试析嵌入式系统硬件抗干扰技术

试析嵌入式系统硬件抗干扰技术

郭志雄

中国人民解放军第3604工厂  430000  湖北省

摘要：随着科学技术的发展，各个领域中都有了单片机的广泛应用。而嵌入式系统中的一个可靠性指标就是其抗干扰性能，这是单片机系统研制不可忽视的内容，有利于提高其在系统应用中的可靠性，需要根据现场具体情况进行设计。因此，必须要认识到嵌入式系统中硬件抗干扰技术的重要作用，并结合嵌入式系统的特点，运用更多有效的措施提高抗干扰技术的作用。

关键词：嵌入式系统；硬件抗干扰；技术；

引言

最近几年，随着网络信息技术的飞速发展，嵌入式技术也在不断地升级和完善。可以说，由于嵌入式系统的特殊性，以及它的硬件和软件都可以根据需要进行定制，因此在很多领域都得到了广泛的应用。也正是因为这个原因，在某些特定的工作环境中，嵌入式系统的可靠性必须得到有效的提升，这就要求对其硬件抗干扰技术进行深入的研究和探索。

1.嵌入式系统

在嵌入式系统中，一般采用的是诸如计数、控制等监视线路。在嵌入式系统中，每过一段时间， CPU将对监视线路中的计数进行清空，从而达到“喂狗”的目的。通常，在嵌入式系统中，投料的时间不会超出计数器的满值，且不需要对系统进行内嵌。当出现异常时，若嵌入系统能够正常运行，则会对其 CPU的正常喂狗造成一定的影响。当投料时间超出设置时，计数器会出现满点现象，内嵌系统被强行重置，重启程序继续执行；完成了系统的硬件功能。一般情况下，嵌入系统都要使用 SOC或者是看门狗，由 I/0 （输入/输出）管脚 CPU来给它喂狗，从而提高了整个系统的灵活度，而该重置信号是看门狗芯片的重置输出 RESET将 SOC芯片或 CPU芯片发送出去，也可以在监视狗芯片与 SOC芯片或者 CPU芯片之间加入控制逻辑。当出现了一个不正常的情况，在预定的时间里，当一个 CPU被喂狗的时候，将会产生一个重置的信号，使整个系统重新设置。将看门狗技术应用于片上，将会导致整个系统的集成度下降，同时也会带来更多的系统费用及单板的占用。CPU喂狗可以利用较高的工作效能，提升喂狗工作的优先顺序，避免长期占用其它工作的 CPU，导致喂食中断，这个时候，系统会发生异常的重置，导致 CPU的性能大幅下降。

2.嵌入式系统的干扰因素

如果我们分析嵌入系统的干扰，可以将其划分为内、外两类。其中，由于嵌入式系统本身存在的问题，如 PCB的设计问题，元器件的热噪声等。在嵌入式系统中，由于外部环境的原因，产生了干扰。在嵌入式系统中，高电压、大电流和火花等电磁信号是最主要的外部干扰通道。如果 CPU受到更多的电磁干扰，很有可能导致嵌入式系统的崩溃。

3.嵌入式系统硬件抗干扰技术

3.1做好电源抗干扰措施

要想更好地解决电力系统对电力系统的干扰问题，就需要选用具有良好抗干扰性能的供电方式。首先，在选用电网时，要尽量选用交流稳压电源，这样才能保证电网的稳定性，防止过压和欠压的发生。其次，在电网供电时，可以采用绝缘变压器进行适当的绝缘处理，将配电电容对系统的影响降到最低，同时提高系统对共模干扰的抵抗力。在此基础上，采用通带滤波技术，有效地防止了高阶谐波的进入，从而增强了对噪声的抑制作用。

