智能儀器儀表中單片機的抗干擾措施

蔡長青

摘? ?要：當前我國在生產(chǎn)生活中對于智能儀器和儀表設備的運用越來越多，因此，提升智能儀器和儀表設備的長期穩(wěn)定運行性能和自身的安全性可靠性就顯得尤為重要?；诖耍撐?針對智能儀器儀表里單片機自身的抗干擾措施進行介紹，并且對于硬件所采取的相關抗干擾措施和軟件所采取的抗干擾措施進行相關的總結(jié)。

關鍵詞：智能儀器;儀表;單片機;抗干擾

中圖分類號：TP216? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

在我國的智能儀器和儀表設備當中，單片機的應用越來越廣泛，經(jīng)過長期的實踐后發(fā)現(xiàn)，將單片機引入智能儀器和儀表設備當中，能夠有效地提升智能儀器設備和儀表設備的工作性能，大大提升了相關設備的工作能力和運行效果。同時，單片機的制造和生產(chǎn)成本在長期應用的過程中開始不斷降低，進一步提升了其泛用效果。在實際應用當中，單片機的適用環(huán)境中經(jīng)常會存在各種各樣的干擾源，當單片機自身的抗干擾性能不足或者是使用者沒有應用足夠有效的抗干擾措施時，就會嚴重的影響智能儀器和智能儀表設備的使用效果，在使用過程中容易因為干擾源的存在出現(xiàn)數(shù)據(jù)混亂的問題，并且會對單片機自身的工作性能產(chǎn)生極大影響。為了盡量避免這種情況的發(fā)生，減少智能儀表和智能儀器在工作當中因為受干擾而導致工作效果差的情況發(fā)生，應該要想辦法提升單片機系統(tǒng)自身的抗干擾能力，保證智能儀器和智能儀表設備在工作中能夠保持高效率并且精確地進行數(shù)據(jù)傳導，避免因為智能儀器和儀表設備受到干擾而造成不良影響。在具體的措施上，首先是對硬件的抗干擾性進行提升，從硬件上減少系統(tǒng)受到干擾時產(chǎn)生的誤差，使系統(tǒng)在有干擾源的情況下也能正常運行，同時在軟件方面也要提升抗干擾性，強化在存在干擾情況下的數(shù)據(jù)處理能力，保證數(shù)據(jù)的傳導效果。使硬件軟件一起發(fā)力，共同提升智能儀器和儀表設備的抗干擾能力。

1 智能儀器和儀表設備當中單片機系統(tǒng)的應用優(yōu)勢

1.1 控制功能強

在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，其內(nèi)部的各種系統(tǒng)都在長期的發(fā)展下不斷進化，變得逐漸完善，而單片機在整體系統(tǒng)中也起到了十分重要的作用。在智能儀器和儀表的計算機系統(tǒng)當中，單片機能夠?qū)χ悄軆x器和儀表設備進行精準有效的控制和監(jiān)管，保證其正常運行，并能精確反應運行情況。其中主要的測量任務往往由微機負責，微機的應用能夠省略更多的開關和常規(guī)儀器中需要的大量數(shù)字電路，既節(jié)省了生產(chǎn)成本，同時也大大提升了智能儀器和儀表設備的使用效率。在進行狀態(tài)控制時，微機的運行一般采用的是二進制算法，這樣可以利用測量填補檢測位和啟動控制位等結(jié)構(gòu)的狀態(tài)位[1]。

1.2 I/O功能強大

現(xiàn)代經(jīng)濟社會中應用的智能儀器和儀表設備往往具有十分復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其整體系統(tǒng)的組成往往需要結(jié)合大量的功能復雜且多樣的高科技部件，因此這種方式組成的智能儀器和儀表設備就需要投入大量技術(shù)資本，才能夠完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序結(jié)合，以及整體運行效率的有效提升。為了達成這個效果，單片機的引入十分重要，單片機中存在的微機具備功能強大的接口芯片，能夠兼容現(xiàn)在使用的大多數(shù)智能儀器和儀表設備，并且能夠保證其運行效果和自身運行的穩(wěn)定性，讓不同構(gòu)件之間能夠協(xié)調(diào)合作[2]。

