單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾解決方案

1． 引言

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容之一，抗干擾性能的好壞將決定系統(tǒng)能否在復(fù)雜的電磁環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作，從而決定了系統(tǒng)的實際使用價值。特別是在各種實時控制的遠(yuǎn)距離系統(tǒng)中，由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，干擾因素較多，系統(tǒng)不可避免地要受到其他電磁設(shè)備的干擾，若僅按常規(guī)設(shè)計就很難保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，抗干擾問題是設(shè)計者必須充分考慮和解決的，下面從硬件和軟件兩個方面談?wù)効垢蓴_設(shè)計。

2． 硬件抗干擾設(shè)計

2．1 供電系統(tǒng)

為了防止從電源系統(tǒng)引入干擾，首先采用交流穩(wěn)壓器保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止電源的過壓和欠壓。其次，電源濾波和退耦是抑制電源干擾的主要方式，可將電源變壓器的初級隔離起來，使混入初級的噪聲干擾不致進(jìn)入次級；使用隔離變壓器濾掉高頻噪聲，低通濾波器濾掉工頻干擾。

當(dāng)系統(tǒng)中使用繼電器、磁帶等電感設(shè)備時，數(shù)據(jù)采集的供電電路應(yīng)與繼電器的供電電路分開，以避免在供電線路之間的干擾，即如圖1所示。

對單片機(jī)系統(tǒng)的主機(jī)部分使用單獨(dú)的穩(wěn)壓電路，必要時輸入、輸出供電分別采用DC-DC模塊，避免各個部分之間的干擾。

2．2 印制電路板

①  注意合理布置印制電路板上的器件，遵循器件之間電氣干擾小和易于散熱的原則。

②  電路板要合理劃分，模擬電路區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、功率驅(qū)動區(qū)等要盡量分開，地線不能相混，要分別和電源端的地線相連。

③  布線時盡量不要構(gòu)成環(huán)路，特別避免沿印制電路板周圍做成環(huán)路，不要出現(xiàn)長段的窄線并行，旁路電容的引線不能很長；單元電路的輸出和輸入應(yīng)當(dāng)用地線隔開；電源線和地線的走向盡量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢拢⒓訉拰挾忍岣唠娐钒宓目垢蓴_能力。

④  原則上每個IC都要加去耦電容，并靠近IC的電源腳和接地腳。

2．3 輸入輸出干擾的抑制

輸入輸出信號加上光電耦合器隔離，可以將主機(jī)部分和前向、后向通道及其他部分切斷電路的聯(lián)系，有效地防止干擾進(jìn)入主機(jī)系統(tǒng)。

在單片機(jī)實時系統(tǒng)信號的長線傳輸過程中，要注意使用雙絞線，提高系統(tǒng)的抗噪聲能力。同時對傳輸線要進(jìn)行阻抗匹配，可以在傳輸線的始端串聯(lián)電阻、末端并聯(lián)電阻，以實現(xiàn)匹配，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3． 軟件抗干擾設(shè)計

為了提高測控系統(tǒng)的可靠性，僅靠硬件抗干擾措施是不夠的，還需采用適當(dāng)?shù)能浖垢蓴_技術(shù)，軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)輸入信號受干擾后去偽求真或系統(tǒng)受干擾后使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行的一種輔助方法。對抑制輸入信號的干擾主要采用數(shù)字濾波技術(shù)，通過軟件去除噪聲對數(shù)據(jù)采集結(jié)果的影響。系統(tǒng)受干擾后會使得程序失控，失控原因大都可以歸結(jié)為程序計數(shù)器PC的內(nèi)容發(fā)生變化，引起程序"跑飛"或陷入死循環(huán)，CPU執(zhí)行了一系列錯誤的指令從而導(dǎo)致系統(tǒng)失控，，可以采用軟件冗余、軟件陷阱和"看門狗"技術(shù)等使程序納入正規(guī)。

3．1 軟件冗余技術(shù)

MCS-51所有指令都不超過三個字節(jié)，且多為單字節(jié)指令，指令由操作碼和操作數(shù)組成，操作碼指明CPU完成什么樣的操作，單字節(jié)指令僅有操作碼，隱含操作數(shù)。CPU受到干擾后，PC內(nèi)容發(fā)生變化，當(dāng)程序彈飛到某一單字節(jié)指令時，便自動納入正規(guī)。當(dāng)"跑飛"到某一雙字節(jié)或三字節(jié)指令時，若恰恰在取指令時刻落到其操作數(shù)上，CPU就將操作數(shù)當(dāng)作操作碼來執(zhí)行，引起程序混亂。因此軟件設(shè)計應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方人為的插入一些單字節(jié)指令NOP，或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重寫，這稱作指令冗余。在實際軟件設(shè)計中，往往在雙字節(jié)和三字節(jié)指令之后插入兩個NOP指令，可以保證程序"跑飛"后其后面的指令不會拆散，后面的程序可以正常運(yùn)行。在那些對程序流向起決定作用的指令，如RET、RETI、ACALL、LJMP、JZ、JNC等之前也插入2條NOP指令，可保證跑飛的程序迅速進(jìn)入正確的控制軌道。

3．2 軟件陷阱技術(shù)

軟件冗余技術(shù)適用于干擾后PC指向不正確的程序區(qū)，當(dāng)跑飛程序進(jìn)入非程序區(qū)（如EPROM未使用的空間）或表格區(qū)時，使用冗余指令的措施已不再適用，可采用軟件陷阱的辦法攔截跑飛程序，將其迅速引向一個指定的位置，執(zhí)行一段對程序運(yùn)行出錯的處理程序。軟件陷阱可采用以下形式：
 NOP
 NOP
 LJMP ERROR     ；ERROR為指定地址，安排有出錯處理程序

