單片機自動控制中抗干擾相關(guān)問題研究

張崇武

摘要：隨著科技發(fā)展變化的日新月異，集成了計算機、通信、自動控制等現(xiàn)代技術(shù)的單片機控制系統(tǒng)的發(fā)展速度也越來越快，并以它自身的便捷性、易控制和好擴展等優(yōu)勢在電力、化工和交通等各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在單片機自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用中，其抗干擾性一直是懸而未決的問題，對單片機的應(yīng)用發(fā)展起到了一定的制約性影響?；诖?，本文將從單片機自動控制系統(tǒng)應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的干擾來源入手分析，結(jié)合筆者多年的實踐工作經(jīng)驗，對如何提升單片機自動控制中的抗干擾方法提出了幾點意見建議。

Abstract： With the rapid change of the development of science and technology， the development of single-chip microcomputer control systems integrating modern technologies such as computer， communication and automatic control is also growing faster and faster， with its own convenience， easy control and good expansion， it is widely used in various fields， such as power， chemical and transportation and so on. However， in the application of single-chip microcomputer automatic control system， its anti-interference has been an unresolved problem， which has a certain restrictive influence on the application development of single-chip microcomputer. Based on this， this paper starts from the analysis of the interference sources often appear in the application of single-chip automatic control system. Combining the author's years of practical work experience， this paper puts forward some suggestions on how to improve the anti-interference method in the automatic control of single-chip microcomputer.

關(guān)鍵詞：單片機;自動控制;抗干擾;問題研究

Key words： single chip microcomputer;automatic control;anti-interference;problem research

中圖分類號：TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0274-02

0? 引言

單片機自動控制系統(tǒng)在應(yīng)用實踐中會受到周圍工作環(huán)境的影響，如電場環(huán)境、磁場環(huán)境和周圍的溫度變化等因素都會給單片機自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件造成干擾，繼而出現(xiàn)運行不穩(wěn)定或軟件程序失控問題?；谶@些方面的影響，如何提高單片機自動控制系統(tǒng)的抗干擾能力，是能夠保證系統(tǒng)正常運行的重中之重。本文將對單片機自動控制中抗干擾相關(guān)問題展開如下研究。

1? 單片機自動控制系統(tǒng)常見問題及干擾的來源分析

在工業(yè)生產(chǎn)中，單片機自動控制系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中經(jīng)常會出現(xiàn)下面這些情況，第一，上位機發(fā)出去的信息，下位機單片機經(jīng)常出現(xiàn)信息漏接或無法接收的問題。第二，電機在啟動之后，下位機單片機上所出現(xiàn)的數(shù)據(jù)是亂碼，無法正常呈現(xiàn)。第三，單片機在對繼電器進行驅(qū)動時出現(xiàn)失靈現(xiàn)象。第四，單片機顯示屏上的顯示器不能正常工作。第五，單片機無法正常啟動，經(jīng)常出現(xiàn)死機問題，只有點擊復(fù)位按鈕才能恢復(fù)到初始狀態(tài)[1]。第六，系統(tǒng)被控對象在操作中出現(xiàn)失誤。第七，單片機定時顯示失準等。引發(fā)這些問題出現(xiàn)的干擾來源主要包括如下幾個方面：

1.1 電源干擾? 單片機控制系統(tǒng)中所應(yīng)有的電源多是和工業(yè)系統(tǒng)電源共用的，當系統(tǒng)操作中需要進行電源開關(guān)、大電機的啟動等操作時，都會造成電源電壓的巨大波動，此操作中還會形成較強的干擾信號。此外，如果電源引線太長，在輸電時也會產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動勢，會對微機系統(tǒng)的正常運行帶來干擾性影響。有權(quán)威統(tǒng)計顯示：在計算機系統(tǒng)產(chǎn)生的各種干擾中，其中有七成的干擾均是由于電源發(fā)生耦合而造成的[2]。

1.2 空間電磁波干擾? 單片機工業(yè)控制系統(tǒng)的所采用的多是低電平多錄數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)， 其信號電壓通常為低電平電壓，在幾十毫伏以下。但在信號源和測量系統(tǒng)應(yīng)用中，所需進行連接的電纜長度要求較高，少則幾十米，多則幾百米，當四周有較強的電磁設(shè)備運轉(zhuǎn)時，極易受到干擾。此外，系統(tǒng)之間的連線、輸入（出）線等的布線電容和電感也會給線路造成一定的干擾，其結(jié)果就是造成測量結(jié)果的不準確，嚴重的時候還會造成信號的徹底失真。

1.3 過程通道干擾? 單片機應(yīng)用系統(tǒng)里的模擬量輸入/出和開關(guān)量的輸入/出通道是必不可少的。在這些通道中，總是難免會有一些干擾信號侵入到單片機系統(tǒng)中，除了這些信號的干擾外，在各輸入/出通道內(nèi)還會因各種控制線和信號線的交錯而形成各自的電磁感應(yīng)干擾，進而造成單片機自動控制系統(tǒng)的程序失準，如不及時加以解決將會影響到整個系統(tǒng)的運行。

