單片機(jī)技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王鑄騫 黃曠擎 劉鈺沐

摘 要：信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，單片控制系統(tǒng)也隨之完善。然而在實(shí)踐操作中，由于存在一些不可忽視的影響因素，直接造成單片控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了一系列問題，嚴(yán)重影響到了單片控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。本文主要從硬件、軟件兩個(gè)方面闡述了如何提升單片控制系統(tǒng)安全運(yùn)行水平，旨在為單片控制系統(tǒng)的發(fā)展提供一系列具有參考價(jià)值的建議。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)技術(shù)；控制系統(tǒng)；應(yīng)用

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，推動了工業(yè)的發(fā)展。然而在工業(yè)制造生產(chǎn)過程中，由于一些客觀因素等的存在，直接造成工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)難以安全穩(wěn)定運(yùn)行，直接影響到了工業(yè)生產(chǎn)制造水平的提升。就以單片機(jī)控制系統(tǒng)而言，在實(shí)際運(yùn)行中，由于干擾因素的存在，造成其安全穩(wěn)定運(yùn)行成為了不可能。因此，有必要在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)中增加必要的抗干擾措施，由此保證單片機(jī)控制系統(tǒng)的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)主要受到外部電氣設(shè)施與內(nèi)部元件的影響。因此，單片機(jī)控制系統(tǒng)要想高效穩(wěn)定運(yùn)行，需要從提升軟硬件抗干擾能力。鑒于此，本文對“單片機(jī)技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用”展開更深出層次的剖析具備極為重要的現(xiàn)實(shí)意義與價(jià)值。

一、硬件抗干擾措施分析

為保證單片機(jī)控制系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行，就需要采取有效硬件抗干擾措施，切實(shí)解決一些干擾因素的影響問題，或者是消除影響因素。筆者認(rèn)為在具體的實(shí)踐操作中，硬件抗干擾操作主要涉及到供電系統(tǒng)、輸入通道以及地線設(shè)計(jì)三個(gè)方面的內(nèi)容。接下來，筆者就個(gè)人的見解，加以一一闡述，供相關(guān)業(yè)內(nèi)人士借鑒。

（一）供電系統(tǒng)方面的抗干擾措施分析

一般而言，單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行所需要的電能，主要來源于國家電網(wǎng)。然而眾所周知，國家電網(wǎng)在輸送電過程中，主要采取高壓方式，促進(jìn)輸電效率與保證輸電質(zhì)量，在使用之前，需要進(jìn)行必要的變壓、整流、濾波以及穩(wěn)壓等一系列操作之后，方可供電給用戶或者是設(shè)備。單片機(jī)控制系統(tǒng)也是如此，鑒于電網(wǎng)當(dāng)中大量存在噪音、高頻以及電壓突變等干擾因素，一旦伴隨電能引進(jìn)控制系統(tǒng)當(dāng)中，直接會對單片機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。另外，電網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩者連接，主要以直連方式為主，在地電位差的影響下，直接形成環(huán)路電流，從而產(chǎn)生共模干擾因素。針對這一問題，首先，可以對控制系統(tǒng)每一模塊實(shí)施穩(wěn)壓、穩(wěn)定交流電源的使用等方式，可以有效引致上述因素的影響，切實(shí)提升供電系統(tǒng)的抗干擾能力。電網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集兄臺那個(gè)可以借助隔離變壓方式，避免控制系統(tǒng)內(nèi)引入電網(wǎng)地線的干擾。關(guān)于噪聲問題的解決，主要是通過選擇交流穩(wěn)壓器，可以避免電網(wǎng)大范圍出現(xiàn)波動，由此實(shí)現(xiàn)降噪目的，進(jìn)而解決了噪音干擾。另外，高次頻波的影響，主要是選擇交流電源濾波器，這種設(shè)施的優(yōu)勢在于能夠?qū)⒊^規(guī)定的濾波直接消除，并且可以將輸出與輸入端隔離開來。同時(shí)，同時(shí)分組供電方式，對系統(tǒng)每一模塊進(jìn)行供電，避免模塊之間相互干擾。

（二）模擬輸入通道方面的抗干擾措施分析

信息交換的實(shí)現(xiàn)，主要借助模擬輸入通道，但是在公共地線直接干擾到信息的正常交換。例如傳輸線路較長，還會遇到靜電或者是電磁波的影響，直接造成信號傳輸不穩(wěn)定，進(jìn)而影響到信號接收質(zhì)量?；谏鲜鰡栴}，分析本質(zhì)原因在于干擾源存在電路當(dāng)中。因此，這一問題的解決，需要立足于于隔離干擾源。實(shí)際操作中，可以選擇電磁隔離與光電耦隔離方式，需強(qiáng)調(diào)的是光傳感器與發(fā)光二極管作為技術(shù)核心零部件，在封裝過程中，兩者雖能隔離兩個(gè)電路的地線，但是自身會形成干擾，需做好兩者隔離的工作，由此避免干擾因素的存在。一般而言，一旦外部環(huán)境的模塊與單片機(jī)控制系統(tǒng)中的單片機(jī)或者是數(shù)據(jù)接口相接觸之后，會產(chǎn)生一定的干擾，需要采取光電耦隔離方式，有效降低或者是消除電路形成的干擾。

