單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾優(yōu)化設(shè)計

胡陶林

摘 要：在單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中，既要設(shè)備的自動化程度及智能性，也要控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。本文從系統(tǒng)受到干擾的主要原因和現(xiàn)象；系統(tǒng)可靠性設(shè)計的任務(wù)及方法等方面展開了說明及論述。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；抗干擾；控制狀態(tài)；冗余技術(shù)

一、引言

隨著電子技術(shù)和微型計算機(jī)的迅速發(fā)展，微型計算機(jī)控制技術(shù)也迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。中小規(guī)模的單片機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。在單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中，我們既要突出設(shè)備的自動化程度及智能性，也要重視控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，否則就無法體現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。

二、系統(tǒng)受到干擾的主要原因和現(xiàn)象

由于單片機(jī)控制應(yīng)用系統(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、安全性就成為一個非常突出的問題。單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用必須長期穩(wěn)定、可靠運行，否則將導(dǎo)致控制誤差加大，嚴(yán)重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失。

影響單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)設(shè)計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。這些因素對控制系統(tǒng)造成的干擾主要表現(xiàn)在下述幾個方面。

（1）數(shù)據(jù)采集誤差加大。干擾侵入單片機(jī)控制系統(tǒng)測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號之上，會使數(shù)據(jù)采集誤差加大。

（2）控制狀態(tài)失靈。微機(jī)輸出的控制信號的狀態(tài)信號受到干擾，引入虛假狀態(tài)信號，將導(dǎo)致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。

（3）數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。單片機(jī)控制系統(tǒng)中，由于RAM存儲器是可以讀/寫的，故在干擾的侵害下，RAM中的數(shù)據(jù)有可能被竄改。在單片微機(jī)系統(tǒng)中，程序及表格、常數(shù)存于程序存儲器中，避免了這些數(shù)據(jù)受到干擾破壞，但對于內(nèi)RAM、外擴(kuò)RAM中的數(shù)據(jù)都有可能受到外界干擾而變化。

（4）程序運行失常。單片機(jī)控制系統(tǒng)中程序計數(shù)器在外界干擾下導(dǎo)致計數(shù)器的值改變，破壞了程序的正常運行。由于受到干擾后計數(shù)器的值是隨機(jī)的，因而導(dǎo)致程序混亂。通常的情況是程序?qū)?zhí)行一系列毫無意義的指令，最后進(jìn)入"死循環(huán)"，這將使輸出嚴(yán)重混亂或系統(tǒng)失靈。

三、系統(tǒng)可靠性設(shè)計的分析和方法

單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性技術(shù)涉及到生產(chǎn)過程的方方面面，不僅與設(shè)計、制造、檢驗、安裝、維護(hù)有關(guān)，還與生產(chǎn)管理、質(zhì)量監(jiān)控體系、使用人員的專業(yè)水平與素質(zhì)有關(guān)。這里主要是從技術(shù)角度分析提高系統(tǒng)可靠性的最常用方法。

