單片機(jī)系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)

1 引 言

近年來(lái)，微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，特別是單片機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程控制、智能化儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越深入和廣泛，有效地提高了生產(chǎn)效率，大大提高了控制質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益。但是，測(cè)控系統(tǒng)的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復(fù)雜的，其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個(gè)非常突出的問(wèn)題。許多應(yīng)用系統(tǒng)在進(jìn)行仿真調(diào)試和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的聯(lián)機(jī)試運(yùn)行時(shí)都是成功的，然而一進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)使用，系統(tǒng)則會(huì)產(chǎn)生預(yù)料之外的誤動(dòng)作或誤顯示，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)失靈，甚至導(dǎo)致巨大的損失。

影響測(cè)控系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素是來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。

系統(tǒng)自身及應(yīng)用環(huán)境產(chǎn)生的各種電磁噪聲仍是普遍的干擾因素，產(chǎn)生的原因主要有：放電噪聲、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。干擾源產(chǎn)生的干擾是通過(guò)耦合通道對(duì)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)發(fā)生電磁干擾作用，噪聲的傳遞幾乎都是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)或者通過(guò)空間和大地傳遞的。

2 干擾的主要耦合方式

（1）直接耦合方式

電導(dǎo)性耦合最普遍的方式是干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)導(dǎo)線(xiàn)直接傳導(dǎo)到被擾電路中而造成對(duì)電路的干擾。在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，干擾噪聲經(jīng)過(guò)電源線(xiàn)耦合進(jìn)入計(jì)算機(jī)線(xiàn)路是最常見(jiàn)的直接耦合現(xiàn)象。

（2）公共阻抗耦合方式

當(dāng)一個(gè)電源電路對(duì)幾個(gè)電路供電時(shí)，如果電源不是內(nèi)阻抗為零的理想電壓源，則其內(nèi)阻抗就成為接受供電的幾個(gè)電路的公共阻抗，只要其中某一個(gè)電路的電流發(fā)生變化，便會(huì)使其他電路的供電電壓發(fā)生變化，形成公共阻抗耦合。

（3）電容耦合方式

這是指電位變化在干擾源與干擾對(duì)象之間引起的靜電感應(yīng)，又稱(chēng)靜電耦合或電場(chǎng)耦合。

（4）電磁感應(yīng)耦合方式

在任何載流導(dǎo)體周?chē)臻g中都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，若磁場(chǎng)是交變的，則對(duì)周?chē)]合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，在設(shè)備內(nèi)部，線(xiàn)圈或變壓器的漏磁是一個(gè)很大的干擾，設(shè)備外部，當(dāng)2根導(dǎo)線(xiàn)在很長(zhǎng)的一段區(qū)間架設(shè)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生干擾。

（5）輻射耦合方式

當(dāng)高頻電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)，在該導(dǎo)體周?chē)惝a(chǎn)生電力線(xiàn)和磁力線(xiàn)，并發(fā)生高頻變化，從而形成一種在空間傳播的電磁波，處于電磁波中的導(dǎo)體便會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)頻率的電動(dòng)勢(shì)。電磁場(chǎng)輻射干擾是一種無(wú)規(guī)則的干擾，這種干擾很容易通過(guò)電源線(xiàn)傳到系統(tǒng)中去，此外，波，稱(chēng)為天線(xiàn)效應(yīng)。

（6）漏電耦合方式

漏電耦合是電阻性耦合方式，當(dāng)相鄰的元件和導(dǎo)線(xiàn)間的絕緣電阻降低時(shí)，有些電信號(hào)便通過(guò)這個(gè)降低了的絕緣電阻耦合到邏輯元件的輸入端而形成干擾。

3 單片機(jī)系統(tǒng)中的主要抗干擾手段

干擾的抑制方法，一般分為硬件抗干擾和軟件抗干擾。筆者在開(kāi)發(fā)研制自動(dòng)化儀表和智能測(cè)控系統(tǒng)實(shí)踐中，針對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾及其抑制方法進(jìn)行了分析、研究，并在實(shí)際運(yùn)用中收到了良好的效果。

3．1 硬件抗干擾

為便于理解，干擾的來(lái)源可籠統(tǒng)地概括為：電源干擾、口線(xiàn)干擾和空間干擾。其相應(yīng)的抗干擾措施分別為：
 
（1）電源隔離

單片機(jī)工作電路的電源要采取獨(dú)立的供電回路，其電源變壓器同其他大功率電路的電源變壓器要分別使用。單片機(jī)電源電路的地線(xiàn)與其他大功率電路的地線(xiàn)不相連接。在兩電路的電氣連接處，可使用光電耦合器、光可控硅等器件加以隔離。

（2）口線(xiàn)隔離

單片機(jī)的輸入、輸出口線(xiàn)，特別是參與控制大功率電路的口線(xiàn)，在其與外電路的電氣連接處都要通過(guò)光電耦合器進(jìn)行隔離。

隔離電路如圖1所示，電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

（3）空間隔離

單片機(jī)控制回路與其他大功率回路之間能夠分開(kāi)放置的，盡量不要放置在同一空間中，如果二者必須在同一空間中的，要盡量加大二者的電氣距離，盡可能減小空間的電磁感應(yīng)耦合和輻射耦合，或者將單片機(jī)控制電路放在由金屬網(wǎng)或金屬盒構(gòu)成的屏蔽體內(nèi)。 此外，還有其他一些輔助性抗干擾措施，如：晶振的外殼接地、中央處理器的電源端及各口線(xiàn)附近對(duì)地加去耦電容等。

