單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾措施

徐靖

（梧州市第二職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，廣西梧州，543500）

0 引言

目前,單片機(jī)及其集成系統(tǒng)正朝著自動(dòng)化、高度化和集成的發(fā)展方向迅猛發(fā)展,在我國現(xiàn)代電子工業(yè)中的自動(dòng)化電源管理、家庭家用電器、智能化電器儀表等各個(gè)領(lǐng)域在其中的廣泛應(yīng)用也越來越多,逐步成為企業(yè)進(jìn)行舊電器設(shè)備的新技術(shù)改造、新型電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研制和技術(shù)開發(fā)等重要的技術(shù)手段。然而,單片機(jī)的操作系統(tǒng)在實(shí)際工作運(yùn)行中會(huì)經(jīng)常遭遇自身軟件干擾或者來自外界的各種不同程度的硬件干擾,這些大的干擾對于整個(gè)系統(tǒng)輕則說會(huì)直接影響其溫度測量和自動(dòng)控制的工作精度,重則甚至?xí)苯訉?dǎo)致系統(tǒng)工作臺(tái)和系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓。所以對一個(gè)獨(dú)立的大型單片式電機(jī)系統(tǒng)而言,其正常工作的可靠性與系統(tǒng)的正常抵御抗干擾時(shí)的功能息息相關(guān),為了有效提高系統(tǒng)的正常工作安全性和可靠性,必須有效地抑制各類的干擾因素。

1 單片機(jī)控制系統(tǒng)干擾分析

單片機(jī)自動(dòng)化過程，控制管理系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾的各種類型:產(chǎn)生干擾的類型主要?jiǎng)澐钟泻芏喾N,通常可以根據(jù)電機(jī)噪聲在控制系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的主要原因、傳導(dǎo)運(yùn)動(dòng)方式、波形狀態(tài)特征等對其干擾進(jìn)行不同類型的劃分。按其可能產(chǎn)生的主要影響力和原因進(jìn)行劃分:又分別可以細(xì)致地分為放電噪聲音、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。按其中的傳導(dǎo)驅(qū)動(dòng)方法不同來進(jìn)行區(qū)分:通?？梢员容^細(xì)化稱為共模噪聲和串模噪聲。按其脈沖波形序列來進(jìn)行劃分:根據(jù)脈沖連續(xù)電壓序列可以比較細(xì)化分為持續(xù)正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等。

2 單片機(jī)控制系統(tǒng)干擾的抑制策略

2.1 采用硬件抗干擾技術(shù)

由于單片機(jī)系統(tǒng)大部分都是采用市電，個(gè)別是采用電池方式供電,極易遭受由于各種原因所造成的電網(wǎng)頻率波動(dòng)所帶來的干擾,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定或者是出現(xiàn)”死機(jī)”的現(xiàn)象。

例如，可以考慮采取幾種措施抑制開關(guān)電源的干擾:第一，選擇采用開關(guān)式電源進(jìn)行供電。第二，對直流電源進(jìn)行濾波，對于穩(wěn)定的直流電源，應(yīng)用濾波技術(shù)。通過在芯片上為每一種電源添加一個(gè)額外的電容，并為直流電源和接地線添加一個(gè)額外的電感。

2.2 地線干擾的有效遏制

在目前單片式電機(jī)系統(tǒng)中主要使用的有有線模擬地和數(shù)碼地兩種地線。由于數(shù)字模擬地與數(shù)字電網(wǎng)直接串聯(lián)相連,為”火地”,故其不僅會(huì)容易受到直接串入模擬電網(wǎng)內(nèi)部電路中的各種諧波干擾。而且對于數(shù)字地還會(huì)富含各種高次頻率諧波并且還可以具有較強(qiáng)的電磁輻射干擾效應(yīng)。若與仿真模擬地直接接通,這就可能會(huì)對自動(dòng)模擬微型數(shù)字信號系統(tǒng)造成較大干擾,所以當(dāng)模擬頻率的峰值長度小于10mhz時(shí)可以選擇一點(diǎn)接地,當(dāng)模擬頻率的峰值長度大于10mhz時(shí)可以選擇多點(diǎn)接地。

