淺談單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計(jì)

摘 要：靈敏度是單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，不過，在對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，靈敏度越強(qiáng)，就越容易受到干擾源的干擾。所以，對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)十分必要。本文通過對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾源進(jìn)行淺要的分析，并對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)中的電源線及地線的布設(shè)方法進(jìn)行了闡述，并對(duì)硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行了淺要的闡述。筆者希望能夠通過對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的討論，能為我國在單片機(jī)抗干擾設(shè)計(jì)水平的進(jìn)一步提升提供微薄之力。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；控制系統(tǒng)；干擾源；抗干擾設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.133

0 引言

較強(qiáng)的靈敏度是單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，在保障較強(qiáng)靈敏度的同時(shí)還要對(duì)其進(jìn)行抗干擾的設(shè)計(jì)，這樣才能保障單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。如果只是保障較強(qiáng)的靈敏度而忽視了抗干擾設(shè)計(jì)，就會(huì)造成干擾源對(duì)被測(cè)信號(hào)的強(qiáng)烈干擾，致使測(cè)量工作無法正常進(jìn)行。因此，對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾的設(shè)計(jì)十分必要，本文通過對(duì)影響單片機(jī)控制系統(tǒng)正常工作的干擾源進(jìn)行淺要的探討，并對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行淺要的闡述。

1 淺談單片機(jī)控制系統(tǒng)干擾源

（1）外界干擾源。單片機(jī)控制系統(tǒng)的外界干擾源的干擾形式主要電磁干擾，而電磁干擾主要分為兩種類型，一種是傳導(dǎo)類型的干擾，另一種是輻射類型的干擾，傳導(dǎo)干擾是將單片機(jī)控制系統(tǒng)中的金屬及零部件，如電容、變壓器等來作為傳播路徑的。而輻射干擾的傳播路徑卻有很多種，哪怕是設(shè)備外殼的縫隙，也能成為輻射干擾的傳播路徑。并且，輻射干擾與傳導(dǎo)干擾往往不是單獨(dú)存在的，它們通常是以伴生的形式了出現(xiàn)，而且還能進(jìn)行互相轉(zhuǎn)化。

（2）內(nèi)部干擾源。單片機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)部干擾源與外界干擾源有所不同，內(nèi)部干擾源的干擾形式是以噪聲進(jìn)行干擾的，并且噪聲的形式多種多樣，如熱噪聲、散粒噪聲、接觸噪聲等，每種噪聲的產(chǎn)生原因也有所不同，本文簡單的對(duì)其中幾種噪聲的形式進(jìn)行闡述。熱噪聲的產(chǎn)生是由電子的熱運(yùn)動(dòng)引起的，在實(shí)際用電中，電阻的兩端很難避免的出現(xiàn)噪音，這是因?yàn)樵陔娮璧膬啥宋恢么嬖陔妷?，而電壓造成了電子的熱運(yùn)動(dòng)。哪怕電阻不和電源進(jìn)行連接，電壓依舊會(huì)存在。而電阻兩端產(chǎn)生的噪音就被叫做熱噪聲。熱噪聲的大小是由電壓值大小、帶寬、電阻值平均根及熱力學(xué)溫度高低影響的，這種影響是呈正比關(guān)系的，即電壓值等參數(shù)越大，熱噪聲就越大。散粒噪聲主要是由半導(dǎo)體元件中晶體管內(nèi)的基區(qū)載流子擴(kuò)散后，并且和電子進(jìn)行復(fù)合時(shí)所產(chǎn)生的。接觸噪聲的產(chǎn)生部位主要是在兩個(gè)噪聲導(dǎo)體進(jìn)行相連的部位，它是由于兩種噪聲導(dǎo)體之間接觸不完全，而使其產(chǎn)生了電導(dǎo)率起伏現(xiàn)象，從而產(chǎn)生接觸噪音。接觸噪音的大小與直流電流的大小關(guān)系密切，并且噪聲的大小和密集程度也與頻率d的倒數(shù)有關(guān)聯(lián)，并且都是呈現(xiàn)正比關(guān)系的.而且接觸噪聲在低頻電路中是最常見的噪聲形式。

