智能儀器儀表中單片機(jī)的抗干擾措施

趙 山，禹 俊，熊 鋼

（四川紅華實(shí)業(yè)有限公司，四川樂山 614200）

現(xiàn)階段，在儀器儀表中單片機(jī)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，不僅使性能得到了明顯增強(qiáng)，同時(shí)降低了其自身的生產(chǎn)成本，但是在現(xiàn)場(chǎng)使用單片機(jī)時(shí)，很容易出現(xiàn)各種各樣的干擾源。所以，若是單片機(jī)系統(tǒng)不具備抗干擾能力或缺乏較強(qiáng)的抗干擾能力，那么當(dāng)出現(xiàn)干擾源時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)不能有序工作，從而也會(huì)直接影響儀器儀表產(chǎn)品的使用效果。為了加強(qiáng)單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力，盡量將因?yàn)閱纹瑱C(jī)在工作中出現(xiàn)混亂而引發(fā)的部分不良后果減少，提高儀器儀表自身的產(chǎn)品質(zhì)量，務(wù)必要盡量運(yùn)用結(jié)合軟硬件的抗干擾方式，以促進(jìn)單片機(jī)系統(tǒng)自身的抗干擾能力有效加強(qiáng)。

1 常見的智能儀器儀表及功能

1.1 常見的智能儀器儀表

①智能毫伏表。相較于傳統(tǒng)毫伏表，智能毫伏表最大的不同之處在于其運(yùn)用了單片機(jī)，如此一來，針對(duì)高頻率的正弦交流電壓也能夠進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)還可完成其他多項(xiàng)任務(wù)，包括對(duì)故障的自動(dòng)診斷、自動(dòng)換算單位、自動(dòng)切換量程、超載自動(dòng)報(bào)警等，特別是其體積小巧，質(zhì)量更輕便，實(shí)用性很強(qiáng)。智能毫伏表在采用單片機(jī)后，基本上實(shí)現(xiàn)了RAM 和CPU 的庫充，I/O 更先進(jìn)。②智能萬用表。其測(cè)量精度非常高，能夠最大程度地減少誤差。智能萬用表芯片的工作方式為雙斜率積分式，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。③邏輯分析器。其作用是分析、處理部分無法預(yù)測(cè)的故障，這部分故障多產(chǎn)生于復(fù)雜電路中。通過對(duì)單片機(jī)的邏輯分析器予以采用，能第一時(shí)間把各個(gè)信號(hào)記錄下來，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存的智能化，聯(lián)系設(shè)備狀態(tài)找出故障，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)展開分析，第一時(shí)間將故障有效解決。

1.2 智能儀器儀表功能

在智能儀器儀表中智能是重中之重，其靈活性通過強(qiáng)大的輸出方式被充分體現(xiàn)出來。智能儀器儀表可以和打印記錄儀等各種設(shè)備連接在一起，從而使多元化輸出形式順利實(shí)現(xiàn)。智能儀器儀表具有測(cè)量的功能，不僅可以高效控制、測(cè)量和處理運(yùn)行，同時(shí)還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理，同時(shí)智能化存儲(chǔ)信息。智能儀器儀表還可以對(duì)復(fù)雜的信號(hào)進(jìn)行處理，健全儀器儀表功能，進(jìn)而對(duì)故障進(jìn)行自動(dòng)診斷與檢測(cè)，從而最大化降低測(cè)量誤差，提高其精準(zhǔn)度。此外，還能在固定時(shí)間對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)定，保證多個(gè)參數(shù)檢測(cè)的精確度。圖1為以In-tel8031組成的系統(tǒng)的簡(jiǎn)略框圖。

圖1 智能儀器系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 單片機(jī)在智能儀器儀表中的應(yīng)用特點(diǎn)和意義

2.1 單片機(jī)在智能儀器儀表中的應(yīng)用特點(diǎn)

2.1.1 數(shù)據(jù)計(jì)算能力強(qiáng)

完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)計(jì)算方面具有很強(qiáng)的能力，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高速計(jì)算，而單片機(jī)在智能儀器儀表中應(yīng)用也不例外。正常情況下，智能儀器儀表不超過0.6 s 就能夠計(jì)算與完成一個(gè)操作周期，有時(shí)甚至更短，只需0.1 s，但若是遇到一些帶有函數(shù)計(jì)算等具有較高難度、復(fù)雜性較強(qiáng)的計(jì)算，則對(duì)單片機(jī)的功能提出了較高的要求。因此，在保證計(jì)算能力精確性方面，單片機(jī)的抗干擾發(fā)揮了非常關(guān)鍵的作用。

