單片機嵌入式系統(tǒng)的抗干擾技術

郝樹虹 盛春玲 李秋菊 胡 濱

（1、萊鋼自動化部，山東 萊蕪 271104 2、萊鋼煉鋼廠，山東 萊蕪 271104）

1 單片機嵌入式系統(tǒng)及其干擾形式

嵌入式系統(tǒng)一般定義為:以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適合應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。簡而言之，可用“一言”定義:嵌埋在應用系統(tǒng)或設備之中，不為用戶所見的專用計算機系統(tǒng)。

工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中的干擾一般以脈沖形式進入系統(tǒng)，干擾形式主要有三種：一是空間干擾(磁場干擾)，電磁信號通過空間輻射進入系統(tǒng)；二是過程通道干擾，干擾通過與系統(tǒng)相連的前向通道、后向通道及與其它系統(tǒng)的相連通道進入；三是供電系統(tǒng)干擾，電磁信號通過供電線路進入系統(tǒng)，是危害最嚴重、最廣泛的一種干擾。當干擾侵入單片機系統(tǒng)后，會造成控制狀態(tài)失靈，數(shù)據(jù)采集誤差加大，數(shù)據(jù)發(fā)生變化，程序運行失常等不良后果。針對以上問題，本文分別從硬件和軟件兩個方面來探討一些提高單片機嵌入式系統(tǒng)抗干擾能力的方法。

2 硬件抗干擾措施

2.1 電源干擾控制

電源是對單片機系統(tǒng)干擾的一個主要來源。電源在提供能源的同時，直接將噪聲加在單片機系統(tǒng)上。中斷線、復位線和其它一些控制線最容易受到外界噪聲的干擾。

電源變壓器采用雙隔離，即電源變壓器的初、次級線圈屏蔽層與初級線圈中心點接大地，次級外屏蔽層接抑制板地，以減少高低頻脈沖干擾，提高高頻共?？垢蓴_能力。

用壓敏電阻抑制尖峰、浪涌。壓敏電阻兩端的電壓如超過其限定值，電流會迅速增大，呈短路狀態(tài)。利用這一特點可以吸收瞬時尖峰、浪涌電壓。壓敏電阻并聯(lián)在電源的初次級可有效抑制尖峰浪涌電壓。

低通濾波器可濾去干擾帶來的高次諧波，改善電源波形。采用分散獨立的穩(wěn)壓塊，分別對各部分電路進行供電，可減少公共阻抗的相互影響，提高供電的可靠性。

2.2 隔離技術

在接口電路中，如果出現(xiàn)2點以上接地時，可能引入共阻耦合干擾和地環(huán)路電流干擾。抑制這類干擾的方法是采用隔離技術。通常有光電隔離和電磁隔離兩種。

光電隔離。光電隔離是由光電耦合器來實現(xiàn)的，光電耦合器通過光進行信號傳送，如圖1所示，可以切斷單片機與前向、后向及其它控制器電路的聯(lián)系，使其電路相互獨立，能有效抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾。光電耦合器的組成主要包括發(fā)光二極管、光敏晶體管等部件。當信號電壓U 產(chǎn)生電流I，其發(fā)光的強弱與U的大小成正比，通過光電耦合到光電三極管再一次變成電流，經(jīng)放大電路輸出。它在輸入、輸出電路中另一個主要作用是抑制地環(huán)流，即使在輸入端出現(xiàn)60V的共模電壓時，對控制器也無影響。光電耦合器的輸入與輸出端在電氣上是絕緣的，且輸出端對輸入端無反饋，因而具有隔離和抗干擾的獨特性能。

圖1 光電隔離示意圖

電磁隔離。利用隔離變壓器來切斷環(huán)流，如圖2所示。電路1的輸出經(jīng)過變壓器耦合到電路2,從而地環(huán)路被切斷，兩電路各自的地電位基準不受影響，不會造成干擾。

圖2 變壓器隔離示意圖

2.3 屏蔽技術

將單片機嵌入式系統(tǒng)置于金屬箱體中,利用金屬對電磁的屏蔽性來削弱或消除外部進入箱內(nèi)的電場和磁場。信號線和電源線嚴格地分開,不得同時穿入同一個金屬盒或金屬管中。由于電場或磁場都與測點到干擾源的距離成反比,因此,把信號線安排到距離電源線遠的地方也是一種有效措施。