2 淺析單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

（1）電源線及地線布設(shè)方法。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，布線工程質(zhì)量的好壞將直接決定系統(tǒng)的抗干擾性能，因此，需要對(duì)電源線及地線的布設(shè)方法進(jìn)行必要的闡述。在對(duì)電源線進(jìn)行布設(shè)時(shí)，首先要依據(jù)電流情況，按直角度數(shù)對(duì)底面及器件面進(jìn)行布線設(shè)置，并且還要對(duì)導(dǎo)線的寬度采取加大措施，并保證地線、數(shù)據(jù)線和電源線的布設(shè)方向是一致的。同時(shí)，還要對(duì)噪聲單元和公共電源阻抗進(jìn)行必要的降低。在對(duì)地線進(jìn)行布設(shè)時(shí)，應(yīng)選取線徑較粗的地線，這樣能有效降低地線中的電阻值。還要將地線實(shí)行閉環(huán)布設(shè)，以此來縮小電位差值，從而確保單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗噪聲性能得到有效提高。另外，還要在對(duì)地線進(jìn)行布設(shè)時(shí)，采取分區(qū)集中的方式，利用并聯(lián)形式來對(duì)其進(jìn)行一點(diǎn)接地，以此確保獨(dú)立回路的形成，從而使地線中的電流不會(huì)因此而對(duì)其他單元進(jìn)行干擾。

（2）硬件抗干擾設(shè)計(jì)。在對(duì)單片機(jī)硬件進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)以下零件采取抗干擾措施，首先是去耦電容的設(shè)置，需要對(duì)每一塊集成電路芯片進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，即將需要進(jìn)行去耦的電源與地面進(jìn)行跨接處理，增設(shè)去耦電容，以此確保集成電路芯片在運(yùn)行時(shí)能夠隨時(shí)充電和放電。其次是數(shù)字輸入端的抗干擾設(shè)計(jì)，可以將施密特集成電路以及RC濾波器與數(shù)字輸入端進(jìn)行有效連接，以此來對(duì)噪聲進(jìn)行抑制。對(duì)數(shù)字電路不用端的抗干擾設(shè)計(jì)可以對(duì)不用輸入端與高電平進(jìn)行固定。并將其和輸入端進(jìn)行并聯(lián)。對(duì)外圍擴(kuò)展存儲(chǔ)器的抗干擾設(shè)計(jì)可以盡量縮短數(shù)據(jù)線、控制線等線路的長度，以此來減少對(duì)地電容值。并且要在存儲(chǔ)器的電源入口位置及芯片GND和VCC處設(shè)置去耦電容。對(duì)存儲(chǔ)器印制板中的三條總線進(jìn)行垂直布置，以此來降低三條總線的互相干擾。另外，還要在總線始末端配上匹配的上拉電阻，以此來確保電平噪聲容限的提升。

（3）軟件抗干擾設(shè)計(jì)。對(duì)軟件的抗干擾設(shè)計(jì)要從軟件中的濾波算法進(jìn)行優(yōu)化，在保證系統(tǒng)效率的基礎(chǔ)上，對(duì)多次收集到的數(shù)據(jù)的最大值和最小值進(jìn)行去除，然后取平均值，以此來保障數(shù)據(jù)可靠性。另外，還要采取指令冗余技術(shù)，通過對(duì)雙字節(jié)及三字節(jié)的指令添加若干條單字節(jié)指令即可實(shí)現(xiàn)指令的正確執(zhí)行。最后，要對(duì)軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)南葳宀贾?，可以將陷阱布置在中斷向量區(qū)、未進(jìn)行使用的ROM空間中，以此來提升單片機(jī)控制系統(tǒng)的執(zhí)行效率，保證單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件的運(yùn)行更加穩(wěn)定高效。

3 結(jié)語

總而言之，抗干擾設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)都有十分重要的影響，是單片機(jī)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。本文對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)中電源線及地線的布設(shè)方法進(jìn)行了闡述，并對(duì)硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)這兩個(gè)角度進(jìn)行了全面的分析，以此希望通過這些抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)在單片機(jī)控制系統(tǒng)的有效實(shí)行，來進(jìn)一步提升單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾性能，使其能夠保障現(xiàn)場(chǎng)工作的可靠穩(wěn)定發(fā)揮。

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作者簡介：李一男（1982-），女，黑龍江人，碩士，中級(jí)，研究方向：控制理論與裝備自動(dòng)化。