2.1.2 控制功能強(qiáng)大

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，最重要的一個(gè)部分就是單片機(jī)，將其運(yùn)用到智能儀器儀表中，由于其控制能力很強(qiáng)，便能夠精準(zhǔn)監(jiān)控諸多參數(shù)，避免設(shè)備發(fā)生運(yùn)行故障。負(fù)責(zé)測(cè)量的微機(jī)，簡(jiǎn)化了諸多數(shù)字電路以及開關(guān)，通過對(duì)二進(jìn)制方式予以采用，順利實(shí)現(xiàn)了包括啟動(dòng)控制位和完成檢測(cè)位在內(nèi)的狀態(tài)位。同時(shí)，隨著單片機(jī)運(yùn)用越來越廣泛，其種類也日益豐富，以MCS-51的單片機(jī)為例，其不僅具有原有功能（布爾處理功能），且還能夠?qū)χ噶畹妮斎胼敵鲞M(jìn)行處理，如此便讓其被較多地應(yīng)用到智能儀器儀表中。

2.2 I/O功能強(qiáng)大

智能儀器儀表內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較強(qiáng)，主要由功能多樣的部件構(gòu)成，而單片機(jī)微機(jī)中的接口芯片則能夠確保其各功能部件長(zhǎng)期處于一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并順利進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。正是因?yàn)閱纹瑱C(jī)的功能十分強(qiáng)大，所以簡(jiǎn)化了智能儀器儀表的設(shè)備，如此便降低了設(shè)備制造的成本。而要想最大化發(fā)揮出強(qiáng)大的I/O 功能，就要求把更多的精力放在單片機(jī)的抗干擾措施上。

2.3 單片機(jī)在智能儀器儀表中的應(yīng)用意義

相較于計(jì)算機(jī)，單片機(jī)只是沒有I/O 設(shè)備，所以就功能作用來說，二者的差別很小。但通過對(duì)其他方面（體積、結(jié)構(gòu)）進(jìn)行比較能夠發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)未有較大的體積，具有安裝、攜帶方便的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段，電子信息技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，多種現(xiàn)代技術(shù)的融合發(fā)展已經(jīng)成為一個(gè)主要趨勢(shì)，今后，單片機(jī)技術(shù)勢(shì)必會(huì)被更多地應(yīng)用到電子產(chǎn)品領(lǐng)域。通過把單片機(jī)應(yīng)用到智能儀器儀表中意義重大，具體體現(xiàn)在：①在智能儀器儀表中應(yīng)用單片機(jī)，可為電子設(shè)備提供有效的技術(shù)支持，使之順利實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。比如，CPU 控制系統(tǒng)就屬于單片機(jī)的范疇，其能夠完成對(duì)海量數(shù)據(jù)的采集，而隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM 技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在能夠進(jìn)一步增大智能儀器儀表在數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)方面的容量，有效優(yōu)化和提高智能儀器儀表的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理功能。②應(yīng)用單片機(jī)，可以降低智能化儀器儀表的操作難度。單片機(jī)擁有完善的按位操作系統(tǒng)，針對(duì)智能儀器儀表部分特殊功能寄存器的某位，其能夠起到很好的處理效果，還可借助部分功能（清零、傳送等），更輕松地操作智能儀器儀表。

3 智能儀器儀表中單片機(jī)的抗干擾措施

3.1 硬件抗干擾措施

單片機(jī)在智能儀器儀表中受到了最大干擾來自于電源。瞬時(shí)短路、電源通斷、電網(wǎng)串進(jìn)來的干擾脈沖導(dǎo)致在所有干擾中，單片機(jī)的誤動(dòng)作占比超過九成。在消除電源干擾方面，過去所采取的措施多是利用低通電源濾波器、加交流穩(wěn)壓器，又或是發(fā)揮隔離變壓器的作用，將不間斷電源（UPS）利用起來，這些措施只能起到一定效果，根本不能完全消除干擾。比如，UPS 可以確保在干擾期間不會(huì)丟失RAM 中的數(shù)據(jù)，但卻無法讓反應(yīng)時(shí)間一致于微秒級(jí)的干擾脈沖，最終破壞了CPU 的正常運(yùn)行。若是運(yùn)用電源電壓監(jiān)視器，則可很好地解決了上述問題。其能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)電壓的瞬態(tài)脈沖和瞬態(tài)欠壓干擾，并及時(shí)將復(fù)位脈沖發(fā)給單片機(jī)系統(tǒng)，讓單片機(jī)能夠可靠復(fù)位，與此同時(shí)，還可以保護(hù)外部RAM 存儲(chǔ)器，以免丟失信息。現(xiàn)階段所采用的電源電壓監(jiān)視器，不僅能夠很好地監(jiān)視電源電壓，且還可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換備用電池，同時(shí)也具有掉電檢測(cè)以及“看門狗”功能。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量選擇使用此類性能高的芯片，如此便可以讓電路設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化，并促進(jìn)系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)。

