淺析單片機控制系統(tǒng)抗干擾技術措施

高凱

摘 要： 目前，單片機控制系統(tǒng)隨著信息技術水平的提升而獲得了跨越式的發(fā)展。然而，在單片機控制系統(tǒng)工作當中，仍然存在較多干擾因素影響其正常工作，并且對于單片機控制系統(tǒng)的發(fā)展起到制約作用。因此，為了更加廣泛的推動單片機控制系統(tǒng)的應用，本文將以硬件與軟件方面來對單片機控制系統(tǒng)抗干擾技術措施進行探討。

關鍵詞： 單片機；控制系統(tǒng)；抗干擾措施；探討

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展速度的持續(xù)加快，工業(yè)生產(chǎn)領域獲得了重要發(fā)展機遇，然而，在工業(yè)生產(chǎn)制造環(huán)境中存在較多干擾因素影響單片機控制系統(tǒng)的運行，因此需要想法設法來降低干擾因素對單片機控制系統(tǒng)工作的影響，從而提升單片機控制系統(tǒng)運行的效率。其中，單片機控制系統(tǒng)所出現(xiàn)的干擾因素來自于兩個方面，即系統(tǒng)內(nèi)部元器件工作時產(chǎn)生的干擾以及系統(tǒng)外部其它電氣設施所產(chǎn)生的干擾。因此，從軟件與硬件入手解決單片機控制系統(tǒng)中的干擾問題就顯得尤為重要。

一、針對硬件方面所采取的抗干擾措施

為了解決單片機控制系統(tǒng)的干擾問題，通?？梢圆扇∮布垢蓴_措施，并且實踐證明采用硬件抗干擾措施有著不錯的抗干擾效果。其中，絕大部分干擾可以通過合理的硬件電路很好的抑制或消除。此外，電路設計是硬件抗干擾措施主要采用的設計方式。

1、供電系統(tǒng)的抗干擾

通常來講，單片機控制系統(tǒng)所需要的電能來自于國家電網(wǎng)，并且需要變壓、整流、濾波以及穩(wěn)壓后方可供給單片機控制系統(tǒng)。與此同時，由于噪聲、高頻以及電壓突變等干擾因素普遍存在與電網(wǎng)之中，一旦引入至控制系統(tǒng)便會導致其受到干擾。此外，電網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用直連的方式，由于地電位差存在于二者地線之間，從而導致環(huán)路電流在地線之中形成，進而導致共模干擾的形成。

濾波、隔離、穩(wěn)壓、使用穩(wěn)定交流電源以及分別對系統(tǒng)內(nèi)部各個模塊進行供電等措施是抑制上述干擾因素普遍采用的方法，從而提升供電系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，使用交流穩(wěn)壓器可以有效避免電網(wǎng)電壓出現(xiàn)范圍較大的波動，從而起到抑制電源噪聲干擾的目的。與此同時，電網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以通過隔離變壓器而彼此隔離，進而避免控制系統(tǒng)引入電網(wǎng)地線的干擾。另外，高次頻波是電網(wǎng)干擾主要組成部分，因此可以使用交流電源濾波器來消除大于50Hz的高次頻波，并且可以隔離輸出與輸入端。最后則是采用分組供電的方式來對系統(tǒng)內(nèi)部各模塊進行供電，從而避免各模塊之間有彼此干擾因素的存在。

2、模擬輸入通道的抗干擾

信息交換主要通過模擬輸入通道來實現(xiàn)，但是公共地線是導致干擾存在的主要因素。如果傳輸線路比較長，則通常還會遇到電磁波以及靜電的干擾，從而導致信號傳輸?shù)目煽啃耘c準確性有所下降。為了解決上述干擾問題，通?？梢允褂秒姶鸥綦x或光電耦隔離的方式將敏感電路與干擾源彼此分開。其中，光傳感器與發(fā)光二極管是光電耦隔離技術中的核心部件，并且將兩者封裝成一體后便可以隔離兩個電路的地線，從而使兩者彼此隔離，避免干擾的出現(xiàn)。通常來講，當其它外部模塊與單片機控制系統(tǒng)中的單片機或數(shù)據(jù)I/O口連接時，普遍使用光電耦隔離的方式來降低電路中的干擾。

