單片機控制系統(tǒng)的抗干擾措施研究

曾海鵬

摘 要 結(jié)合既往研究經(jīng)驗來看，在單片機系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)過程中，實驗室調(diào)試正常的單片機投入工業(yè)現(xiàn)場使用后短期內(nèi)頻繁出現(xiàn)各種問題。導(dǎo)致這一問題的最主要原因是在單片機控制系統(tǒng)設(shè)計過程中沒有充分評估外部環(huán)境對單片機控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的干擾與影響，在環(huán)境溫度差異、電磁波以及機械振動等一系列因素作用下，電控單元的正常運行受到影響，單片機控制功能無法正常發(fā)揮。針對這一問題，文章在識別單片機控制系統(tǒng)主要干擾源的基礎(chǔ)之上，分別從硬件與軟件兩個方面，研究單片機控制系統(tǒng)的抗干擾措施，望能夠提高單片機控制系統(tǒng)的抗干擾能力，確保其在工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用的安全性與可靠性。

關(guān)鍵詞 單片機；控制系統(tǒng)；抗干擾

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）213-0127-02

基于單片機所構(gòu)成控制系統(tǒng)靈敏度高，但也意味著整個系統(tǒng)極易受到干擾因素的影響。在強噪音背景作用下，被測量信號容易被淹沒，對測量作業(yè)的持續(xù)性產(chǎn)生不良影響。尤其對于工業(yè)現(xiàn)場而言，干擾源眾多且構(gòu)成關(guān)系復(fù)雜，以多種不同方式對計算機測量控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，干擾系統(tǒng)正常運行，還有可能造成系統(tǒng)性能指標與設(shè)計要求相偏離，造成結(jié)果異常。從這一角度上來說，單片機控制系統(tǒng)運行過程中應(yīng)當重視對干擾因素來源的分析，并從硬件以及軟件兩個模塊，研究單片機控制系統(tǒng)可采取的抗干擾措施。

1 單片機控制系統(tǒng)干擾源分析

單片機作為工業(yè)生產(chǎn)運行系統(tǒng)中非常重要的構(gòu)成部分之一，由單片機所構(gòu)成的控制系統(tǒng)必須具備較高的靈敏度。但同時，靈敏度越高，則意味著系統(tǒng)可能引入干擾因素越多。特別在強噪聲環(huán)境下，被測信號可能被淹沒，影響測量效果的實現(xiàn)。工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中，存在大量且多類型的干擾源，這些干擾源以一種或多種方式對計算機測控系統(tǒng)產(chǎn)生 影響，導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)性能指標無法滿足設(shè)計要求，進而對測量控制結(jié)果的可靠性產(chǎn)生不良影響，必須引起高度重視。結(jié)合單片機控制系統(tǒng)的實際運行情況來看，在單片機控制系統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中，所承受干擾以電磁能量干擾為主。

具體而言，單片機控制系統(tǒng)內(nèi)外部干擾源主要包括以下幾個方面：第一是無線電設(shè)施所產(chǎn)生射頻干擾；第二是發(fā)動機裝置上高壓點火線圈向外輻射磁場強度大且頻帶寬的電磁波信號干擾；第三是單片機內(nèi)部晶振電路干擾；第四是外部交流電路系統(tǒng)中所產(chǎn)生工頻信號干擾；第五是數(shù)字電路本身門電路頻繁的導(dǎo)通、截止造成電源地線電流變化因素作用下所產(chǎn)生高頻電磁干擾。

2 單片機控制系統(tǒng)硬件抗干擾措施

針對單片機控制系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計過程中首選的抗干擾措施，能夠通過對濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、去耦技術(shù)、以及接地技術(shù)等一系列技術(shù)措施的綜合應(yīng)用，在抑制干擾源對單片機控制系統(tǒng)影響的同時，阻斷干擾源的傳輸渠道。具體措施包括如下。

2.1 電源電路設(shè)計

在單片機控制系統(tǒng)當中，可以通過分離邏輯電路電源裝置以及模擬電路電源裝置的方式，以達到硬件抗干擾的效果。通過此項措施，一方面能夠避免傳感器裝置在電源耦合作用下對電子控制單元產(chǎn)生影響，另一方面還能夠有效剔除模擬電路受電源耦合邏輯電路影響所產(chǎn)生干擾。在這一方案作用下，功能模塊的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中均選用7805以及7812三端穩(wěn)壓集成芯片裝置，以獨立方式為單片機電源裝置提供負壓差保護。根據(jù)這一方式，能夠避免整個系統(tǒng)電路受其中某一穩(wěn)壓電源裝置影響而產(chǎn)生故障。同時，單片機控制系統(tǒng)電源電路中可通過使用低通濾波裝置的方式有效剔除高次諧波信號對控制系統(tǒng)運行產(chǎn)生的干擾，并促進電源波形的合理改善，并且對電源波形也有良好的調(diào)整與優(yōu)化效果。

2.2 屏蔽技術(shù)

在單片機控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計過程中，可以通過應(yīng)用屏蔽技術(shù)的方式預(yù)防電子設(shè)備向外部輻射干擾電磁波，同時還可以有效控制電子設(shè)備受電磁干擾源的影響。尤其針對單片機控制系統(tǒng)當中噪聲源較大的開關(guān)電源裝置，可通過雙重屏蔽的方式，同步屏蔽單片機控制系統(tǒng)開關(guān)電源內(nèi)部扼流圈以及高壓變頻器，以同步屏蔽的方式最大限度確保開關(guān)電源屏蔽保護的抗干擾效果。