3.2 監(jiān)視定時(shí)器

監(jiān)視定時(shí)器主要應(yīng)用于程序運(yùn)行中，經(jīng)常以“看門狗”來稱呼它，最近幾年其使用日益廣泛。使用此類電路，可以在非常短的時(shí)間內(nèi)拉出走飛或陷入死循環(huán)的單片機(jī)，讓其可以進(jìn)入到正常程序之中。同時(shí)還有部分系列的單片機(jī)，比如8098，就專門配備了這一設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，只需將其啟動(dòng)，那么當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)溢出時(shí)，便可以把其中存在的RESET引腳拉至低電平，使之以最快的速度恢復(fù)原位。針對(duì)8031、8032等目前使用頻率較高的單片機(jī)（MCS-51系列），由于其內(nèi)部未對(duì)監(jiān)視定時(shí)器予以采用，因而就必須將硬件的“看門狗”電路由外部接入進(jìn)來。不僅如此，為了讓程序在出現(xiàn)失控和“跑飛”后迅速恢復(fù)正常，便可利用軟件抗干擾技術(shù)。

3.3 光電隔離

智能儀器儀表設(shè)備中涉及負(fù)責(zé)輸出以及輸入的通道，通道和單片機(jī)系統(tǒng)之間，應(yīng)通過光電進(jìn)行隔離，如此才可以真正起到抗干擾的作用。與此同時(shí)，能夠隔離單片機(jī)系統(tǒng)和外界，確保電流不會(huì)干擾系統(tǒng)，促進(jìn)單片機(jī)抗干擾能力的提高。就數(shù)字信號(hào)而言，光電隔離十分簡(jiǎn)單，直接運(yùn)用光電耦合器即可。就模擬信號(hào)而言，其要展開的隔離復(fù)雜性較強(qiáng)，差分放大器、隔離放大器以及V/F 轉(zhuǎn)換光電隔離電路等的應(yīng)用頻率高，具體運(yùn)用過程中需結(jié)合具體狀況進(jìn)行選擇。通過實(shí)踐證實(shí)，光電耦合適用于抑制尖峰脈沖以及各類噪聲干擾中。如圖2所示，此類電路所具備的抗干擾能力明顯高于普通電路。

圖2 用光電耦合的雙穩(wěn)態(tài)電路

3.4 軟件相關(guān)抗干擾措施

對(duì)于硬件抗干擾措施而言，能夠加強(qiáng)單片機(jī)系統(tǒng)所具備的抗干擾性能，但使其作用仍有限，需要重視單片機(jī)系統(tǒng)中軟件系統(tǒng)的研究以及設(shè)計(jì)。

3.4.1 設(shè)置自檢程序

軟件自檢系統(tǒng)是首要防范手段，在系統(tǒng)開機(jī)后，可以借助軟件的形式，將系統(tǒng)硬件和運(yùn)行狀況反映出來，立足于軟件反饋的系統(tǒng)狀況，能夠明確硬件涉及到的問題以及故障，同時(shí)可以幫助技術(shù)人員第一時(shí)間排除故障。系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，可以持續(xù)地進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，查看系統(tǒng)硬件是否存在異常問題。借助此方式可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和解決問題。此外，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題還能更好地總結(jié)問題，以及發(fā)現(xiàn)、記錄問題。

3.4.2 設(shè)計(jì)軟件陷阱

針對(duì)非程序區(qū)而言，應(yīng)涉及部分陷阱，程序在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)進(jìn)入到非程序區(qū)中，但在程序走飛之時(shí)很容易遇到這些設(shè)置的陷阱，同時(shí)在陷阱位置強(qiáng)制性讓程序復(fù)位，如此，涉及走飛程序，能夠順利地回到最初狀態(tài)，且避免“死機(jī)”等相關(guān)問題的出現(xiàn)。比如，MCS-51系統(tǒng)運(yùn)用到的單片機(jī)，針對(duì)非程序去，可采取0200000002000000……把其填滿。如此，無論是PC 失控后會(huì)指向哪種字節(jié)，最終均能將程序拉到最原始的復(fù)位狀態(tài)。

