論單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)

楊琳

摘要：現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及應(yīng)用，使單片機(jī)在電氣控制系統(tǒng)中的運(yùn)用更加廣泛，取代了傳統(tǒng)人工控制的作業(yè)模式，綜合提高了機(jī)械及電氣設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行效率。硬件是單片機(jī)極為重要的組成部分，使用過程易受到多方面因素的干擾，加強(qiáng)單片機(jī)抗干擾設(shè)計(jì)是保證其功能正常發(fā)揮的前提條件。本文結(jié)合實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件抗干擾進(jìn)行分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);硬件;抗干擾

一、造成干擾的渠道和影響

影響單片機(jī)控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行的主要因素為各種電氣信號(hào)的干擾，并且受到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、安裝工藝、器件選擇、制造水平等影響。多種因素交織在一起經(jīng)常會(huì)使單片機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定，輕則降低產(chǎn)品質(zhì)量，重則會(huì)造成事故。

（一）空間中的電磁干擾。單片機(jī)控制系統(tǒng)主要應(yīng)用在工業(yè)控制中，其實(shí)際工作的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在著許多干擾源，例如，閃電、電機(jī)、高頻率的時(shí)鐘等。這些電磁干擾信號(hào)有可能會(huì)進(jìn)入測(cè)量單元的模擬信號(hào)輸入通道，使數(shù)據(jù)采集的誤差加大，甚至干擾信號(hào)掩蓋了正確的測(cè)量信號(hào)，從而帶來(lái)整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)的誤操作，對(duì)其正常工作造成極大的影響。

（二）測(cè)控通道中的干擾。測(cè)控通道是單片機(jī)控制系統(tǒng)與其他主機(jī)之間連通的橋梁。其傳輸線中的信號(hào)多為脈沖波，當(dāng)干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)的后向通道后，會(huì)出現(xiàn)延時(shí)，波形畸變、衰減等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的操作指令和反饋信號(hào)，造成整個(gè)控制系統(tǒng)的故障。

（三）供電系統(tǒng)干擾。事實(shí)上在正常的50Hz正弦波上疊加有許多高電壓的尖峰脈沖信號(hào)，這些信號(hào)在不穩(wěn)定時(shí)有可能影響系統(tǒng)的正常工作，甚至燒毀一些器件。

二、硬件抗干擾設(shè)計(jì)的方法和原則

（一）合理設(shè)計(jì)電路板電路。電路板電路的設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)是否抗干擾起著十分重要的作用。在設(shè)計(jì)過程中要注意盡量控制噪聲源、降低對(duì)外部噪聲的吸收和減小噪聲的傳播與耦合來(lái)進(jìn)行布線。對(duì)模擬電路部分、數(shù)字電路部分以及驅(qū)動(dòng)部分的電源線和地線要分別進(jìn)行處理，噪音元件和非噪音元件要保持一定的距離。

在元器件的位置排列上盡量使相互關(guān)聯(lián)的器件布置在一起。將發(fā)熱量較大的部分，如存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘發(fā)生器等放置在板子散熱條件較好的地方。為了消除電位差，降低干擾，可以將整流電路部分設(shè)計(jì)為網(wǎng)格狀。對(duì)于地線和電源線的走向上盡量與數(shù)據(jù)的傳輸方向一致，這樣有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的抗噪聲能力。當(dāng)單片機(jī)控制系統(tǒng)中同時(shí)存在弱電信號(hào)和強(qiáng)電信號(hào)時(shí)，要在線路布局和走向上予以區(qū)別并保持一定的距離以降低相互間的干擾。同時(shí)為了降低電磁感應(yīng)對(duì)傳輸信號(hào)的影響，系統(tǒng)中的電源線、信號(hào)線等盡量采用雙絞線。

（二）降低供電系統(tǒng)的電源干擾。（1）為確保單片機(jī)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)欠壓和過壓，應(yīng)在電源接入端采用交流穩(wěn)壓器件;（2）電源系統(tǒng)中的干擾部分大多是高次諧波，因此可以采用在交流端添加電感電容濾波，從而改善電源波形。例如，可以使用磁珠和電容組成π形濾波電路，如果條件要求不是很苛刻時(shí)磁珠可以用1000電阻替代，從而可以消除干擾脈沖;（3）在一些情況下也可以采用系統(tǒng)模塊獨(dú)立供電的方法進(jìn)行供電。在每個(gè)功能模塊上采用三端穩(wěn)壓集成模塊組成穩(wěn)壓電源，如7805等。這樣不僅可以提高供電的可靠性，也可以減少公共阻抗和公共電源的相互耦合，有助于電源的散熱。

