單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

王泉 丁偉民 衛(wèi)凱龍 李建和 王浚宇 王海建

摘 要：?jiǎn)纹瑱C(jī)嵌入式系統(tǒng)是一種基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)，在實(shí)際工作中經(jīng)常容易受到一些因素干擾而影響到其正常的工作以及運(yùn)行。關(guān)于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)受到的干擾因素主要包括：空間干擾，通道干擾以及電源干擾。這些干擾會(huì)在一定程度上對(duì)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響，導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤，定時(shí)不正確，誤操作被控對(duì)象以及狀態(tài)的不穩(wěn)定。因此，有必要采用某些抗干擾的相關(guān)技術(shù)對(duì)這些不利的后果進(jìn)行避免，本文將會(huì)從軟件與硬件兩方面對(duì)實(shí)現(xiàn)抗干擾的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹和研究。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)技術(shù);嵌入式系統(tǒng);抗干擾;可靠性

引言

單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以在有限的功耗、體積和成本下最大發(fā)揮其應(yīng)用功能。然而，隨著應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，單片機(jī)的工作環(huán)境已變得越來(lái)越復(fù)雜和惡劣。因此，為了確保單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，便要考慮系統(tǒng)的抗干擾能力，否則一旦技術(shù)應(yīng)用不當(dāng)或受環(huán)境影響便會(huì)導(dǎo)致誤差增加，從而系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)作，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備裝置失靈，出現(xiàn)重大損失。因此，利用抗干擾技術(shù)優(yōu)化單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)，保證指令快速、正確地執(zhí)行是本文接下來(lái)重點(diǎn)研究與介紹的。

1單片機(jī)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)及主要干擾因素

單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以技術(shù)應(yīng)用為中心，以硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能為支撐，形成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)控制運(yùn)行的功能耗損和穩(wěn)定性的專(zhuān)業(yè)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也可以簡(jiǎn)單地說(shuō)是一種在應(yīng)用系統(tǒng)和高端的設(shè)備中嵌入用戶(hù)看不到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行中，往往會(huì)受到一些因素的干擾，其運(yùn)行干擾因素主要有三種，第一種干擾因素是供電干擾，當(dāng)電能在線圈中流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)對(duì)單片機(jī)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的電氣信號(hào)有著比較大的干擾作用;第二種干擾因素是空間干擾，由于空間狹小，相互之間產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生干擾作用;第三種干擾因素是過(guò)程通道干擾，進(jìn)入系統(tǒng)的前向通道、后向通道以及與系統(tǒng)相連的其他通道的信號(hào)受到干擾，而產(chǎn)生信號(hào)衰減或消失。

2單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)

2.1優(yōu)化供電設(shè)計(jì)

在很多情況下，單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)連接的相關(guān)電氣設(shè)備遭到干擾，其中很大一部分原因來(lái)源于電能供應(yīng)的不穩(wěn)定性，因此，要想實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，首先要對(duì)于相關(guān)的供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了達(dá)到穩(wěn)定電能的作用，防止因?yàn)殡娫吹碾妷哼^(guò)高或者過(guò)低造成的電能不穩(wěn)定現(xiàn)象，可以在電能系統(tǒng)中使用交流穩(wěn)壓器來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓。此外，可以借助隔離變壓器和低通變壓器對(duì)于工頻噪聲和高頻噪聲進(jìn)行處理，保證系統(tǒng)的主機(jī)的電能供應(yīng)和其他部位的電能供應(yīng)區(qū)分開(kāi)，運(yùn)用獨(dú)立安裝連接的穩(wěn)壓器來(lái)防止其他的設(shè)備電能使用可能帶來(lái)的電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.2去耦技術(shù)

去耦技術(shù)指的是在單片機(jī)嵌入式的相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行去耦電容的設(shè)置，從而形成去耦電路。原則上，是在單片機(jī)的相關(guān)嵌入式系統(tǒng)中的每個(gè)集成電路的相關(guān)以及地之間加入一個(gè)去耦電容器。采用這種方法的主要功能體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是可以減少旁路的高頻噪聲，另一個(gè)是集成電路的存儲(chǔ)電容器，提供和吸收集成電路打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)的充電和放電能量。此外，通過(guò)該過(guò)程，可以在很大程度上減小由于沖擊電流的原因?qū)е碌膫鬏斁€路和供應(yīng)系統(tǒng)的相關(guān)電源內(nèi)阻造成的壓降，從而降低造成對(duì)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)干擾。