2 硬件抗干擾的相關措施

2.1 抗電源干擾的相關措施

一般情況下，電源干擾是影響應用單片機系統(tǒng)的智能儀器和儀表設備的主要干擾源，這種情況下，會對單片機自身造成干擾，但究其原因是電源系統(tǒng)帶來的系統(tǒng)干擾。當電源接通或者電源斷電時，都會產(chǎn)生瞬時短路，并且會造成電網(wǎng)中的干擾脈沖進入單片機系統(tǒng)當中，對單片機系統(tǒng)造成干擾，這也是應用單片機系統(tǒng)的智能儀器和儀表設備接受到的絕大多數(shù)干擾的來源，也是造成單片機出現(xiàn)運行錯誤的主要原因。

針對這種情況產(chǎn)生的干擾，最直接的方式是通過加裝交流穩(wěn)壓器、隔離變壓器和低通電源濾波器，或者使用不間斷電源系統(tǒng)的方式進行防范。這些方式都能夠有效提升單片機系統(tǒng)的抗干擾能力，但是并不能夠?qū)λ械那闆r都進行有效防范。以不間斷電源為例，它能夠保證RAM在干擾期間不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，但是其存在的問題是由于在時間上需要進行反應，導致其自身（ms級）無法與其出現(xiàn)的μs級的干擾脈沖相互保持一致，這樣會使當前單片機的CPU在工作中出現(xiàn)混亂的情況。如果利用監(jiān)視電源電壓的儀器監(jiān)視電源電壓的運行情況，那么就可以發(fā)揮更好的功效。

同時，也能夠在單片機的運行過程中更好、更快地發(fā)現(xiàn)其中存在的干擾問題，并及時解決，這種方式能夠節(jié)省大量的技術(shù)人員在檢測系統(tǒng)運行情況中出現(xiàn)故障或者干擾的時候的檢測時間，大幅提升工作效率，通過在系統(tǒng)中安裝的電源電壓監(jiān)視設備，能夠迅速地對電源系統(tǒng)存在的瞬態(tài)欠壓狀況進行快速處置。同時，對于其中的瞬態(tài)脈沖也能夠迅速處理，具有極高的反饋處理效率。在處理瞬態(tài)脈沖和瞬態(tài)欠壓狀況時，監(jiān)視系統(tǒng)能夠快速做出反應，向運行中的單片機系統(tǒng)發(fā)射用于系統(tǒng)復位的脈沖，通過這種方式，能夠快速地進行系統(tǒng)復位，并保持單片機的運行穩(wěn)定，同時還能夠有效保護外部的RAM存儲器，從而防止在單片機的生產(chǎn)和設計過程中出現(xiàn)信息丟失的情況，生產(chǎn)廠家還是要對其中使用的芯片性能進行優(yōu)化選擇，這樣才能夠保證單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高系統(tǒng)的可靠性[3]。

2.2 監(jiān)視定時器

程序運行的監(jiān)視定時器也就是我們常常提到的“看門狗”，近年來得到人們的普遍使用。使用這種“看門狗”的電路，能夠把單片機從一種死循環(huán)或者是走飛的情況中快速拉出，使其自身能夠進入一個正常的程序中。同時還有一些系列的單片機（如8098）其中就配備了專門的“看門狗”定時器，系統(tǒng)在運行的時候只需要啟動監(jiān)視定時器這樣就可以在當前計數(shù)器出現(xiàn)溢出的情況下，把8098自身存在的RESET引腳拉到低電平，從而使8098單片機能夠快速復位[4]。

2.3 光電隔離

智能儀器和儀表設備當中還存在2條通道負責輸入和輸出，這2條通道和單片機系統(tǒng)中間需要進行光電隔離，這樣才能起到更好的抗干擾效果。同時，能夠保證單片系統(tǒng)實現(xiàn)和外界的完全電隔離，使系統(tǒng)不會受到電流的干擾，光電隔離的方式能夠顯著提高單片機的抗干擾能力。對于數(shù)字信號來說，其自身產(chǎn)生的光電隔離相對比較簡單，因此直接使用光電耦合器就可以。對于模擬信號來說，其要進行的隔離相對復雜一些，經(jīng)常使用的主要包括差分放大器（隔離電壓低）、V/F轉(zhuǎn)換光電隔離電路（應用電路相對來說比較復雜）以及隔離放大器（性能好，但是其自身的價格相對昂貴），應用過程中可以按照實際情況進行選擇[5]。