（三）增強(qiáng)敏感元件的抗干擾能力。（1）對(duì)于按鈕等部件在實(shí)際操作時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，須用RC電路予以處理;（2）在對(duì)電路板進(jìn)行布線時(shí)，電源線和地線要設(shè)計(jì)的盡量粗些。這樣不僅可以減小壓降，還可以有效降低耦合噪聲;（3）對(duì)于單片機(jī)中空閑的I/O口，須盡量避免其懸空，在不影響系統(tǒng)功能和邏輯的前提下對(duì)其接地或接電源以降低干擾源進(jìn)行系統(tǒng);（4）為提高整體系統(tǒng)的抗干擾能力，需要對(duì)單片機(jī)電路進(jìn)行優(yōu)化，例如采用電源監(jiān)控、看門狗電路等;（5）在采用低速芯片可以滿足條件的前提下盡量避免使用高速芯片;（6）單片機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)位電路在受到干擾的情況下可能出現(xiàn)誤復(fù)位操作，因此需要在復(fù)位端接入去耦電容;（7）時(shí)鐘發(fā)生器盡量靠近使用到該時(shí)鐘的器件，同時(shí)要注意將石英晶體振蕩器的外殼接地。

（四）隔離和屏蔽設(shè)計(jì)。對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)行隔離和屏蔽設(shè)計(jì)是硬件抗干擾的常用措施。隔離的目的是將電路上的干擾源和系統(tǒng)中易受到干擾部分進(jìn)行分離，從而切斷干擾通道，保證監(jiān)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅僅保持正常的信號(hào)聯(lián)系。常見的隔離方式主要有布線隔離、繼電器隔離和光電隔離等。其中光電隔離是比較典型的信號(hào)隔離，其作用是將單片機(jī)的輸入端和輸出端隔離開，從而可以使干擾信號(hào)進(jìn)入不了單片機(jī)系統(tǒng)，也可以確保系統(tǒng)本身的噪聲不會(huì)向外傳播。屏蔽主要是針對(duì)噪聲相對(duì)大的部件來(lái)，如開關(guān)電源等，可以用金屬外殼的罩子進(jìn)行封閉，降低噪聲源對(duì)單片機(jī)的干擾。

（五）其他常用的抗干擾措施。（1）電路板布線時(shí)盡量避免線路出現(xiàn)90度折線，以便降低高頻噪聲;（2）電路板在設(shè)計(jì)中要合理布局，盡量降低強(qiáng)電信號(hào)、弱電信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之間的相互影響，保證干擾源與敏感元件之間距離;（3）對(duì)于系統(tǒng)中的大功率器件盡量布置在電路板的邊緣，同時(shí)要將單片機(jī)和其接地獨(dú)立開，在提高散熱的同時(shí)降低相互干擾;（4）在單片機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵地方使用抗干擾器件，如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩等;（5）對(duì)變壓器采用雙隔離措施是硬件抗干擾的重要手段之一。即將串聯(lián)電容接入變壓器初級(jí)輸入端，初、次級(jí)線圈間屏蔽層與初級(jí)間電容中心接點(diǎn)接大地，次級(jí)外屏蔽層接印制板地。同時(shí)為了吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓可以在次級(jí)加低通濾波器;（6）為了降低信號(hào)的誤差，A/D轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換的方式。

三、結(jié)束語(yǔ)

單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的使用環(huán)境、具體電路以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)等有著密切的關(guān)系。因此，在具體設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況具體分析，在可靠的實(shí)現(xiàn)需求功能的基礎(chǔ)上提高整體性能和降低設(shè)計(jì)成本。同時(shí)要注意抗干擾設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐的結(jié)合，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)中運(yùn)行穩(wěn)定的單片機(jī)控制系統(tǒng)。

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（作者單位：大連富士冰山自動(dòng)售貨機(jī)有限公司）