軟件陷阱可安排在下面幾個區(qū)域。

①未使用的中斷向量區(qū)。

當(dāng)干擾使未使用的中斷開放，并激活這些中斷時，就會引起系統(tǒng)程序的混亂，如果在這些地方設(shè)置陷阱，就能及時捕捉到錯誤中斷。

②未使用的EPROM區(qū)。

假設(shè)使用了一片2764，但程序并沒有用完這個2764區(qū)域，這些非程序區(qū)可以用0000020000數(shù)據(jù)填滿，020000是指令LJMP 0000H的機(jī)器碼，當(dāng)跑飛程序進(jìn)入此區(qū)后，便會迅速自動進(jìn)入正確軌道。

③數(shù)據(jù)表格區(qū)。

由于表格中內(nèi)容和檢索值有一一對應(yīng)關(guān)系，在表格中安排陷阱將會破壞其連續(xù)性和對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)在表格區(qū)的尾部設(shè)置軟件陷阱。

④程序區(qū)。

前面已介紹，跑飛的程序在用戶程序內(nèi)部跳轉(zhuǎn)時可用指令冗余技術(shù)加以解決，也可以設(shè)置軟件陷阱，更有效地抑制程序跑飛。程序設(shè)計常采用模塊化設(shè)計，模塊化的程序是由一序列執(zhí)行指令構(gòu)成的，一般不能在這些指令串中間任意安排陷阱，否則正常執(zhí)行的程序也可能被抓走，可以將陷阱指令分散放置在各模塊之間的空余單元中。正常程序中不執(zhí)行這些陷阱指令，但當(dāng)程序跑飛一旦進(jìn)入陷阱區(qū)，馬上將程序拉回正確軌道。陷阱的多少視用戶程序的大小而定，一般每1K字節(jié)有幾個陷阱就夠了。

⑤非EPROM芯片空間

MCS－51有64K程序系統(tǒng)空間，一般除了EPROM芯片占用的地址外，還剩余大片未編程的EPROM空間。當(dāng)PC跑飛進(jìn)入這些空間時，讀入數(shù)據(jù)為0FFH，對51系列而言,相當(dāng)于指令MOV R7,A，將修改R7的內(nèi)容。

當(dāng)CPU讀程序存儲器時，會產(chǎn)生一個PSEN的低電平信號，可利用該信號和EPROM的地址譯碼信號產(chǎn)生選通信號，引起一個空閑的中斷，在中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，將跑飛程序拉入正規(guī)。圖2是一個實例。

3．3 "看門狗"技術(shù)

PC受到干擾引起程序失控，有可能使程序進(jìn)入"死循環(huán)"，指令冗余和陷阱技術(shù)都不能解決這個問題，通常采用"看門狗"技術(shù)（Watchdog）。該技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行的時間，若發(fā)現(xiàn)時間超過已知的循環(huán)設(shè)定時間，即認(rèn)為進(jìn)入死循環(huán)，然后強(qiáng)迫程序返回到0000H入口地址，在0000H安排出錯處理程序，使系統(tǒng)納入正規(guī)。"看門狗"技術(shù)既可由硬件實現(xiàn)，也可以由軟件來實現(xiàn)，二者還可以結(jié)合使用。

在實際應(yīng)用中，有各種專用芯片例如MAX813815等能夠完成"看門狗"功能，這些芯片集成了電壓監(jiān)控電路、備用電池和切換電路以及Watchdog 電路，功能齊全，應(yīng)用非常廣泛。在實時測控系統(tǒng)中，為了根據(jù)系統(tǒng)的需要來設(shè)定定時時間，也可采用圖3所示8254構(gòu)成的"看門狗"電路，該電路使用 8254的一個計數(shù)器，工作在方式1，定時時間可以由程序設(shè)定。

由圖3可以看出，無論8254輸出端OUT有正的上升沿還是系統(tǒng)上電復(fù)位的上升沿都將使系統(tǒng)復(fù)位，但兩者的含義是不同的。方式1的特點(diǎn)是OUT端輸出負(fù)脈沖的寬度為寫入8254的計數(shù)初值，在8254計數(shù)期間，若GATE端有重觸發(fā)信號,則重新裝入計數(shù)初值計數(shù)，亦即輸出保持為低電平。因此可設(shè)定8254 的計數(shù)初值,使其輸出負(fù)脈沖的寬度稍大于程序正常運(yùn)行的時間，然后在程序運(yùn)行的適當(dāng)位置上設(shè)置指令,使Ｐ1.0口向8254發(fā)來觸發(fā)脈沖,這樣當(dāng)程序正常運(yùn)行時，OUT端一直輸出低電平，若程序"跑飛"后Ｐ1.0口不能正常送來觸發(fā)信號，則計時時間到后，OUT端變?yōu)楦唠娖?，形成?fù)位脈沖，使系統(tǒng)復(fù)位。由 D觸發(fā)器7474構(gòu)成的電路是用來區(qū)別是上電復(fù)位還是失控后的自動恢復(fù)復(fù)位的。

4. 結(jié)論

單片機(jī)實際應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾的根本在于硬件結(jié)構(gòu)，軟件抗干擾起到的是補(bǔ)充作用，在系統(tǒng)設(shè)計時只有二者兼顧，相互結(jié)合、互補(bǔ)才能達(dá)到較好的抗干擾效果。

參考文獻(xiàn)
[1]  孫傳友. 測控系統(tǒng)原理與設(shè)計[J]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.4
[2]  艾玲梅. 單片機(jī)測控系統(tǒng)抗抗干擾技術(shù)[J]. 陜西工學(xué)院學(xué)報,2003.6