1.4 人為干擾? 所謂人為干擾，指的是由于人的因素引起的直接或間接的干擾。其出現(xiàn)的形式主要包括機械振動、繼電器觸點抖動、可控硅通斷、感性負載的投切、元器件安裝及布線引發(fā)的電磁耦合、接插件接觸不好、虛焊、放大器自激、電源紋波和附近工作的電焊機、電動機啟動、通過的汽車等[3]。

2? 抗干擾的硬件技術(shù)措施

根據(jù)前述問題，在對單片機自動控制系統(tǒng)進行硬件技術(shù)處理中，可通過如下技術(shù)措施來提升其抗干擾能力。

2.1 消除電源干擾的技術(shù)措施? 在單片機系統(tǒng)中，要提高供電系統(tǒng)質(zhì)量，減少亂入干擾，做好如下工作：第一，電源和設(shè)備的選擇方面。盡可能選擇有靜電屏蔽功能和抗電磁干擾功能的隔離電源變壓器，并將強電設(shè)備的動力電源與單片機的輸入電源分離，將單片機的電源分離出去，獨立供電。電源線、控制線和動力線也應(yīng)各自配線，其中編程器、變壓器和中央處理器等重要設(shè)備的電源線應(yīng)優(yōu)選導(dǎo)電性強的優(yōu)質(zhì)材料，以減少外界信號的干擾。第二，電源電壓的穩(wěn)定方面。為預(yù)防電壓毛刺或畸變，要將+5V電源設(shè)置多級濾波處理器，電源線的布設(shè)還應(yīng)保持平行，以此來減少電網(wǎng)波動及電源噪聲問題。此外，為消除兩級電壓不穩(wěn)問題，還可給系統(tǒng)配置集成穩(wěn)壓塊，保持兩者的平衡。第三，電源變頻器方面。變頻器的抗干擾方法中，可通過隔離變壓器的方法來降低電源傳導(dǎo)的干擾，濾波器的應(yīng)用也是有效降低干擾的一種有效途徑。

2.2 對布線結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整? 在單片機自動控制系統(tǒng)中，如布線布局和結(jié)構(gòu)是科學合理的，則會在系統(tǒng)應(yīng)用中有效發(fā)揮抗干擾能力。在布線過程中，應(yīng)注意以下幾方面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整：第一，注意強弱電的分離，特別是交流電布設(shè)過程中，最好采取分槽走線的布設(shè)方法，并通過對直流線和交流線的獨立捆綁，拉大兩者之間的距離，減少其對雙方的信號干擾。第二，信號地和模擬地應(yīng)保持分離狀態(tài)，接地處理中應(yīng)盡可能的使其處于單點接地狀態(tài)。在應(yīng)用屏蔽線的過程中，應(yīng)盡可能的將其應(yīng)用在處于大范圍銅覆蓋的電路板和信號連接線路上，地線盡可能選用加粗的，通過這種對布線結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)化調(diào)整，能有效提升單片機自動控制系統(tǒng)的抗干擾防御性能。

2.3 接地抗干擾提升措施? 單片機的自動控制系統(tǒng)里的模擬地和電網(wǎng)相連，因而容易形成電網(wǎng)干擾，數(shù)字地區(qū)域內(nèi)受電磁輻射和高次諧波的干擾影響嚴重，極易造成單片機自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的失準，為提升系統(tǒng)應(yīng)用的安全性，減少接地干擾，在系統(tǒng)設(shè)計中可通過完善接地系統(tǒng)的方法來減少干擾。鑒于單片機系統(tǒng)的接地形式的差異考量，當信號頻率處于1-10MHz之間時，通常選用單點接地的方式，把所有地線端子與最近位置的接地點相連;當信號頻率為10MHz之上時，則采用多點接地的方式;當信號頻率處于1MHz以下時，接地選用單點接地的方式，地線應(yīng)為專用地線，其電阻≤100Ω，截面積>2mm2[4]。

3? 抗干擾的軟件技術(shù)措施

在單片機自動控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計過程中，除了硬件技術(shù)措施的應(yīng)用外，還應(yīng)重視軟件抗干擾設(shè)計的輔助作用，當前，較為常見的抗干擾軟件技術(shù)措施主要包括：

3.1 軟件數(shù)字濾波技術(shù)措施? 軟件濾波算法，能將單片機自動控制系統(tǒng)中的絕大多數(shù)因輸入信號干擾引發(fā)的輸出控制錯誤過濾出去。在單片機系統(tǒng)的輸入通道內(nèi)，所包含的干擾源非常多，數(shù)字濾波算法能將測控結(jié)果的準確性大大提高。其應(yīng)用原理為：將一組根據(jù)序列進行運算的輸入信號，轉(zhuǎn)成另外一組輸出數(shù)字蓄力的裝置。其數(shù)字濾波處理流程圖如圖1所示。