例如，數(shù)字地與模擬地互相分開、交流地與信號地不同時(shí)使用、采用系統(tǒng)式浮地,機(jī)殼間互相聯(lián)結(jié)用以保護(hù)整塊土地，其中作為保護(hù)地的土地部位即分為水平地和大地。該檢測傳感器的浮地信號之間接地距離采取浮地高空間距自動(dòng)隔離,并且用戶可以直接采用先進(jìn)的三線式自動(dòng)采樣雙層屏浮地技術(shù)。

2.3 提高抗干擾性能

合理的布線和合理的結(jié)構(gòu)布局可以提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能。例如，首先在對電路板進(jìn)行布線時(shí),注意把模擬地和信號地分開,并且兩者都要單點(diǎn)相接。其次，盡量多一些加粗的地線。第三，在布局過程中要注意強(qiáng)、弱電的分離,特別重要的是設(shè)備在系統(tǒng)中所采樣的信號都要取自220v的交流電,更重要的是應(yīng)該充分注意防止交流的干擾和高壓放電。

2.4 采用光電信號隔離系統(tǒng)技術(shù)

光電信號隔離系統(tǒng)技術(shù)主要原理是通過一個(gè)光電耦合器將所有信號發(fā)出輸入的中間通道，與外部中央處理器的單元通道進(jìn)行電子信號隔離,光電耦合器把所有信號發(fā)出輸入的發(fā)光通道經(jīng)一個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行改變而形成光敏電信號,然后再由內(nèi)部的一個(gè)三極管進(jìn)行改變而形成一個(gè)電子輸出信號,將所有信號輸入均為電子信號輸出,因而也就完全被稱為，電子輸出隔離了對于信號輸入、輸出之間的不同信號干擾。

例如，其通過光電信號直接通信，實(shí)現(xiàn)有用數(shù)據(jù)和相關(guān)信號的正常運(yùn)輸傳送,是一種良好的有效抵御電磁干擾和高性能的通信措施,因而在現(xiàn)代工業(yè)通信領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的技術(shù)研究和廣泛應(yīng)用。本過程的控制系統(tǒng)中所需要使用的光電耦合器可以實(shí)現(xiàn)直接傳輸光電信號,起到隔離電磁干擾的功能。

2.5 采用”看門狗”控制電路

軟件以系統(tǒng)及其應(yīng)用為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的控制電路或定時(shí)軟件稱為“看門狗”定時(shí)電路或“看門狗”定時(shí)器?？撮T狗工作控制電路的基本原理是，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的整個(gè)過程中，每一個(gè)固定的工作時(shí)間都會(huì)給看門狗一個(gè)控制信號，表示系統(tǒng)正常運(yùn)行。

例如，如果長時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)超過這一工作時(shí)間而仍然沒有正常發(fā)送報(bào)警信號,就只能說明這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)完全處于運(yùn)行失控狀態(tài)。于是”看門狗”上的控制電路板就會(huì)自動(dòng)地對其產(chǎn)生一個(gè)自動(dòng)復(fù)位的中斷信號,從而自動(dòng)使得整個(gè)系統(tǒng)中斷停止自動(dòng)復(fù)位,或者會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生中斷請求,使得整個(gè)系統(tǒng)可以停止運(yùn)行來重新執(zhí)行中斷過程,以便及時(shí)處理當(dāng)前發(fā)生的系統(tǒng)故障。

圖1 單片機(jī)看門狗電路

3 采用軟件抗干擾技術(shù)