3.4.3 軟件保護(hù)輸出

軟件保護(hù)輸出表現(xiàn)為通過軟件防止硬件產(chǎn)生干擾的狀況，如經(jīng)常出現(xiàn)的電源干擾，采集電源接通和通電過程中會(huì)產(chǎn)生的干擾狀況，設(shè)置相應(yīng)的程序清除產(chǎn)生的影響，引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)正確狀態(tài)。如此，就算單片機(jī)自身受到干擾，對(duì)控制寄存器之中的內(nèi)容進(jìn)行改變，但由于指令上出現(xiàn)重復(fù)執(zhí)行的問題，所以可以及時(shí)地對(duì)錯(cuò)誤輸出狀態(tài)進(jìn)行提示和改變，進(jìn)而維持在正確的輸出狀態(tài)之中。此種軟件保護(hù)形式能夠減少復(fù)雜的流程，同時(shí)使故障發(fā)生率顯著降低。但需要專業(yè)的人員展開操作，從總體上而言促進(jìn)了系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，保證其可以在不影響硬件正常工作的狀況下，保護(hù)系統(tǒng)的具體運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較低，高效且難度小，應(yīng)用價(jià)值很高。

3.4.4 數(shù)據(jù)和程序彼此展開的冗余設(shè)計(jì)

系統(tǒng)保持運(yùn)行狀態(tài)之時(shí)，若是借助監(jiān)視的定時(shí)器或監(jiān)視器等可以讓其出現(xiàn)復(fù)位的情況，此時(shí)需要精確判斷系統(tǒng)自身能否可以繼續(xù)將實(shí)時(shí)的測(cè)控完成。一般情況下，需要結(jié)合系統(tǒng)在RAM 區(qū)中運(yùn)行中是否出現(xiàn)損壞的情況進(jìn)行判斷。若是這些相關(guān)數(shù)據(jù)已遭受破壞，就務(wù)必馬上停止運(yùn)行，然后再次進(jìn)行冷啟動(dòng)。要想順利地加強(qiáng)其抵抗干擾的相關(guān)能力，可對(duì)運(yùn)行參數(shù)實(shí)施冗余設(shè)計(jì)，將全部參數(shù)放在RAM 區(qū)中會(huì)靠近、但不相互的單元中。若是某單元的數(shù)據(jù)發(fā)生了改變，而其他幾個(gè)單元中的數(shù)據(jù)完好無損，那么則可以有效保障系統(tǒng)自身運(yùn)行的穩(wěn)定性。就部分子程序或主要的程序段，也可以運(yùn)用一些冗余設(shè)計(jì)，如此便能防止其導(dǎo)致系統(tǒng)作出不正確的動(dòng)作。比如借助I/O 輸出主要信號(hào)時(shí)，可以間歇或連續(xù)地對(duì)相對(duì)命令進(jìn)行處理，從而確保此信號(hào)準(zhǔn)確。

4 運(yùn)用數(shù)字濾波技術(shù)

在采集數(shù)據(jù)的過程中，可以使用軟件展開某種數(shù)學(xué)處理，以防止受到采樣干擾的影響。其主要是采用中值法、算術(shù)平均法、一階低通濾波器法。通過相關(guān)實(shí)踐證實(shí)：對(duì)于數(shù)字濾波而言，能夠消除數(shù)據(jù)收集過程中出現(xiàn)的誤差，但需要結(jié)合信號(hào)變化規(guī)律，對(duì)具體的方式進(jìn)行選擇。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段，我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度日益加快，在此形勢(shì)下，智能儀器儀表的應(yīng)用日益廣泛，人們?cè)絹碓揭蕾囍悄軆x器儀表設(shè)備。在智能儀器儀表中，抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)系統(tǒng)需要將軟硬件技術(shù)作為重點(diǎn)。硬件可以對(duì)諸多干擾信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)達(dá)到隔離和濾除的效果，軟件可以就一些強(qiáng)干擾導(dǎo)致的不良后果，第一時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)救，如此便使智能儀器儀表更加安全、可靠。總而言之，借助運(yùn)用單片機(jī)，使單片機(jī)的抗干擾性能增強(qiáng)，可以確保數(shù)據(jù)更加有效、準(zhǔn)確，盡量減少錯(cuò)誤信息帶給智能儀器儀表的不良影響，夯實(shí)社會(huì)穩(wěn)定、正常發(fā)展的基礎(chǔ)。