单片机应用系统抗干扰技术的探讨

2022-03-22 09:07:00 | 浏览次数：

[摘要]：本文先讲述了单片机系统干扰的来源和后果，然后从硬件和软件两方面给出了解决的办法，这些方法可以提高单片机系统的稳定性和可靠性。

[关键词]：单片机系统硬件软件抗干扰技术

中图分类号：TP2 文献标识码：J

1、引言

单片机的应用越来越广泛，被广泛地应用于各个领域比如：工业控制、医疗器械、通讯等场合，对单片机的可靠性的要求越来越高。单片机系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统抗干扰性能是可靠性的重要指标之一。但在实验室里设计的控制系统，在安装、调试后完全符合设计要求，但把系统置入现场后，系统常常不能够正常稳定地工作。产生这种情况的原因主要是现场环境复杂和各种各样的电磁干扰，所以单片机应用系统的可靠性设计、抗干扰技术的应用变得越来越重要了。

2、干扰的来源和后果

工业现场环境中干扰是以脉冲的形式进入单片机系统，其主要的渠道有三条，即空间干扰，供电系统干扰，过程通道干扰。空间干扰多发生在高电压、大电流、高频电磁场附近，并通过静电感应，电磁感应等方式侵入系统内部：供电系统干扰以电源的噪声干扰引起的；过程通道干扰是干扰通过前向通道和后向通道进入系统。干扰一般沿各种线路侵入系统。系统接地装置不可靠，也是产生干扰的重要原因；各类传感器，输入输出线路的绝缘损坏均有可能引入干扰。干扰产生的后果：

（1）数据采集误差的加大当干扰侵入单片机系统的前向通道叠加在信号上，会使数据采集误差增大，特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入时，此现象会更加严重。

（2）程序运行失常

① 控制状态失灵

在单片機系统中，由于干扰的加入使输出误差加大，造成逻辑状态改变，最终导致控制失常。

② 死机

在单片机系统受强干扰后，造成程序计数器PC值的改变，破坏程序正常运行。

（3）系统被控对象误操作

① 单片机内部程序指针错乱，指向了其它地方，运行了错误的程序；

② RAM 中的某些数据被冲乱或者特殊寄存器的值被改变，使程序计算出错误的结果。

③ 中断误触发，使系统进行错误的中断处理。

（4）被控对象状态不稳定

锁存电路与被控对象问的线路（包括驱动电路）受干扰，从而造成被控对象状态不稳定。

3、硬件抗干扰

3.1 合理选择元器件

根据系统参数合理地选择器件以满足系统性能要求。尽可能选用集成度高、温漂小、抗干扰性能好、功耗低的元器件。选择抗干扰性能强的CPU，如果是工作在干扰比较大的环境，可以试试选用不同品牌的单片机.在实践的过程中，发现摩托罗拉、AVR系列的单片机的抗干扰性能不错.另外，外时钟是高频的噪声源，对系统的内外都能产生干扰，因此在满足需要的前提下，选用频率低的单片机是明智之举.

3.2 抑制电源干扰

在交流电网进线端并接压敏电阻.吸收浪涌电压；采用低通滤波器抑制电网引入的高频噪声，在设计滤波器时要注意让谐振频率远小于干扰频率；采用模拟电路与数字电路的电源分开、电源浮空技术、使用电源隔离变压器和电源滤波技术。

3.3 抑制电磁场干扰

采用由导电性能良好的金属作屏蔽盒，并接地，则屏蔽盒内电力线不会影响外部，同时外部的电力线也不会穿透屏蔽盒进人内部，可抑制干扰源，阻截干扰的传输途径，起电场隔离的作用。磁路屏蔽则采用高导磁性材料并以封闭式结构为妥。

3.4 良好的接地

单片机系统设备的抗干扰与系统的接地方式有很大关系，接地技术往往是抑制噪音的重要手段.良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部噪音耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力.单片机系统中的高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地；设备的金属外壳等要安全接地，屏蔽用的导体必须良好接地.这里的接地指接大地，也称作保护地.为单片机系统提供良好的地线对提高系统的抗f扰能力极为有益.特别是对有防雷击要求的系统，良好的接地至关重要。如果系统不接地，或虽有地线但接地电阻过大，则抗干扰元件就不能正常发挥作用.单片机供电的电源的地俗称逻辑地，它们和大地的地的关系可以相通、浮空、或接一电阻，要视应用场合而定.不能把地线随便接在暖气管子上.绝对不能把接地线与动力线的火线、零线中的零线混淆.在复杂现场条件下，可以考虑把整个CPU控制电路采用金属机箱做好接地，接地电阻不小于4欧姆，保证没有空间干扰的串入。

4、软件抗干扰

4.1 CPU 抗干扰措施

当干扰作用到单片机本身时，单片机将不能按正常状态执行程序，从而引起混乱。如何发现单片机受到干扰，如何拦截失去控制的程序流向，如何使系统的损失减小，如何恢复系统的正常运行，则是CPU 抗干扰需要解决的问题，具体可以采用以下几种方法。

（1）人工复位

对于失控的CPU，最简单的方法是使其复位，程序自动从0000H开始执行。为此只要在单片机的RESET端加上一个高电平信号，并持续10ms以上即可。

（2）掉电保护

电网瞬间断电或电压突然下降将使微机系统陷入混乱状态，电网电压恢复正常后，微机系统难以恢复正常，对此类事故的有效方法是掉电保护。掉电信号由硬件电路检测到，加到单片机的外部中断输入端，软件中断将掉电中断规定为高级中断，使系统及时对掉电作出反应。在掉IU中断子程序中，首先进行现场保护，保存当时重要的状忿参数，当电源恢复正常时，CPU 重新复位，恢复现场，继续未完成的工作。

4.2 指令冗余

CPU 取指令过程是先取操作码，再取操作数。当单片机受干扰出现错误时，程序便脱离正常轨道"乱飞"，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错，若"飞"到了三字节指令，出错机率更大。因此，在关键地方人为地插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写，这便称为"指令冗余"。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的空操作指令NOP，这样即使乱飞程序飞到操作数卜.由于NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。

4.3 设置软件陷阱

当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H 的指令。通常在EPR（）M 中非程序区填入以下指令作为软件陷阱：

NOP

LJMP 0000H

软件陷阱通常安排在下列几种地方：

（1）未使用的中断向量区。

（2）未使用的大片ROM 空间。

（3）表格。

考虑到程序存贮器的容量，软件陷阱一般1K 空间有2- 3个就可以进行有效拦截。由于软件陷阱都安排在程序正常执行不到的地方，故不会影响程序执行效率。

5 、结束语

在工程实践中通常都是几种抗干扰方法并用，互相补充，才能取得良好的抗干扰效果。从根本上来说，硬件抗干扰是主动的，软件抗干扰是被动的。细致分析干扰源，硬件与软件抗干扰措施相结合，完善系统监控程序，则可以保证系统准确、可靠地运行。

[参考文献]