（三）地線設(shè)計(jì)方面的抗干擾措施分析

單片機(jī)控制系統(tǒng)中，主要有系統(tǒng)地、數(shù)字地以及機(jī)地等，在地線設(shè)計(jì)方面的抗干擾，主要涉及到接線方式。在實(shí)際操作中，主要涉及到兩個(gè)方面的內(nèi)容。一是增加地線接地面積與寬度，通過以多點(diǎn)接線方式為主。眾所周知，導(dǎo)體當(dāng)中必然存在阻抗，一旦有電流通過，將會出現(xiàn)電壓梯度問題，這一問題的有效解決方法，就是降低系統(tǒng)當(dāng)中的電阻，目前主要可以選擇多點(diǎn)接地方式，控制電位差，進(jìn)而減少電阻加大或者是減少的方式實(shí)現(xiàn)。二是，分類模擬或者是數(shù)字電路。電路之間的干擾，可以通過設(shè)置數(shù)字地或者是單獨(dú)設(shè)置模擬地兩種方式實(shí)現(xiàn)。

二、軟件抗干擾措施分析

除了上述分析的硬件抗干擾措施之外，還需要注重單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件方面的抗干擾能力，具體涉及到兩個(gè)方面的內(nèi)容。

（一）指令冗余

CPU提取指令的有效方式主要是在提取操作碼的基礎(chǔ)上，再取操作數(shù)，一旦存在干擾因素影響到單片機(jī)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，系統(tǒng)程序當(dāng)中勢必會提取由錯(cuò)誤的操作碼，進(jìn)而造成系統(tǒng)出現(xiàn)故障。由此可見，指令方面的問題，主要來源于操作碼的提取。因此，可以在部分單字節(jié)指令人為插入到關(guān)鍵位置，或者是重寫單字節(jié)指令，這種操作方式便是指令冗余。具體言之，在操作過程中，一旦出現(xiàn)程序錯(cuò)誤，在提取操作碼時(shí)，有重復(fù)單字節(jié)指令的情況下，就可以避免將后面的指令充當(dāng)操作數(shù)執(zhí)行，這樣就可以保證程序正常執(zhí)行。另外，在程序當(dāng)中增加NOP，可以有效糾正錯(cuò)誤程序，由此保證程序被正確執(zhí)行。

（二）睡眠抗干擾措施分析

中斷系統(tǒng)與定時(shí)計(jì)數(shù)系統(tǒng)，可以讓單片機(jī)控制系統(tǒng)在睡眠狀況，持續(xù)處于工作狀態(tài)，由此避免CPU運(yùn)行中，遭遇系統(tǒng)總線因素的影響。另外，針對CPU在整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中，處理一些指令程序之外，主要以循環(huán)檢查為主，并沒有涉及到一些核心工作，但是在整個(gè)運(yùn)行過程中，同樣會受到諸多干擾因素的影響。因此，通常在不工作狀態(tài)下，呈現(xiàn)休眠狀態(tài)，工作狀態(tài)下，及時(shí)喚醒CPU，待工作完成之后，又進(jìn)行休眠。這樣一來，可以有效減少干擾因素的影響。除此之外，注重掉電保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。一旦硬件電路出現(xiàn)掉電信號之后，應(yīng)該及時(shí)在單片機(jī)外部輸入端增加與之相應(yīng)的信號，由此保證系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)對掉電干擾。

三、結(jié)語

總之，單片機(jī)控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，極易受到多種因素的干擾，因此有必要注重抗干擾措施的應(yīng)用，因此，有必要在科技迅速發(fā)展的情況下，注重單片控制系統(tǒng)技術(shù)含量的增加。結(jié)合本文分析，筆者認(rèn)為單片機(jī)控制系統(tǒng)要想高效運(yùn)行，主要可以從硬軟件方面入手，不斷提升單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，促進(jìn)單片機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化與完善。

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作者簡介：

王鑄騫（1995—），男，漢族，浙江溫州，本科，研究方向：通信工程。

黃曠擎（1997—），男，漢族，四川樂山，本科，研究方向：通信工程。

劉鈺沐（1998—），男，漢族，四川自貢，本科，研究方向：通信工程。