3.1 軟件干擾看門狗

指當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)受到軟件干擾后,有時(shí)候可能會(huì)直接造成應(yīng)用程序的失控,引起整個(gè)應(yīng)用程序亂飛,甚至可能會(huì)直接導(dǎo)致應(yīng)用程序系統(tǒng)陷入死循環(huán)。看門狗的圖像技術(shù)原理可以不斷地通過圖像監(jiān)視系統(tǒng)正常運(yùn)行的程序時(shí)間,若在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間內(nèi)沒有看到看門狗發(fā)出指令，就可以自動(dòng)認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入死機(jī)狀態(tài),看門狗立刻將程序CPU自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位,強(qiáng)迫整個(gè)程序重新慢慢返回至0000h處,在0000h處又重新安排一段錯(cuò)誤的處理程序,使得整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行重新恢復(fù)至正常，以上便是程序的主要工作處理流程。

例如，軟件看門狗一般可能需要自動(dòng)占用單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)器,在51系列中可以占用T0和T1,并且在主程序中，可能需要根據(jù)定時(shí)器的溢出中斷周期來中斷定時(shí)器程序。一旦子程序被中斷接收并受到中斷的干擾，定時(shí)器程序?qū)⒆詣?dòng)初始化。然后在子程序故障中斷后需要手動(dòng)設(shè)置沒有錯(cuò)誤跳轉(zhuǎn)指令,將自動(dòng)中斷的執(zhí)行所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到故障子程序,在每個(gè)沒有錯(cuò)誤子例程執(zhí)行可能需要完成初始化過程,使子程序從頭開始執(zhí)行。

3.2 軟件陷阱

軟件陷阱就是通過引導(dǎo)指令把亂碼程序直接引向一個(gè)復(fù)位入口地址0000h處,在此處把亂飛程序進(jìn)行引導(dǎo)直接轉(zhuǎn)向一個(gè)專門針對亂飛程序的錯(cuò)誤出錯(cuò)率等情況，及時(shí)進(jìn)行處理的新程序,使亂飛程序錯(cuò)誤能被完全納入正規(guī),實(shí)現(xiàn)的主要途徑就是程序可在亂飛程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的未被指定使用條件區(qū)域中，直接加上若干條空白的操作程序指令和一些無條件程序跳轉(zhuǎn)操作指令,用技術(shù)手段把亂飛程序從無條件指令直接轉(zhuǎn)向復(fù)位入口。例如，在0202h以后的應(yīng)用程序填充區(qū)域內(nèi)未被使用,可在該時(shí)的應(yīng)用程序填充區(qū)域內(nèi)通過使用NOP和LJMP兩個(gè)程序指令集來進(jìn)行程序填充。

3.3 開機(jī)自檢

開機(jī)啟動(dòng)自檢程序，一般來說是由對主機(jī)ram、rom、i/o口運(yùn)行狀態(tài)的四個(gè)檢測程序組成。在一個(gè)應(yīng)用程序的系統(tǒng)編制中,通?？蓪⑺膔am或rom分區(qū)中的所有分區(qū)內(nèi)容按照一定的順序分區(qū)數(shù)據(jù)順序進(jìn)行存放,在保證應(yīng)用程序正常執(zhí)行的初始或中間幾個(gè)階段執(zhí)行過程中往往會(huì)對這些分區(qū)數(shù)據(jù)順序進(jìn)行一次數(shù)據(jù)比較和檢查,若發(fā)現(xiàn)分區(qū)數(shù)據(jù)順序有誤,則可能需要再次刷新重寫這些分區(qū)的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)人員應(yīng)從有效抑制干擾源、切斷其他干擾傳遞途徑、增強(qiáng)敏感元件的抵御和抗干擾特性等多個(gè)方面著手。在對抗干擾的設(shè)計(jì)中,軟件的抗干擾一般都是被動(dòng)的措施,而硬件的抗干擾則是主動(dòng)的措施,只要認(rèn)真分析系統(tǒng)內(nèi)部及所處環(huán)境中的干擾產(chǎn)生來源和其傳播的途徑,采用二者相互結(jié)合的技術(shù)和手段,就能有效保證整個(gè)系統(tǒng)長期、穩(wěn)定可靠地正常運(yùn)行。