3 軟件相關抗干擾措施

硬件方面的抗干擾措施能夠在很大程度上提升單片機系統(tǒng)的抗干擾性能，但是其具體作用仍然是有限的，想要更有效地提升單片機系統(tǒng)的抗干擾性能，就需要對單片機系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)進行充分的研究和設計，提升其軟件方面的抗干擾能力。

3.1 設置自檢程序

首要的防范措施是軟件對系統(tǒng)的自檢，在系統(tǒng)開機之后，可以通過軟件的形式，對系統(tǒng)的硬件情況和運行狀況進行有效反饋，根據(jù)軟件對系統(tǒng)狀況的總體反饋情況，能夠有效地找到硬件方面存在的故障和問題，并且能夠及時地讓技術(shù)人員對故障進行排除。在系統(tǒng)的正常運行過程當中也可以持續(xù)地進行動態(tài)掃描，查看正常運行過程中系統(tǒng)的硬件是否存在異常情況。通過這種方式能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，并及時解決，另一方面，對問題的及時發(fā)現(xiàn)有助于對問題進行總結(jié)，能夠更加有效地做到發(fā)現(xiàn)問題、記錄問題、改良[6]。

3.2 對于軟件陷阱進行設計

可以提前在非正常運行的程序區(qū)域內(nèi)設置“軟件陷阱”，軟件陷阱的作用并不是使系統(tǒng)停止運行，正常運行的系統(tǒng)程序是不會進入非程序區(qū)域當中的，當系統(tǒng)受到干擾時，將會進入非正常程序區(qū)當中，這時會觸發(fā)預設的軟件陷阱，軟件陷阱的真正作用便是將運算出現(xiàn)錯誤的軟件，通過特殊算法，使其回到最開始的計算過程當中，避免由于外界干擾導致算法計算出現(xiàn)錯誤，產(chǎn)生連鎖反應后，消耗系統(tǒng)的計算能力，導致系統(tǒng)出現(xiàn)死機故障。

3.3 軟件保護輸出

軟件保護輸出是通過軟件對硬件出現(xiàn)的干擾情況進行防范，例如最常見的電源干擾，通過采集電軟接通和斷電時會出現(xiàn)的干擾情況數(shù)據(jù)，設定有針對性的程序，對產(chǎn)生的影響進行清除，將系統(tǒng)引導到正確的狀態(tài)下。這樣，即便是單片機自身受到干擾，導致控制寄存器中的內(nèi)容發(fā)生改變，但是由于指令上出現(xiàn)重復執(zhí)行的情況，因此，也可以及時去地產(chǎn)生錯誤的輸出狀態(tài)進行提示和改變，使其自身的輸出狀態(tài)保持準確。這樣的軟件保護形式能夠省略掉硬件保護帶來的煩瑣的工作流程，并且大大降低故障發(fā)生的概率。但是，需要具有較高專業(yè)性的人員進行專門的操作，總體上看提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使其能夠在不影響硬件正常工作的情況下，保護系統(tǒng)的運行狀態(tài)，沒有太大的風險，簡單并且高效，有著很高的應用價值。

4 結(jié)語

目前，人們對于智能儀器和儀表設備較為依賴，所以必須要對智能儀器和儀表設備的抗干擾性進行較大提升，防止因為錯誤信息帶來的經(jīng)濟損失或者其他的嚴重情況，保證經(jīng)濟社會平穩(wěn)正常的運行發(fā)展，提升智能儀器和儀表設備的長期穩(wěn)定運行和自身的安全性可靠性十分重要。

參考文獻

[1]沈舒雨.單片機在智能儀器儀表中的應用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（13）：242.

[2]李飛.單片機嵌入式系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)應用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（15）：238.

[3]劉佳.智能儀器儀表中單片機的抗干擾措施[J].工程技術(shù)研究，2018（6）：153-154.

[4]梁小廷.單片機技術(shù)的發(fā)展及應用研究[J].民營科技，2018（6）：9.

[5]李巖，孫小華，王福順.智能儀器儀表的硬件抗干擾研究與設計[J].科教文匯（上旬刊），2009（8）：276-277.

[6]張勇.淺析智能儀器中單片機的軟硬件抗干擾措施[J].科技風，2009（10）：92.

作者地址：天津市津南區(qū)雙港鎮(zhèn)普泰花園11號樓。