2.3優(yōu)化印制電路板布線和工藝

要確保單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力，要合理選擇使用電路板，一般情況下，多層電路板是單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)中的有效電路板選擇對(duì)象。相對(duì)于單層電路板來(lái)說(shuō)，這種電路板的性能更好，將這種多層電路板接入系統(tǒng)中，能夠防止原件之間相互耦合和電位差的現(xiàn)象發(fā)生，保證單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在印刷電路板時(shí)，要注意嚴(yán)謹(jǐn)性，進(jìn)行合理的分區(qū)處理，確保數(shù)字電路、模擬電路之間不會(huì)靠的太近，防止相互電路之間的干擾，進(jìn)行清晰的分區(qū)處理，尤其要做到對(duì)于地線的區(qū)分使用，確保地線和各自的電源端有效連接。在進(jìn)行走線方式的制定時(shí)，要考慮到焊接面和元件面中的走向不能出現(xiàn)平行的連接，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹澢托苯?。?dǎo)線與導(dǎo)線之間要做好相互之間的平行程度控制，做到盡可能縮小平行長(zhǎng)度。對(duì)于信號(hào)線的布局應(yīng)該堅(jiān)持距離的盡可能拉大來(lái)進(jìn)行布線。在印制電路板的相關(guān)操作中，還要注重送電方式要符合相關(guān)的規(guī)則，做好單點(diǎn)接線和接地工作。不同的分區(qū)中，要確保地線和電源的分離，且都需要用粗線進(jìn)行布線，將元器件按照有噪音產(chǎn)生和無(wú)噪音產(chǎn)生進(jìn)行區(qū)分。

3單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)

3.1指令冗余技術(shù)

單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多的干擾信號(hào)，由于干擾機(jī)理十分復(fù)雜，干擾因素也比較多，會(huì)存在很多的偶然性與隨機(jī)性。受干擾因素影響，單片機(jī)系統(tǒng)非常容易出現(xiàn)程序跑飛的情況，尤其當(dāng)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)在工作的過(guò)程中如果跑飛的程序在ROM區(qū)中工作的時(shí)候，此時(shí)可以采用指令冗余技術(shù)進(jìn)行調(diào)整。由于程序跑飛是指系統(tǒng)受干擾后指針的值偏離后導(dǎo)致堆棧被破壞，因此可以可以在程序中插入幾個(gè)單字節(jié)的空操作指令NOP，或是對(duì)關(guān)鍵指令在后面進(jìn)行重復(fù)編寫(xiě)，以此保證后續(xù)指令不被拆散，使跑飛的程序回歸正軌。該指令在程序中是冗余的，主要是起保護(hù)作用，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，但卻有效避免了干擾因素的影響，大大提高了系統(tǒng)可靠性。

3.2數(shù)字濾波技術(shù)

在數(shù)據(jù)采集中其系統(tǒng)通道中會(huì)產(chǎn)生一些干擾信號(hào)，那么就需要數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。數(shù)字濾波是單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)利用數(shù)學(xué)公式信號(hào)進(jìn)行處理，增加有用信號(hào)在所有信號(hào)輸送的比重，保證信號(hào)的真實(shí)性和正確性。單片機(jī)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾數(shù)字濾波技術(shù)有：中值濾波方法，程序判斷濾波方法，復(fù)合數(shù)字濾波方法，算術(shù)平均濾波方法以及加權(quán)平均濾波方法等。通常，這種抗干擾的技術(shù)主要是對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道中的干擾具有針對(duì)性，通過(guò)對(duì)數(shù)字濾波技術(shù)的使用，可以更好的保證信號(hào)的可靠性，并且可以很好的避免對(duì)有用信號(hào)的干擾及影響。此外，這種技術(shù)對(duì)硬件的設(shè)備要求不高，不需要增加設(shè)備，只要編輯一個(gè)濾波的有關(guān)軟件程序就可以達(dá)到目的，它的優(yōu)點(diǎn)就是穩(wěn)定性高，修改方便，可以降低抗干擾的技術(shù)成本支出。

結(jié)語(yǔ)

目前，嵌入式單片機(jī)日益得到廣泛應(yīng)用，為了保證設(shè)備的可靠性，在分析干擾源的基礎(chǔ)上，一方面可以強(qiáng)化抗干擾技術(shù)，為嵌入式單片機(jī)的有效運(yùn)行提供可靠的保障，另一方面則可以通過(guò)結(jié)合硬件與軟件的抗干擾技術(shù)來(lái)提升抗干擾能力，設(shè)計(jì)出可靠性高的嵌入式系統(tǒng)，確保設(shè)備能夠正常穩(wěn)定地工作。

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