2.4 硬件看門狗（Watchdog）技術

MAX813L 是一款帶看門狗和電源監(jiān)控功能復位芯片，提供的復位信號為高電平，適用于復位信號為高電平的單片機系統(tǒng)。MAX813L的溢出時間為1.6 秒，當系統(tǒng)出現(xiàn)死機時，單片機就會停止向看門狗發(fā)送脈沖，超過1.6 秒，看門狗電路就會發(fā)出復位信號，將系統(tǒng)復位，使系統(tǒng)恢復正常。

2.5 去耦技術

數(shù)字信號電平轉換在轉換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供應電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大壓降，形成嚴重干擾。為抑制此干擾，在電源電路、數(shù)字電路和信號處理電路中適當配置去耦電容，即形成去耦電路，這樣可旁路集成電路產(chǎn)生的干擾。原則上每個集成電路的電源和地之間都要加1個去耦電容。它有兩個作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開、關門瞬間的充放電能量；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容是0.1μF。

3 軟件抗干擾措施

3.1 指令冗余技術

當跑飛的程序落在用戶工作程序ROM 區(qū)內(nèi)時，可采用指令冗余的方法使程序走上正軌。常用的指令冗余技術有兩種：NOP 指令的使用和重要指令冗余。NOP 指令是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令之后插入兩個單字節(jié)NOP 指令，即使因為“跑飛”使程序落到操作數(shù)上，由于兩個空操作指令的存在，不會將其后的指令當操作數(shù)執(zhí)行，從而使程序納入正軌。在某些對系統(tǒng)工作至關重要的指令之前也可插入幾條空操作指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。

3.2 軟件陷阱技術

當跑飛的程序落在非程序區(qū)（如EPROM未使用的空間或某些數(shù)據(jù)表格區(qū)），則采用軟件陷阱使程序恢復正常。所謂軟件陷阱，就是在非程序區(qū)設置一些攔截程序，將失控的程序引至復位入口地址0000H 或處理錯誤程序的入口地址ERR，在此處利用LJMP 指令，使程序走入正軌。

3.3 軟件看門狗電路

程序運行過程中.有時受到某種干擾的影響會出現(xiàn)死循環(huán)現(xiàn)象，看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)。在5l 單片機中有兩個定時器，可以用這兩個定時器來對主程序的運行進行監(jiān)控。對T0 設定一定的定時時間，當產(chǎn)生定時中斷時對一個變量進行賦值，而這個變量在主程序運行的開始已經(jīng)有了一個初值，要設定的定時值要小于主程序的運行時間。這樣在主程序的尾部對變量的值進行判斷，如果值發(fā)生了預期的變化，就說明T0 中斷正常，如果沒有發(fā)生變化則使程序復位。T1 用來監(jiān)控主程序的運行，給T1 設定一定的定時時間，在主程序中對其進行復位，如果不能在一定的時間里對其進行復位，T1的定時中斷就會使單片機復位。在這里T1的定時時間要設的大于主程序的運行時間，給主程序留有一定的裕量。而Tl的中斷正常與否再由T0 定時中斷子程序來監(jiān)視。T0 監(jiān)視T1，T1 監(jiān)視主程序，主程序又來監(jiān)視T0，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.4 數(shù)字濾波技術

為了消除實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道中的干擾信號，需對信號濾波。所謂數(shù)字濾波，就是在單片機中用某種計算方法對輸入的信號進行數(shù)學處理，以便減少干擾在有用信號中的比重，提高信號的真實性。這種濾波方法不需要增加硬件設備，只需要根據(jù)預定的濾波算法編制相應的程序即可達到信號濾波的目的，有利于降低成本。數(shù)字濾波穩(wěn)定性高，濾波參數(shù)修改方便，可以對各種干擾信號進行濾波。常用的濾波方法有：算術平均值濾波、中值濾波、程序判斷濾波、加權平均值濾波、滑動平均值濾波和復合數(shù)字濾波法。

4 結束語

在工程實踐中通常都是幾種抗干擾技術并用，互為補充完善來取得較好的抗干擾效果。細致周到地分析干擾源，確定干擾性質，硬件與軟件抗干擾技術相結合，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序，使系統(tǒng)最大限度的避免干擾的產(chǎn)生和受干擾后能使系統(tǒng)恢復正常運行，保證單片機控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地工作。

[1]朱順華，王成春，鄒逢興.單片機控制系統(tǒng)的硬件抗干擾設計[J].微計算機信息，2007.23,8-2.

[2]劉光斌.單片機系統(tǒng)實用抗干擾技術 [M].北京：人民郵電出版社，2006