单片机控制系统的抗干扰设计

单片机控制系统的抗干扰设计

马志红

佛山市南海技师学院528000

摘要：单片机相关控制的灵敏度和系统所受的干扰具有一定的正相关关系，对单片机的控制系统而言，具有较高的灵敏度才能确保系统运行正常，但灵敏度越高，系统受到的干扰就越强，设计单片机控制系统时需要重视其抗干扰能力，确保系统能够稳定运行。

关键词：单片机；控制系统；抗干扰设计

引言

单片机控制系统是集通信技术、计算机技术以及自动化控制技术于一体的工业通用自动控制系统，其不但操作便捷、扩展性能好，而且还具有较强的控制功能，目前已在我国电力、化工、交通以及冶金等行业得到广泛的应用。但由于工业作业环境较为恶劣，使得单片机容易被电源波形畸变、电磁设备启停等影响而受到干扰，使得信号接收能力大大下降，进而对测量的质量与效率造成了影响，严重的还会对单片机的软件、硬件造成损坏，使其难以正常运作。所以，加强单片机控制系统的抗干扰设计，正确掌握其干扰源，并采取针对性的改进措施来提高其抗干扰能力，对单片机控制系统功能的正常发挥有着重要的作用。

1系统干扰源及干扰因素

1.1现场干扰源

电磁干扰一般分为两类，即传导和辐射。传导类型的干扰主要是通过金属、电感、电容以及变压器传播的；而辐射类型干扰的传播途径很多，比如设备外壳和外壳上的缝隙，设备间的连接电缆，甚至是一根导线也可以成为辐射类型干扰的传统途径。这两种干扰往往是相辅相成的，并且在干扰吸收上可以相互转化。在测控系统中，电磁干扰主要通过“场”进入，即电磁干扰源的能量通过电磁场传递给测控系统。电场主要是电容性耦合干扰，在导线和电路分布的电容中，干扰信号进入测控系统。而磁场干扰是互感性耦合干扰，借助导线和电路的互感耦合，干扰信号进入测控系统。

1.2单片机控制系统自身干扰源

单片机控制系统自身干扰源主要包括了散粒噪声、热噪声、常模噪声、共模噪声以及接触噪声等几方面内容。散粒噪声是由于晶体管基区内的载流子发生随即扩散，与电子空穴发生复合反应而形成的，其主要存在于半导体原件内部；热噪声是指在没有连接电源的情况下，仍然有微弱电压存在于电阻两端，电阻两端出现电子热运动而形成的噪音电压；常模噪声即线间感应噪声或对称噪声，往往难以将其完全消除；共模噪声恰好与常模噪声相反，其指的是地感应噪声、不对称噪声或是纵向噪声，该类噪声可以进行消除，但也可由共模噪声转变为常模噪声；接触噪声通常是由于两种材料进行不完全接触，使得电导率出现变化而产生的，常出现在导体连接部位。

2单片机硬件抗干扰设计

2.1电源电路的设计

在单片机控制系统中，将模拟电路电源和逻辑电路电源分离，不仅有利于去除电源耦合逻辑电路产生的干扰，还可以抑制通过电源耦合对ECU干扰。那么单片机控制系统电源电路设计过程中，可以采用7812和7805三端稳压集成芯片，对电源进行负压差保护，避免因其中一个稳压电源故障导致整个电路崩溃。为改善电源波形，可以采用低通滤波器，从而减少以高次谐波为主的干扰源，从而确保输出端的电压受到保护，并在电容的作用下，使输出的电压被限制在一定范围内。

当滤波器工作在低电压且载有大电流时，宜采用小电感和大电容构成的滤波网络：当工作在高压下，则宜采用小电容和允许的最大电感构成的滤波网络。

它结构简单，对固定频率的干扰滤波效果好。调试步骤为：先将电容C固定，然后模拟现场运行环境调节电阻，当输人50Hz信号时，使输出V0=0。

在实际控制系统中，往往需要提供多种电源，此时应采用分散独立的功能块供电，且用相应的三端集成稳压块分别组成所需的稳压电源。这样可以减少公共阻抗和公共电源的相互偶合，有利于电源散热，大大提高供电的可靠性。

