单片机系统抗干扰措施分析及应用

单片机系统抗干扰措施分析及应用

方胜锋

关键词：单片机，抗干扰，硬软件

单片机控制系统一般都安装在工业现场，与之相连的被控对象及待测参数往往遍布整个控制区域，这就使得各种强烈的干扰源直接或间接的影响微机控制系统的工作。这些干扰源会使系统的可靠性和稳定性大大降低，严重的还会导致系统的运行紊乱，造成生产事故。因而在实际的应用设计中，要提高控制系统的抗干扰能力，保证控制系统可靠的工作。

1.干扰的来源及后果

工业现场的干扰主要是以脉冲的形式进入单片机系统，其主要的途径主要有三条，即从空间的辐射，供电系统干扰和过程通道干扰。以下的系统容易产生干扰：单位控制器的时钟频率特别高，总性周期特别快的系统；系统含有大功率、大电流驱动电路，如产生火花的继电器，大电流开关等；含微弱的模拟信号电路以及高精度A/D变换电路的系统。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。

(2)程序运行失常。干扰的加入使输出误差加大，造成逻辑状态改变，导致控制失常；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。单片机内部程序指针错乱，运行了错误的程序；RAM中的某些数据出错，使程序计算出错误的结果；中断误触发，使系统进行错误的中断处理。

(4)定时不准。单片机内部程序指针错乱，使中断程序运行超出定时时间；RAM中计时数据被冲乱，使程序计算出错误的结果。

(5)数据发生变化。在干扰的侵入下，RAM中数据有可能发生改变；虽然ROM能避免干扰破坏，但单片机片内RAM以及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受干扰而变化，甚至EEROM中的数据也可能误读写，使程序计算出错误的结果。

2.硬件抗干扰设计

2.1选择抗干扰性能强的CPU

单片机和单片机抗干扰能力是不一样的。单片机的选择不光考虑硬件配置、存储容量等，更要选择抗干扰性能较强的单片机，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，觉得摩托罗拉、AVR系列的单片机的抗干扰性能还可以。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。

2.2隔离与屏蔽

信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离出来，使监控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。

常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。对数字信号的隔离，通常采用光电荆合器，输人、输出信号加光电耦合器隔离，可以将单片机部分和前向、后向通道及其它部分切断电路的联系，可有效地防正干扰进人主机系统对于模拟信号。图1为一种光电耦合隔离电路。

2.3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。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。为单片机系统提供良好的地线对提高系统的抗干扰能力极为有益。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、或接电阻。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。单片机系统通常既有模拟电路又有数字电路，因此数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连，如果两者不分，则会互相干扰。

3.软件的抗干扰设计

3.1数据采集误差的软件对策

算术平均值法。对一个点的数据连续采样多次，然后计算其平均值，以其平均值作为该点的结果，这种方法可减小系统的随机干扰对采集结果的影响。一般取3～5次平均即可。

比较取舍法。测量的结果中可能会出现偏差较大的数据，如测量数据是有一定变化规律的，就可以根据变化规律将个别偏差大的数据舍去。

函数法。用一个特定的函数对采集的数据进行处理，使测量结果中的干扰值的影响作用减小。

3.2控制状态失常的处理方法

软件冗余。对于条件控制系统，可以把控制条件的一次采样和处理控制输出改为循环采样和处理控制输出。这种方法对惯性较大的控制系统具有良好的抗偶然因素干扰作用。

设置输出状态寄存单元。根据单片机系统对数据处理后的输出结果，设置相应的输出状态寄存单元，如果干扰侵入输出通道将输出状态破坏时，系统在定时查询寄存单元的输出状态信息时，就会发现错误，从而及时纠正输出状态。

设置自检程序。在计算机内的特定位置或某些内存单元中设置状态标志，在开机后或有自检中断请求时，系统将首先运行自检测试程序，对整个系统或关键环节进行模拟测试，并将测试结果通过某种方式显示出来，这样就可以保证系统中信息存储、传输、运算的高可靠性。

3.3程序运行失常的软件对策

使用程序监视跟踪定时器程序监视跟踪定时器即Watchdog在单片机抗干扰设计中使用非常广泛，各大器件生产商提供了不同的功能的芯片，如MAXIM的MX760、MX813，IMP的IMP690A/692AL是用于微处理器系统的电源监视和控制电路。可为CPU提供复位信号、看门狗监视、备用电池自动切换及电源失效监视。

从根本上来说，单片机系统的硬件抗干扰部分占主导地位，软件能在系统受干扰时及时发现，是一种预防措施。我们要结合具体的单片机应用系统分析干扰源，把硬件与软件抗干扰技术相结合，完善系统监控程序，可使系统最大限度地避免干扰的产生和受干扰后及时恢复系统正常运行，保证系统长期稳定可靠地工作。

参考文献：

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[2]田裕康.单片机抗干扰技术设计[J].仪器仪表用户，2003，3

[3]钱炳芸.单片机应用系统中的抗干扰技术.现代电子技术，2005，6

[4]李国金.单片机抗干扰技术.现代电子技术，2003年第15期