2.3 模擬電路干擾設(shè)計

在單片機控制系統(tǒng)硬件電路模塊中，對模擬電路的設(shè)計是非常重要的。在工業(yè)現(xiàn)場實際運行工況中，發(fā)動機工作環(huán)境溫度會呈現(xiàn)出較為明顯的差異性，因此在模塊部件選型中應(yīng)當優(yōu)先選用溫漂系數(shù)相對偏低的集成放大器裝置。同時，考慮到電路板會在很大程度上受到模擬電路共模信號的影響，故應(yīng)當將差動放大電路裝置引入模擬電路系統(tǒng)內(nèi)，以確保兩端輸出信號的穩(wěn)定性。

在信號接收過程中，雙端信號被轉(zhuǎn)換為單端信號，以發(fā)揮對共模信號的抑制效果，剔除其對模擬電路穩(wěn)定性的影響。除此以外，若電路系統(tǒng)中輸出信號存在較大波動，則為了避免器件發(fā)生損壞，應(yīng)在比較器裝置或房貸器裝置前增加輸入端保護電路，以確保整個單片機控制系統(tǒng)硬件運行的安全性與可靠性。

2.4 去耦電路設(shè)計

在單片機控制系統(tǒng)運行期間，受到數(shù)字信號影響，信號在電平轉(zhuǎn)換過程中會對整個單片機控制系統(tǒng)產(chǎn)生非常明顯的沖擊電力干擾，將影響擴大至傳輸線路以及供應(yīng)電源內(nèi)部電阻上，造成壓降水平的增加，所形成的干擾是非常明顯的。

為了在硬件設(shè)計的過程中抑制該干擾因素，可以嘗試將去耦電容裝置合理配置于單片機控制系統(tǒng)電源電路、數(shù)字電路以及信號處理電路當中，以設(shè)計構(gòu)成去耦電路，達到旁路集成電路所產(chǎn)生干擾源的效果。

3 單片機控制系統(tǒng)軟件抗干擾措施

在單片機控制系統(tǒng)硬件抗干擾措施實施的基礎(chǔ)之上，考慮到干擾信號產(chǎn)生原因較為復(fù)雜并且單片機控制系統(tǒng)所承受干擾源的類型較為隨機，因此還必須配合應(yīng)用軟件抗干擾設(shè)計措施，在數(shù)字濾波、指令冗余以及看門狗等一系列技術(shù)的輔助下達到控制干擾問題的目的。具體而言，單片機控制系統(tǒng)中的軟件抗干擾措施包括以下幾個方面。

3.1 數(shù)字濾波技術(shù)

當單片機控制系統(tǒng)輸入信道模擬信號受到干擾因素影響時，可能導(dǎo)致較大的數(shù)據(jù)誤差，尤其在信號較為微弱時，數(shù)據(jù)誤差問題更為明顯。為了消除這一誤差，確保單片機控制系統(tǒng)的正常運行，可根據(jù)信號以及干擾規(guī)律，在算術(shù)平均法、比較去設(shè)法、或一階滯后法的輔助下，最優(yōu)化設(shè)計，以通過數(shù)字濾波器的方式，對輸入信號干擾所致輸出控制錯誤問題進行科學(xué)有效的控制。

3.2 指令冗余與看門狗技術(shù)

單片機受強干擾會造成程序計數(shù)器Pc值改變和破壞程序正常運行。為了應(yīng)對這一問題，可以在抗干擾過程中將單字節(jié)指令或者引導(dǎo)指令插入關(guān)鍵部位，受到干擾因素影響而亂飛的程序可以在JMP MAlN操作指令的輔助下自動被捕獲并進入復(fù)位入口地址當中，以免程序受到亂飛影響而進入死循環(huán)狀態(tài)，影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運行的穩(wěn)定性。

除此以外，看門狗技術(shù)同樣對應(yīng)對程序亂飛問題有重要意義。此項技術(shù)針對程序運行時間進行動態(tài)監(jiān)視，一旦出現(xiàn)故障會導(dǎo)致計數(shù)器溢出，并控制系統(tǒng)進行復(fù)位后重新進入正常運行狀態(tài)。

3.3 提高開關(guān)量輸入輸出抗干擾能力

單片機系統(tǒng)中，若一系列離散尖脈沖信號覆蓋于控制量有效信號上，則會導(dǎo)致信號受到嚴重干擾，難以通過硬件設(shè)置的方式予以控制，針對該問題可以通過應(yīng)用軟件重復(fù)性檢測技術(shù)的方式，提高開關(guān)量輸入輸出接口的抗干擾能力。

4 結(jié)論

綜合以上分析可見，單片機控制系統(tǒng)在正常運行過程中其內(nèi)外部存在大量干擾源。為了積極應(yīng)對這些干擾源，必須做好對單片機硬軟件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計工作，相關(guān)抗干擾設(shè)計措施的選擇與實施將直接對整個單片機控制系統(tǒng)的運行質(zhì)量與效果產(chǎn)生重要影響。本文在識別單片機控制系統(tǒng)主要干擾源的基礎(chǔ)之上，分別從硬件與軟件兩個方面，研究單片機控制系統(tǒng)的抗干擾措施，望能夠提高單片機控制系統(tǒng)的抗干擾能力，確保其在工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用的安全性與可靠性。

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