2.2优化布线结构

若单片机控制系统布线布局和结构科学合理，也利于在整体上增强抗干扰水平。因此在布线时应注意将强电和弱电分离开来，尤其是针对交流电，尽量采用分槽走线，对直流线和交流线进行分开捆扎，以期增大空间距离，降低干扰影响；同时注意分离信号地与模拟地，使其保持单点接地，尽量将屏蔽线用于大面积铜覆盖的电路板以及信号连接线路；并尽量加粗地线，以此提高对干扰因素的抵御能力。

2.3选用时钟频率低的单片机

通常情况下，外时钟属于高频噪声源，不仅会对外界产生干扰，同时能干扰系统本身的硬件电路。为有效地避免噪声干扰，尽可能选用低频率的单片机，有利于提高单片机控制系统的抗干扰性。不同公司，其单片机的外时钟往往不同,比如ATMAL公司单片机外时钟为6MHz，而MOTOROLA公司单片机的外时钟为4MHz。

2.4屏蔽技术和去耦电路

为避免或者消除电子设备向外辐射干扰电磁波，从而减少电子设备的干扰，可以采用合适的屏蔽技术手段，比如噪声源较大的开关电源，采用双重屏蔽，实现对整个开关电源的屏蔽保护。在数字信号电平转换过程中，所产生的电流往往冲击性较大，并且传输线和供应电源内阻会产生较大的压降，对整个电路造成严重的干扰。为防止和抑制干扰，将去耦电容应用于电源电路和数字信号处理电路中，从而形成去耦电路，降低对集成电路的干扰。

2.5外围扩展存储器的抗干扰设计

应尽可能控制数据线、地址线以及控制线的长度，降低对地电容。如果开关噪声较为严重，则可将去耦电容连接在存储器芯片和电源入口部分之间。如若负载电流过大，则需要尽可能将电源线以及底线加粗，并控制其长度。应加拉电阻于中线的始端和终端，以增加噪声容限，提高抗干扰能力。

3单片机软件抗干扰设计

3.1软件滤波算法

应用软件滤波算法可以过滤大部分因干扰输入信号产生的采集错误，采用的滤波方法有中值法、数字滤波法和算术平均值方法等，应用范围比较广泛。软件滤波算法可以根据被测信号的基本特点，在不影响系统效率的前提下，去掉采集信息的最大值和最小值，并取得数据信息的平均值，得到了滤波结果准确性较高，能够有效地提高数据信息的准确性和可靠性。

3.2指令冗余技术

如果单片机受到干扰源的干扰，PC、系统程序的寄存器并未依照正常程序取操作码，而取操作数的程序指向错误字节，把操作数来当做操作码，则会出现程序错误的现象。此时，必须添加数个单字节指令在双字节指令以及3字节指令后面，或是对单字节指令进行重新、正确的编写，就能够正确控制PC值。通常空指令是单字节指令，如若其中某一字节指令跑飞，则可以防止把操作数当做执行指令的操作错误出现，确保指令的正确性与可靠性。

3.3提高RAM资料的可靠性

开启或者断开电源，都会对CPU造成不同程度的干扰，甚至是对RAM造成干扰，为保护RAM的资料，可以采用资料冗余保护技术，等到恢复系统后，将备用的RAM及其重要参数进行自我检验和恢复，从而确保RAM中重要的资料数据，为单片机软件的抗干扰设计提供可靠的数据保障。由于开关量输入和输出比较容易受到干扰，可以在信号上增设一定数量的离散尖脉冲，但这种干扰不适合用硬件进行控制，因此就必须采用软件检测，从而确保开关量输入和输出的抗干扰性，全面提高单片机控制系统抗干扰性设计的科学性和可靠性，使其更好地适用于各种运行环境，为社会生产生活提供更加便利的服务。

4结语

在单片机控制系统健康发展和凸显优势的过程当中，干扰问题的存在是制约的主要因素。为了能够保证单片机控制系统的抗干扰能力能够进一步的提高，那么就需要对硬件和软件的抗干扰措施进行有效的融合，使得单片机控制系统的稳定性、自动化以及智能化能够提高，最终保证单片机控制系统能够健康的发展。

参考文献

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