單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)的研究

于 淼，王巧梭

（1.河北省海警支隊(duì)，河北 秦皇島 066000；2.河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。尤其是單片機(jī)（MCU）控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的智能機(jī)電產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。在單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，不僅要突出控制系統(tǒng)的智能化程度，還必須重視控制系統(tǒng)的可靠性，否則將會(huì)影響控制系統(tǒng)的使用性能，因此，有必要對(duì)抗干擾技術(shù)進(jìn)行研究。

1 單片機(jī)控制系統(tǒng)概述以及抗干擾設(shè)計(jì)的重要性

單片機(jī)控制系統(tǒng)包括通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)。這些技術(shù)形成了一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化，使操作更方便，也提高了生產(chǎn)力。單片機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電氣工業(yè)、化工等行業(yè)，工作條件十分惡劣。受自然條件和外界環(huán)境的影響，單片機(jī)被電磁干擾，會(huì)影響其信號(hào)的有效接收。這種類型的電磁場(chǎng)主要是由于暴露在相應(yīng)的電磁設(shè)備中，不僅會(huì)干擾信號(hào)接收，還會(huì)導(dǎo)致軟件和硬件的運(yùn)行錯(cuò)誤。因此，由于單片機(jī)控制系統(tǒng)和運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜，需要增加單片機(jī)設(shè)計(jì)的抗干擾性能。由于實(shí)際運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，優(yōu)先找到干擾源是解決問題的關(guān)鍵所在，明確產(chǎn)生干擾的實(shí)際原因，才能最大程度地降低干擾，提高單片機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行水準(zhǔn)。單片機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性是毋庸置疑的，它的軟件性能、硬件性能和先進(jìn)的技術(shù)集成都確保了單片機(jī)控制系統(tǒng)的有效性。另外，系統(tǒng)可以在困難的條件下工作，也有自身的優(yōu)勢(shì)，這就是單片集成電路在合理性和科學(xué)性方面的優(yōu)勢(shì)。然而，并非每個(gè)系統(tǒng)都是可靠的，可能會(huì)發(fā)生一些錯(cuò)誤，這可以通過特定的設(shè)計(jì)或錯(cuò)誤保護(hù)措施來緩解。如果忽視它的缺點(diǎn)，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生一定程度的不利影響，進(jìn)而影響系統(tǒng)的有效運(yùn)行。環(huán)境對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)有重大影響，為了確保系統(tǒng)的可行性，需要從科學(xué)的角度來開發(fā)抗干擾系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)受到干擾的主要原因和現(xiàn)象

單片機(jī)控制系統(tǒng)工作環(huán)境十分惡劣，實(shí)際應(yīng)用期間，經(jīng)常會(huì)遇到系統(tǒng)可靠性與安全性問題。單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用一定要在可靠穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行，否則，很容易增加控制誤差，情況嚴(yán)重的還會(huì)使得系統(tǒng)失靈。因單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，即便是微小誤差，隨著日積月累，也容易引起系統(tǒng)失靈，最終導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p失[1]。單片機(jī)控制系統(tǒng)受干擾主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 數(shù)據(jù)采集誤差

隨著測(cè)量單元模擬信號(hào)輸入通道在采集的信號(hào)上的疊加，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不斷下降，這一點(diǎn)在傳感器輸出微弱信號(hào)期間，尤為明顯。

2.2 控制狀態(tài)

輸出控制信號(hào)和某種狀態(tài)下的輸入信號(hào)及邏輯處理結(jié)果密切相關(guān)。若上述狀態(tài)信號(hào)被干擾，虛假狀態(tài)信號(hào)就會(huì)被引進(jìn)，從而導(dǎo)致輸出控制誤差越來越多，最終導(dǎo)致控制失控。

2.3 干擾狀態(tài)下的數(shù)據(jù)變化

單片機(jī)控制系統(tǒng)中，RAM內(nèi)存能進(jìn)行讀/寫，因此，基于這一環(huán)境，很容易篡改RAM中的數(shù)據(jù)。在單片機(jī)系統(tǒng)中，程序存儲(chǔ)器中包含程序、表和常量[2]，這些可以防止系統(tǒng)受到外界干擾。但就內(nèi)部RAM而言，可通過改變外部干擾來更新內(nèi)部數(shù)據(jù)。結(jié)合干擾通道情況，內(nèi)部數(shù)據(jù)性質(zhì)也存在明顯差異，相應(yīng)地導(dǎo)致的系統(tǒng)損傷也不一樣。引起錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的原因，主要包含控制失敗，程序狀態(tài)改變，組件狀態(tài)改變等。

2.4 程序運(yùn)行發(fā)生異常

單片機(jī)控制系統(tǒng)中程序計(jì)數(shù)器合理運(yùn)行，可以確保系統(tǒng)程序正常。若由于外部干擾，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器數(shù)值變化，很容易對(duì)正常程序造成破壞。一般來講，程序多會(huì)執(zhí)行系列指令，這些指令多半是無意義的，隨后進(jìn)到“死循環(huán)”，這一過程常常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

