的情況，電容諧振、電磁線圈電感的分布、工頻輸電線周圍存在功能強(qiáng)大的磁場和變電場以及來自太陽等自然天體所釋放出的輻射的電磁波和地球本身存在的磁場都可以歸納為電磁干擾。電磁干擾過程中，干擾信號通過回路之間互感耦合或信號所通過的導(dǎo)線進(jìn)入到控制系統(tǒng)中。單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中如果受到電磁干擾，輕則使控制系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)誤差，重則將會對系統(tǒng)造成破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)無法運(yùn)行，一切的生產(chǎn)工作都必須停止。

3）供電系統(tǒng)干擾

工業(yè)現(xiàn)場會存在許多運(yùn)行的設(shè)備，這些設(shè)備功率普遍較大，尤其是一些感性負(fù)載較大的設(shè)備在啟動過程中，應(yīng)用電壓較大，電網(wǎng)和電壓會出現(xiàn)大幅度的下陷與浪涌，各別時候可能會出現(xiàn)長時間的欠壓、過壓、尖峰電壓等情況，這些故障很容易通過線路的方式完成傳輸，最終將會進(jìn)入到控制系統(tǒng)中，在以上干擾中，過壓干擾是造成后果最嚴(yán)重的一種干擾。

3 抗干擾的硬件技術(shù)與軟件技術(shù)

3.1 抗干擾的硬件技術(shù)

1） “看門狗”技術(shù)

“看門狗”技術(shù)就是利用CPU對定時器進(jìn)行控制，對軟件及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，“看門狗”可以分為Ⅰ級“看門狗”和Ⅱ級“看門狗”。

Ⅰ級“看門狗”定時器A的定時長度為t1，主程序的一個循環(huán)周圍為T，針對t1和T進(jìn)行設(shè)計，T

Ⅱ級“看門狗”是一種相對比較完善的設(shè)備，對其進(jìn)行應(yīng)用可以使系統(tǒng)恢復(fù)到一個相對理想的狀態(tài)。在對Ⅱ級“看門狗”中使用的定時器B進(jìn)行定義時，時長為t2，設(shè)計t2的大小為0t1>T，0

2） 遠(yuǎn)端強(qiáng)制復(fù)位技術(shù)

遠(yuǎn)端強(qiáng)制復(fù)位技術(shù)主要在單片機(jī)動機(jī)通訊中應(yīng)用，主機(jī)幫助從機(jī)復(fù)位。該技術(shù)的應(yīng)用并會占用大量的系統(tǒng)資源，在設(shè)計程序過程中，也不會存在大量的多余語句。進(jìn)行一個電控電路設(shè)計，通過監(jiān)控主機(jī)向從機(jī)傳輸命令。對工作的時序進(jìn)行合理安排， 每隔一段時段，主機(jī)都會相從機(jī)發(fā)出各種命令，并且從機(jī)會予以相應(yīng)的相應(yīng)。如果單片機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，從機(jī)因?yàn)槭艿礁蓴_而失控，主機(jī)則可以通過應(yīng)答命令的具體情況進(jìn)行判斷，然后對其控制操作暫停一段時間。從機(jī)通道監(jiān)視電路無法接收到信號，控制復(fù)位電路在運(yùn)行過程中將會形成復(fù)位信號，從而使單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位。

以上是單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中比較常用的抗干擾硬件技術(shù)，此外，在實(shí)際操作過程中，還可以針對干擾單機(jī)片系統(tǒng)運(yùn)行的干擾源的不同，采取具有針對性的干擾措施。例如，針對電磁給系統(tǒng)運(yùn)行造成的干擾，在處理上可以通過對易遭受干擾設(shè)備或電路進(jìn)行屏蔽，或?qū)Ξa(chǎn)生干擾電磁的輻射源進(jìn)行屏蔽，起到抑制干擾的效果。針對工程通道所造成的干擾，在處理上可以通過采用雙絞線傳輸或光電耦合隔離發(fā)方式進(jìn)行抗干擾處理。而對于供電系統(tǒng)所引起的干擾，在處理上可以通過分立式供電、交流穩(wěn)壓器等方式。

3.2 抗干擾的軟件技術(shù)

