智能仪器仪表中单片机的抗干扰措施

智能仪器仪表中单片机的抗干扰措施

刘阳1袁圆2

云南招标股份有限公司

摘要：近些年来，伴随着信息化技术的快速发展，微型计算机技术也得到了突飞猛进的进步，已被应用到各行各业中，尤其是智能仪器仪表设备，大大提升了仪器仪表的性能。而在现今智能仪器仪表中，由于元器件数量多、集成度高，各个元器件之间的干扰是难以避免的，为了更好地保障仪器仪表设备的运行可靠性，就需要采取一定的抗干扰措施，以确保智能仪器仪表输入输出数据的精确性与可信性。因此，本文将主要从硬件抗干扰与软件抗干扰两个方面对智能仪器仪表中单片机的抗干扰措施进行研究，从而提升智能仪器仪表运行的稳定性，确保输出结果的准确性。

关键词：智能仪器仪表；单片机；抗干扰措施

前言

智能仪器仪表与普通的仪器在工作原理上存在较大的差异，对于普通的仪器仪表而言，只要确保其各个单元元器件完成，仪器仪表就能够正常的工作，系统就可以根据预先设计要求来完成输入量的响应，从而得到正确的结果，如果在此过程中存在干扰，则系统不能完成预期的运算，输出结果则会报错，而干扰消失以后，系统就能够恢复正常工作。对于智能仪器仪表来讲，存在较大的差异，由于元器件数量多、集成度高，发热量大，若不做好设备的抗干扰措施，设备经常会出现工作不稳定的状态，所以，重视智能仪器仪表中单片机的抗干扰至关重要，主要可以从硬件与软件两个方面来制定相应措施。

1.智能仪器中单片机硬件抗干扰措施研究

1.1抗电源干扰的措施

在由单片机构成的智能仪器中，电源干扰是一个重大干扰之一。由于电源在接通与断开、瞬间短路以及电网串联过程中往往会出现一些干扰脉冲，从而对单片机的运行带来一定的负面影响，往往电源干扰90%以上会影响单片机的动作出现失误。针对电源干扰问题，在过去是采用增加隔离变压器、交流稳压器、低通电源滤波器以及使用不间断电源（UPS）等措施来进行控制。虽然采取以上措施有一定的改善效果，但是往往不能把干扰全部杜绝，以UPS为例，它能够确保干扰过程中RAM存储的数据不丢失，但是会延缓其响应时间（ms级），造成其与us级的干扰脉冲节奏不同，最后导致CPU工作产生混乱。假如应用电源电压监视器，这一措施，能够较好地对智能仪器仪表中单片机电源干扰问题得以解决。电源电压监视器可以对系统电源的瞬态欠压、瞬态脉冲干扰进行自动实时检测，从而第一时间向单片机系统发出复位脉冲，使得单片机及时复位，并保护RAM存储器数据，避免数据信息丢失。在现阶段，市场中存在较多类型的电源电压监视器，甚至一些除了具备电源电压监视功能之外，还能够实现“掉电检测”、“看门狗”、“备用电池自动转换”等功能。在电路系统设计过程中元器件选型时尽可能地选择低功耗、高性能的芯片，能够降低系统功耗与发热量，提升整个电路系统的稳定性。

1.2监视定时器

近几年来，程序运行监视定时器在智能仪器仪表中已得到了广泛应用，通过利用“看门狗”电路，可以使得单片机摆脱死循环，执行正确的设定程序。某些系列的单片机内部是存在看门狗定时器，在系统运行过程中就可以启动监视定时器，如果计数器溢出，就需要把RESET引脚保持低电平，以使其复位。而一些不带“看门狗”硬件的单片机，此时就需要在外部接入“看门狗”电路，以达到抗干扰的目的。另外，运用“数字滤波”等软件抗干扰技术也可在达到抗干扰目的，软件抗干扰技术将在下一章节另行论述。

1.3光电隔离

智能仪器仪表中输入、输出通道与单片机系统之间一般是通过光电隔离的，从而使得单片机系统与外界保持无电联系的状态，提升其内部的抗干扰性能。在信号的光电隔离中，数字信号隔离要相对简单，采取光电藕合器就能够达到此目的；而模拟信号的隔离就比较复杂，通常需要应用到V/F转换光电隔离电路（电路复杂）、差分放大器（隔离电压低）、隔离放大器（价格昂贵），几种元器件各有其特点，在实际的应用中，可以结合具体状态来选择。通过实践表明，增加光电藕合器对峰脉冲及各种噪声干扰具有较好的抑制效果，其比普通的电路性能更加稳定，图1为增加加光电藕合器抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰电路图。

图1增加加光电藕合器抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰电路图

2.智能仪器中单片机软件抗干扰措施研究

智能仪器仪表中单片机抗干扰不能单一地依靠硬件来完成，还需要从软件设计方面来进一步提升抗干扰性能，目前软件抗干扰技术主要有软件“看门狗”、指令冗余、软件陷阱、数字滤波等技术。

2.1软件“看门狗”

在单片机程序中，假如把定时器T0中断时间间隔设定比主控程序运行循环时间长一点儿，主控程序运行中执行定时器的刷新操作程序会正常运行，定时器不会出现溢出信号造成系统中断，但是如果程序丢失不受控后，系统因为无法完成对定时器的刷新操作就会使得定时器溢出造成系统中断，通过定时器中断服务子程序能够进入错误处理子程序，然后由该程序对其进行处理，或者跳转到程序起始处，再次执行主控程序。以上整个操作也叫做软件复位，但是采取定时器实现中断软件复位与硬件复位有着巨大差异。

2.2数据和程序的冗余设计

在系统运行的时候，假如监视定时器检测到异常信号，使得系统复位，此时就需要通过实时测控来对系统是否能够继续执行进行科学判断。通常此环节依据系统RAM区的运行参数完整性来对其进行判断，如果发现系统RAM区数据参数损坏则需要停止运行。为了有效地改善系统抗干扰能力，可以在程序设计的时候对其实施多元冗余设计，将各个参数均储存在RAM不相靠近的多个单元，假如某单元数据参数遭到破坏，则其它单元不会受到影响，仍然能够保障系统运行的准确性。另外，对于一些重要性较高的程序字段也可以采用采取冗余设计，从而减少系统误动作的发生机率。比如，在通过I/O口向外输出重要信号过程中，可接连或间歇地重复相应命令，以确保此信号传输的准确性。

2.3软件陷阱

软件陷阱指的是引导指令，该指令能够把相应程序指引到指定的程序中，再由该固定程序来专门对易出错程序进行处理，假如此程序的入口标记为ERR的话，那么，软件陷阱就是一条LJMPERR指令，即：NOP；NOP；LJMPERR。

软件陷阱指令能够放在4种地方，即：未使用的中断向量区、未使用的大片ROM空间、安排在表格的最后、安排在指令串之间常有的断裂点。虽然软件陷阱在某种程度上能够使系统恢复正常运行，但是在某些死循环中，该措施就难以发挥效果，需要应用“看门狗”方法来使系统恢复。

2.4采用数字滤波技术

对于数据采集方面，系统软件能够完成对数据的某些处理，以达到过滤采样干扰的目的，通常主要采取中值法、算术平均值法、一阶低通滤波器法等方法来实现，而数字滤波是消除数据误差效果最好的措施。