3．2　軟件抗干擾方法

除了硬件抗干擾途徑外，采用相應(yīng)的軟件抑制及補(bǔ)償措施，也可以起到有效的抗干擾作用。

（1）單片機(jī)各部分對(duì)干擾信號(hào)的反應(yīng)

①中央處理器CPU

CPU屬于高速數(shù)字器件，易受干擾的有運(yùn)算器、控制器和控制寄存器。當(dāng)電磁干擾信號(hào)竄入時(shí)，CPU將錯(cuò)誤地執(zhí)行指令，引起誤動(dòng)作或者錯(cuò)誤的結(jié)果；控制寄存器中的信息如果被噪聲修改，將導(dǎo)致初始化錯(cuò)誤、尋址失敗乃至系統(tǒng)癱瘓。試驗(yàn)表明，干擾信號(hào)大多數(shù)由總線(xiàn)導(dǎo)入CPU內(nèi)；其中與外界聯(lián)系最頻繁、因而最容易受干擾的是程序指針PC，這種干擾往往引發(fā)致命錯(cuò)誤，屬于重點(diǎn)防范和重點(diǎn)糾錯(cuò)的對(duì)象。

②特殊功能寄存器SFR

SFR包括各種 I／O端口的寄存器、各種片內(nèi)部件的工作方式寄存器，以及堆棧指針、數(shù)據(jù)指針等等，其特點(diǎn)是傳遞數(shù)據(jù)的速度高，能夠與CPU的運(yùn)行密切配合。如果某個(gè) SFR被干擾信號(hào)改寫(xiě)，則意味著運(yùn)行的結(jié)果異常，輕者改變單片機(jī)內(nèi)各部件的操作控制，重則導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的輸出紊亂，引發(fā)故障或安全事故。因此，對(duì)于與程序有關(guān)的內(nèi)容必須提供及時(shí)有效的保護(hù)。

（2）軟件補(bǔ)償措施

對(duì)于已經(jīng)侵入微處理機(jī)的噪聲，必須采取能夠維持系統(tǒng)功能的對(duì)應(yīng)措施，以免出現(xiàn)意外停機(jī)或意外啟動(dòng)，甚至引起意外事故。對(duì)CPU的誤動(dòng)作和各種存儲(chǔ)器內(nèi)容的誤修改，在應(yīng)用軟件中插入相應(yīng)的程序模塊，進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償是一種簡(jiǎn)便而可靠的方法。

①主動(dòng)初始化

這里的“初始化”泛指在各段程序中，對(duì)單片機(jī)及片外擴(kuò)展器件的各種功能、端口或者方式、狀態(tài)等采取的永久性的或者臨時(shí)的設(shè)置。我們不僅要保證上電或復(fù)位后軟件能夠正確的實(shí)現(xiàn)各種級(jí)別的初始化，而且在程序中每次使用某種功能前，都要再一次對(duì)相應(yīng)的控制寄存器設(shè)定動(dòng)作模式。實(shí)踐證明，這一措施可以大大提高系統(tǒng)對(duì)于入侵干擾的自恢復(fù)性能。

②重復(fù)執(zhí)行

程序指令在執(zhí)行的過(guò)程中或者保持之后，都有可能被噪聲修改，而導(dǎo)致控制失效乃至引發(fā)事故，為此應(yīng)當(dāng)盡量增加重要指令的執(zhí)行次數(shù)以糾正干擾造成的錯(cuò)誤。對(duì)于頻率較低的傳感器數(shù)據(jù)，建議在有效時(shí)間內(nèi)多次采集并比較；對(duì)于控制外部設(shè)備的指令，則需要多次重復(fù)執(zhí)行以確保有關(guān)信號(hào)的可靠性。為達(dá)此目的，可把重要的指令設(shè)計(jì)成定時(shí)掃描模塊，使其在整個(gè)程序的循環(huán)運(yùn)行過(guò)程中反復(fù)執(zhí)行。如此，即使干擾信號(hào)改寫(xiě)了指令內(nèi)容，也能在受控設(shè)備的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)正常。

③重要數(shù)據(jù)的保護(hù)和恢復(fù)

編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)保護(hù)子程序，是提高工控微機(jī)系統(tǒng)可靠性的有效途徑。在編寫(xiě)程序的過(guò)程中，對(duì)于由指令改變結(jié)果性質(zhì)的數(shù)據(jù)，可以考慮在每次改變后都盡可能地保護(hù)起來(lái)，以便在需要時(shí)能夠恢復(fù)正確值。若數(shù)據(jù)的保護(hù)量較大，建議擴(kuò)展非易失性的SRAM作為片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這種新型芯片具有很高的抗干擾性能，其缺點(diǎn)是目前的價(jià)位較高。

（3）片內(nèi)WDT控制

“看門(mén)狗”（WDT）已經(jīng)成為工控微機(jī)必不可少的成員之一，他可以防止程序“跑飛”或者出現(xiàn)“死循環(huán)”。有的單片機(jī)如PIC系列單片機(jī)片內(nèi)就帶有 WDT監(jiān)視定時(shí)器，通過(guò)軟件，定時(shí)清WDT監(jiān)視定時(shí)器的值，當(dāng)出現(xiàn)“死循環(huán)”或程序“跑飛”現(xiàn)象時(shí)，WDT監(jiān)視定時(shí)器內(nèi)的值計(jì)滿(mǎn)溢出，從而強(qiáng)迫程序復(fù)位，從頭開(kāi)始。不帶片內(nèi)WDT監(jiān)視定時(shí)器的單片機(jī)，也可以利用微處理機(jī)內(nèi)部閑置的定時(shí)／計(jì)數(shù)器，配合以適當(dāng)?shù)某绦蚓涂梢苑奖愕貥?gòu)成WDT。

參考文獻(xiàn)
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