3.2切断传播路径

在传输过程中，会产生两种类型的干扰，即：传导性干扰，即通过导体传输，由于有效的信号与高频干扰的频率是不一样的，所以，在导体上加装一个滤波器，就能将高频的干扰噪音屏蔽掉；也可以加上一个绝缘的光电耦合器。然而，由于其采用的是空间辐射，因此往往要增加其与传感器之间的间距，并采用接地线进行绝缘。通常，在截断干扰的传导通路时，要充分地考虑到了电源给 MCU造成的冲击，这是和电源相关的，由于电源噪音对 MCU的影响很大，所以要降低它对 MCU的干扰。此外，还可以在 MCU的供电端加上一个滤波器或电压调节器。例如，一个100欧的电阻加一个电容，一个100欧的滤波器，在有可能的情况下，最好是用一个100欧的珠子来代替。对电动机等有噪音的设备要使用微控制器的输入输出端口来实现，因此必须将输入输出端口和噪音源分开，并增加π形滤波电路。另外，晶振布线要小心，晶振要尽可能的贴近 MCU的管脚，在与时钟区域隔绝的时候，可以利用地线，把晶振的壳体固定在地面上。并且要将线路板进行适当的划分，尽量将外界的干扰源和敏感部件隔绝开来，例如加大电动机、继电器与单片机之间的间距。为了将数字接地与模拟接地分开，将模拟接地与数字接地相分开，使其与电网接地相连。在线路板的周边可以安装高功率设备，并分别对微控制器与高功率设备的地线进行隔离，以减小其相互影响。在一些重要部位，如输入输出端口、电源供应线和电路板连接线等，为了增强其抗电磁干扰能力，可以加装磁珠、磁环和电源滤波器，用于电磁屏蔽及其它抗电磁元器件。

3.3去耦措施

由于功率变换时，电源线上的脉冲电流会形成不利的阻抗耦合，因此要解决这个问题，需要在印刷线路板的重要部分设置去耦电容器，以实现去耦的基本功能。在此工艺中应遵守以下一些基本原理：在供电入口加10-10伏直流电。要达到高频率的去耦合，可以使用0.1 F的陶瓷电容器，其具有优良的高频率性能，在原始电源的输入上与接地相连接。如果 ROM和 RAM存储器的耐噪声性能不好，断开时电源波动很大，可以将10-100 F的去耦电容接入到芯片的电源线和地线进线的两端。尽可能地减少电容导线的实际长度，并选用表贴式电容作为高频旁通电容器。

3.4提高器件抗干扰性

灵敏元件的抗干扰能力与其对外界干扰噪音的摄取密切相关，因此，针对这些异常情况，应尽早消除。所以，在设计时，应尽量减小环路的面积，以减小引起的噪声。另外，导线、导线也不能过薄，以减少压力损失，减少耦合噪音。空闲的 MCU I/O端口应与地面或与电源相连，不得悬浮于空气中，其余 IC的空闲端口应与地面或与其他电路相连，除非系统的逻辑发生变化。

3.5其它抗干扰对策

为了提高电力系统的可靠性，设计了一次侧和二次侧线圈之间的屏蔽层和一次侧之间的电容中间点和接地之间的绝缘层，以及二次侧的外部屏蔽层连接到印刷电路板的接地，这是实现硬件抗干扰的重要措施。二次侧加低通滤波器能有效地消除由变压器引起的冲击。而在交流侧通过电感电容滤波，可以去除高频的低频干扰脉冲，通过一体化的直流来实现对过流、过压、过热等的稳定，从而达到一定的保护效果。光电，磁电，继电器等可以将输入输出端口隔离开来，并去除公用接地，而通信线路中并联互感线则可以使用双绞线。采用独立的放大电路或采用就地变换的方法，可以减小测量的误差，并采用 A/D变换来实现。

4.结束语

在实际工作过程中，工作环境以及嵌入式系统自身的特点不可避免地会出现一定的干扰问题。因此，要想进一步提高嵌入式系统的实际运行安全，提高其可靠性，就必须要进一步提高嵌入式系统的硬件抗干扰能力，这是因为抗干扰能力主要体现于嵌入式系统的硬件部件之中。

参考文献

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[2] 谭庆龙.单片机嵌入式系统的抗干扰技术研究[J]. 中国新通信,2020(11).

[3] 赵理.单片机应用系统抗干扰技术的分析[J]. 电子技术与软件工程,2021(15).