單片機(jī)程序可以井然有序的進(jìn)行，但是要提高程序在運(yùn)行過程中的可靠性和安全性必須要以下內(nèi)容。第一，硬件的基礎(chǔ)必須安全可靠，硬件要具有足夠的能力承擔(dān)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的壓力。第二，系統(tǒng)中所使用軟件也必須安全可靠，軟件的可靠性主要體現(xiàn)初始化存儲器和足夠的容錯設(shè)計。

1）初始化存儲器

在單片系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要存儲大量的數(shù)據(jù)信息，并且要處理大量的存儲問題。因此，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。在單片機(jī)剛通電時，數(shù)據(jù)存儲器與單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行都會表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，如果在運(yùn)行過程中對數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行直接應(yīng)用，需要注重對數(shù)據(jù)存儲器初始化對比，提高軟件可靠性。

2）足夠的容錯設(shè)計

盡管單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在許多抗干擾機(jī)制，但是由于其應(yīng)用的環(huán)境復(fù)雜程度高，環(huán)境惡劣，因此在對其進(jìn)行應(yīng)用中，采取必要的抗干擾措施是必要的。除了外界因素對單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行會造成干擾外，一些硬件因素和人為因素也會對其運(yùn)行造成不同程度的干擾。例如，硬件出錯，操作出錯等原因。因此，軟件設(shè)計過程中，要保留足夠的容錯設(shè)計空間，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，如果遭受到了非正常激勵信號，足夠的容錯設(shè)計可以屏蔽掉大量的非正常激勵信號，對于沒有屏蔽掉的非正常激勵信號，利用軟件容錯設(shè)計可以進(jìn)行優(yōu)化處理，從而使單片機(jī)在遭受到非正常激勵信號干擾時，仍然能夠保持正常運(yùn)行，并且足夠的容錯設(shè)計，可以大幅度降低干擾對應(yīng)用系統(tǒng)所造成的不良影響。

3）設(shè)計軟件陷阱技術(shù)

目前使用設(shè)置軟件陷阱的方法對紊亂程序進(jìn)行攔截，將計數(shù)器引向一個指定的位置，然后在對程序執(zhí)行過程中的錯誤進(jìn)行處理。下面，針對為陷阱設(shè)計的一般運(yùn)用方案。ERROR是指定位置，在對出錯程序軟件陷進(jìn)進(jìn)行處理時，可以將其安排在以下幾個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。①未使用的中斷向量區(qū)，當(dāng)干擾程序?qū)ξ词褂玫闹袛嚅_放去進(jìn)行應(yīng)用時，對這些中斷進(jìn)行激活，通常會導(dǎo)致程序的運(yùn)行發(fā)生紊亂，及時完成對錯誤進(jìn)行捕捉的方法就是將軟件陷阱設(shè)置在中斷位置。②軟件程序數(shù)據(jù)區(qū)，對紊亂程序的解決通過指令冗余技術(shù)完成，也可進(jìn)行軟件陷阱設(shè)計，避免程序發(fā)生紊亂。單片機(jī)程序通常都采用模塊化設(shè)計，設(shè)計需要通過一系列指令完成，因此不能在指令中隨意設(shè)置陷阱，通常將陷阱處理軟件分布在不同應(yīng)用模塊的空余數(shù)據(jù)單元中。正常運(yùn)行的程序不會執(zhí)行存缺陷對軟件指令，如果程序因?yàn)槲蓙y而進(jìn)入陷阱區(qū)，系統(tǒng)則會自動將程序引入到正確的計數(shù)器上，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4）監(jiān)視跟蹤定時器

如果程序在運(yùn)行過程中進(jìn)入了死循環(huán)狀態(tài)，上述所有的方法都無法解決該情況，此時應(yīng)當(dāng)應(yīng)用監(jiān)視跟蹤定時器對遇到的問題進(jìn)行解決，該技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是對程序的循環(huán)時間進(jìn)行動態(tài)監(jiān)視，如果時間間隔已經(jīng)超出了循環(huán)所設(shè)定的固定的時間間隔，則可以判斷程序已經(jīng)進(jìn)入了死程序中，跳轉(zhuǎn)指令，完成對相關(guān)出錯處理指令的添加，從而使系統(tǒng)的運(yùn)行恢復(fù)正常。

4 總結(jié)

抗干擾技術(shù)是單片系統(tǒng)運(yùn)行過程中的一個重要環(huán)節(jié)，在對抗干擾技術(shù)的分析上要合理地將硬件和軟將桿干擾技術(shù)合理的結(jié)合在一起，針對不同的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所遭受的干擾，采取針對性的處理措施，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

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