3、地線設計抗干擾

系統(tǒng)地、機地（屏蔽地）、數(shù)字地（邏輯地）和模擬地等是主要單片機系統(tǒng)中地線結構的集中主要形式，科學合理的接地方式是實際控制系統(tǒng)有效抑制干擾的主要措施。其中，（1）增加地線的面積與寬度，并且使用多點接地的措施來使接地電阻有效降低。阻抗普遍存在與導體中，導體中如果有電流流過便會出現(xiàn)電壓梯度現(xiàn)象。對于兩個接地點彼此分開的情況，則兩點間的電位差與電流大小成正比例關系，并且電流頻率與電位差同樣存在某種特定關系。當導線上為高頻時，則其電位差與分布電感也呈現(xiàn)上升態(tài)勢。因此，為降低系統(tǒng)中的接地電阻，可以通過多點接地的方式來實現(xiàn)，從而對電位差進行有效的抑制。在設計控制系統(tǒng)電路過程中，為消除接地間的電位差，可以采用減少地線電阻或是加大地線寬度的方式來實現(xiàn)。（2）分離模擬與數(shù)字電路。通常來講，數(shù)字電路與模擬電路是單片機控制系統(tǒng)重要的組成部分。因此，為降低兩種電路間的相互干擾，通常采用分別單獨設置模擬地和數(shù)字地的方式來實現(xiàn)。

二、針對軟件方面所采取的抗干擾措施

科學合理軟硬件組合是抗干擾系統(tǒng)成功的保障。因此，除了需要在硬件電路設計方面進行抗干擾設計外，還需要在軟件方面來提升單片機控制系統(tǒng)的抗干擾能力。

1、指令冗余

先提取操作碼，再取操作數(shù)是CPU取指令的主要流程。如果有干擾因素導致單片機出現(xiàn)錯誤，則程序中會錯誤的將操作數(shù)當做操作碼來進行提取，從而導致程序出現(xiàn)故障。由此可見，需要將一些單字節(jié)指令人為的插入至關鍵地方，或者是重寫有效單字節(jié)指令的方式可稱之為指令冗余。一般來講，將兩個字節(jié)以上的空操作指令NOP插入至雙字節(jié)或三字節(jié)指令后，從而避免誤將后面的指令被當做操作數(shù)執(zhí)行，進而使得程序可以正常執(zhí)行。此外，為了確保指令被正常執(zhí)行，可以在系統(tǒng)流向起重要作用的指令前加入兩條NOP，從而使得出現(xiàn)錯誤的程序可以被正確執(zhí)行。

2、掉電保護技術

當硬件電路檢測到掉電信號后，在單片機的外部中斷輸入端中加入該信號，在軟件中設定掉電中斷的優(yōu)先級為高級，從而保證系統(tǒng)可以第一時間應對掉電干擾。

3、睡眠抗干擾

中斷系統(tǒng)與定時計數(shù)系統(tǒng)可以在單片機處于睡眠狀態(tài)下依然處于工作狀態(tài)，從而導致CPU難以對系統(tǒng)總線中所出現(xiàn)的干擾有所應對，進而降低了系統(tǒng)對抗干擾因素的力度。此外，CPU在應用系統(tǒng)中多是執(zhí)行一些循環(huán)檢查以及等待指令的程序，并且盡管CPU在此過程中沒有執(zhí)行重要的工作，但是卻極易受到干擾。因此，建議設置CPU在非正常工作狀態(tài)下休眠，中斷系統(tǒng)可以在必要情況下喚醒CPU，待其完成工作后再進入休眠模式。CPU在此種模式下將在大部分時間內(nèi)處于睡眠模式，從而明顯的降低干擾帶來的影響。

三、結束語

總之，為了提升單片機控制系統(tǒng)的抗干擾能力，從軟件與硬件為突破口來對單片機控制系統(tǒng)中的硬件線路以及軟件系統(tǒng)進行優(yōu)化與改進是極其重要的，以便從根本上降低干擾因素對單片機控制系統(tǒng)的影響，并且對于推動單片機控制系統(tǒng)的快速發(fā)展有著極為重要的意義。

參考文獻

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