導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的內(nèi)部因素主要有以下三點：

（1）元器件本身的性能與可靠性。元器件是組成系統(tǒng)的基本單元，其特性好壞與穩(wěn)定性直接影響整系統(tǒng)性能與可靠性。因此，在可靠性設(shè)計當(dāng)中，首要的工作是精選元器件，使其在長期穩(wěn)定性、精度等級方面滿足要求。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的可靠性不斷提高。這為提高系統(tǒng)性能與可靠性提供了很好的基礎(chǔ)。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。包括硬件電路結(jié)構(gòu)和運行軟件設(shè)計。電路設(shè)計中要求元器件或線路布局合理以消除元器件之間的電磁耦合相互干擾，優(yōu)化的電路設(shè)計也可以消除或削弱外部干擾對整個系統(tǒng)的影響。同時也可以采用冗余結(jié)構(gòu)，也稱容錯技術(shù)或故障掩蓋技術(shù)，它是通過增加完成同一功能的并聯(lián)或備用單元數(shù)目來提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計方法。對于消減外部電磁干擾，可采用電磁兼容設(shè)計，目的是提高單片機(jī)系統(tǒng)在電磁環(huán)境中的適應(yīng)性保持完成規(guī)定功能的能力。常用的抗電磁干擾的硬件措施有濾波技術(shù)、去耦電路、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)等。軟件是微機(jī)系統(tǒng)區(qū)別于其它通用電子設(shè)備的獨到之處，通過合理編制軟件可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)運行的可靠性。常用的軟件措施主要有：一是信息冗余技術(shù)，對單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用而言，保持信號信息和重要數(shù)據(jù)是提高可靠性的主要方面。為防止系統(tǒng)故障等原因而丟失信息，常將重要數(shù)據(jù)或文件多重化，復(fù)制并存于不同空間。二是時間冗余技術(shù)，為提高單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性，可采用重復(fù)執(zhí)行某一操作或某一程序，并將執(zhí)行結(jié)果與前一次結(jié)果進(jìn)行比較對照來確認(rèn)系統(tǒng)工作是否正常。三是故障自動檢測與診斷技術(shù)，對于復(fù)雜系統(tǒng)，為了保證能及時檢測出有故障裝置或單元模塊，以便及時把有用單元替換上去，就需要對系統(tǒng)進(jìn)行在線測試與診斷。四是軟件可靠性技術(shù)：單片機(jī)控制系統(tǒng)運行軟件是系統(tǒng)要實行的各項功能的具體反映。軟件的可靠性主要標(biāo)志是軟件是否真實而準(zhǔn)確地描述了要實現(xiàn)的各種功能。五是失效保險技術(shù)：有些重要系統(tǒng)，一但發(fā)生故障時希望整個系統(tǒng)應(yīng)處于安全或保險狀態(tài)。

（3）安裝與調(diào)試。元器件與整個系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，是保證系統(tǒng)運行與可靠性的重要措施。盡管元器件選擇嚴(yán)格，系統(tǒng)整體設(shè)計合理，但安裝工藝粗糙，調(diào)試不嚴(yán)格，仍然達(dá)不到預(yù)期的效果。

導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的外因是指單片機(jī)控制系統(tǒng)所處工作環(huán)境中的外部設(shè)備或空間條件導(dǎo)致系統(tǒng)運行的不可靠因素，主要包括以下幾點：一是外部電氣條件；二是外部空間條件；三是外部機(jī)械條件。

為保證系統(tǒng)可靠工作，必須創(chuàng)造一個良好的外部環(huán)境。例如：采取屏蔽措施、遠(yuǎn)離產(chǎn)生強(qiáng)電場干擾的設(shè)備；加強(qiáng)通風(fēng)以降低環(huán)境溫度；安裝緊固以防振動等。

元器件的選擇是根本，合理安裝調(diào)試是基礎(chǔ)，系統(tǒng)設(shè)計是手段，外部環(huán)境是保證，這是可靠性設(shè)計遵循的基本準(zhǔn)則，并貫穿于系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試、運行的全過程。為實現(xiàn)這些準(zhǔn)則，必須采取相應(yīng)的硬件或軟件方面的措施，這是可靠性設(shè)計的根本任務(wù)。

四、結(jié)束語

中小規(guī)模的單片機(jī)控制系統(tǒng)在開發(fā)過程中，結(jié)合實際應(yīng)用中的工作環(huán)境，采用以上的系統(tǒng)抗干擾優(yōu)化設(shè)計的措施與方法，基本能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，充分地體現(xiàn)單片機(jī)控制系統(tǒng)在不增加控制成本的情況提高機(jī)電設(shè)備的自動化性能與智能性的優(yōu)越所在。

參考文獻(xiàn)

[1]胡連柱，姜寶山.簡析單片機(jī)軟硬件的抗干擾設(shè)計技術(shù)，安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2005.

[2]徐明龍，王赤虎.利用單片機(jī)實現(xiàn)的模擬信號和數(shù)字信號單線混合傳輸，電子設(shè)計應(yīng)用，2004.

[3]董文武.微機(jī)接口技術(shù)，中國水利水電出版社，2001.

[4]徐梅.單片機(jī)系統(tǒng)常用抗干擾措施，高校實驗室工作研究，2006.

（作者單位：中國衛(wèi)星海上測控部）