3.2 軟件陷阱技術(shù)措施? 軟件陷阱，即我們所說的攔截技術(shù)，是把顯示錯誤和處于亂飛狀態(tài)的程序捕獲抓取出來，并將所抓取內(nèi)容強行送入出錯處理程序內(nèi)的一種技術(shù)方法。通常情況下，我們會對利用軟件陷阱的方法攔截亂飛程序，然后再通過設(shè)計合理陷阱的方法進行恰當?shù)奶幹谩?/p>

軟件陷阱的布設(shè)通常在尚未使用的中斷向量區(qū)（0003H-002FH）、未使用的大片ROM空間、表格和程序的中裂點區(qū)域，如跳轉(zhuǎn)指令和返回指令之后，這部分區(qū)域在正常程序的執(zhí)行過程中屬于執(zhí)行死角，無法監(jiān)控到，因而在對程序的執(zhí)行效率方面并不會產(chǎn)生影響。如在程序內(nèi)設(shè)計一部分容錯程序，我們假設(shè)它的入口標號是ERROR，我們可以在其內(nèi)存空間里設(shè)置相應(yīng)的軟件陷阱，例如NOP NOP LJMP ERROR，然后把在系統(tǒng)內(nèi)捕獲到的失控程序送入容錯程序中進行強行處理。然后以標志位為依據(jù)將修正后的程序送入正軌中。在這里，應(yīng)需要特別注意的是軟件陷阱的設(shè)置區(qū)域的選取。

3.3 “看門狗”技術(shù)措施? “看門狗”技術(shù)指的是對處于循環(huán)運行趨勢的程序進行不間斷的監(jiān)視，當發(fā)現(xiàn)時間超出的已知循環(huán)的設(shè)定時間時，則認定其已經(jīng)進入了死循環(huán)階段，系統(tǒng)將通過強迫執(zhí)行的方式將程序返回到0000H入口處，并對錯誤的處理程序進行識別處理，使系統(tǒng)復(fù)位，進入到運行正軌中去[5]?！翱撮T狗”技術(shù)的特征包括：第一，具有獨立完成工作的能力，對CPU沒有依賴性。第二，CPU在特定時間間隔內(nèi)會和這套系統(tǒng)接觸一次，即我們常說的“喂一次狗”，該接觸表明單片機自動控制系統(tǒng)運行的“正常性”。第三，如CPU出現(xiàn)進入死循環(huán)現(xiàn)象，這項“看門狗”技術(shù)能第一時間發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，并快速處理使其復(fù)位。

3.4 其他技術(shù)措施? 在采用其他技術(shù)措施對單片機抗干擾進行處理時，主要是針對單片機的中斷情況采取的一種有效措施?？垢蓴_的方法主要包括：第一，重復(fù)讀取信號。當對外部中斷信號時進行的采集經(jīng)常會出現(xiàn)瞬間干擾問題，若任其發(fā)展不做處理的話，極有可能會造成對中斷程序的錯誤執(zhí)行。在干擾信號出現(xiàn)時，其瞬間波動時間非常短，因而可通過重復(fù)讀取信號的方法來消除這一問題。第二，將未使用的空間及時關(guān)閉。關(guān)閉未使用中斷空間的方法，能將進入空間的錯誤程序及時關(guān)閉，并安全退出，以減少干擾。

4? 結(jié)束語

眾所周知，單片機自動控制系統(tǒng)的干擾源來自其周圍工作環(huán)境的方方面面，單片機系統(tǒng)在自動控制中的抗干擾設(shè)計作為一項綜合性設(shè)計，在采取硬件系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整措施的過程中，在提升單片機系統(tǒng)的抗干擾性方面效果顯著。然而，一旦在系統(tǒng)中應(yīng)用較多的抗干擾硬件系統(tǒng)，則可能會使系統(tǒng)的可靠性降低。而軟件系統(tǒng)的改進，對硬件系統(tǒng)是一種有效補充，大大提升了單片機自動控制系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，為系統(tǒng)的長期、穩(wěn)定運行提供了基礎(chǔ)保證。

參考文獻：

[1]黃啟鋒，郭麗花，林有希，等.單片機控制系統(tǒng)軟件抗干擾方法的研究[J].中國農(nóng)機化學報，2016，37（2）：214-217，222.

[2]張楠.單片機控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計探析[J].信息通信，2014（1）：36.

[3]何忠悅，于淑芳.單片機抗干擾技術(shù)實踐應(yīng)用探析[J].機電信息，2012（120）：112-113.

[4]桑毅，姚曄.單片機系統(tǒng)抗干擾問題研究[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，2011（20）：87-88.

[5]林金忠.單片機自動控制中抗干擾研究[J].長江大學學報，2009（9）：251-252.