3 硬件系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用可靠性技術(shù)和生產(chǎn)過程密切相關(guān)，具體像設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、安裝、維護(hù)等方面，另外還和生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制體系、人員專業(yè)水平等方面有關(guān)。導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)的因素主要有以下幾點(diǎn)。

3.1 電子元件性能與可靠性組成

電子元器件作為系統(tǒng)基本單元，其質(zhì)量與穩(wěn)定性會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能與可靠性產(chǎn)生影響[3]。為了確保硬件系統(tǒng)合理可靠，有必要做好設(shè)計(jì)工作。所以具體設(shè)計(jì)期間，為了保證元件可靠性，應(yīng)先選用元器件，確保其滿足穩(wěn)定性與高精度水平要求。在微電子技術(shù)發(fā)展中，電子元器件可靠性逐漸提升。硬件抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)首選的抗干擾措施，能有效抑制干擾源，阻斷干擾的傳輸信道。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)期間，應(yīng)合理布局元件與電路，消除元件間電磁干擾，做好電路設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，可以有效控制外部干擾在系統(tǒng)方面產(chǎn)生的影響，例如平衡和去耦電路。冗余也稱為容錯(cuò)或故障屏蔽，也可以作為一種設(shè)計(jì)方法，通過增加執(zhí)行相同功能的并行或備用單元來提高系統(tǒng)可靠性。當(dāng)某些組件故障不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)，為了減少外部電磁干擾，電磁兼容性設(shè)計(jì)可用于改善電磁環(huán)境下的單片機(jī)系統(tǒng)，確保指定功能順利完成。一般情況下，主要抗電磁干擾硬件措施包含去耦電路，屏蔽、有濾波、接地等技術(shù)。

3.3 使用時(shí)鐘低頻單片機(jī)

一般來講，外時(shí)鐘身為高頻噪聲源，既會(huì)干擾外界，還會(huì)干擾系統(tǒng)硬件電路。為了減少噪聲干擾，可以優(yōu)選低頻率單片機(jī)，便于提升單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾性。對(duì)于不同公司而言，單片機(jī)外時(shí)鐘存在較大差異，例如，ATMAL公司使用的外時(shí)鐘是6 MHz，MOTOROLA公司使用的單片機(jī)外時(shí)鐘是4 MHz。

3.4 輸入、輸出隔離

隔離狀態(tài)中輸入與輸出，能阻斷信號(hào)干擾，此時(shí)強(qiáng)電流難以沖擊回路[4]。單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間，使用的隔離方法包含繼電器隔離、光電隔離、變壓器隔離。若輸出與輸入信號(hào)處在隔離情況下，很難傳遞直流分量，該方法多針對(duì)不傳遞直流分量輸入、輸出控制設(shè)備。此外，光電耦合器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，常常被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)信號(hào)輸入與輸出隔離信號(hào)中。

3.5 屏蔽技術(shù)和去耦電路

為防止電子設(shè)備朝外敷設(shè)干擾電磁波，減少電子設(shè)備干擾，可使用如下屏蔽技術(shù)，例如，噪聲源大開關(guān)電源，借助雙重屏蔽，即可保護(hù)開關(guān)電源。數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換期間，產(chǎn)生電流沖擊很大，傳輸線與供應(yīng)電源內(nèi)阻將產(chǎn)生很大壓降，其會(huì)干擾電路正常運(yùn)行。為合理抑制干擾，在電源電路與數(shù)字信號(hào)處理期間合理應(yīng)用去耦電容，即可變?yōu)槿ヱ铍娐?，減少集成電路帶來的干擾。

3.6 印刷電路板設(shè)計(jì)

電路板元器件布置期間，應(yīng)結(jié)合其功能合理布置，加上不同模塊對(duì)應(yīng)電源與地線相連，然后云集在一點(diǎn)進(jìn)行連接。為了得到最佳抗干擾成效，應(yīng)在外圍一同布設(shè)單片機(jī)和電路，減少二者間總線長(zhǎng)。邏輯電路設(shè)計(jì)期間，為了減少公共阻抗與輻射耦合，隔離變壓器與光電耦合器需放置接近端子位置，避免相鄰信號(hào)線的線間干擾。電路板線路布置期間，電路板銅模線應(yīng)盡量使用45°折線，設(shè)計(jì)者應(yīng)按照粗地線與電源線，電流和信號(hào)流向相同的原則，以減少信號(hào)在傳輸導(dǎo)線上的延遲。

3.7 選擇優(yōu)質(zhì)組件

因單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行常常受到外界環(huán)境影響，為防止影響系統(tǒng)設(shè)備，最終引起系統(tǒng)故障，設(shè)計(jì)系統(tǒng)期間應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，特別像晶振與RAM等組件，便于在提升系統(tǒng)抗干擾性期間，保證系統(tǒng)控制可靠性與精度。此外，高性能CMOS器件，可以提升噪聲容限，而測(cè)量放大器則能合理抑制共模帶來的干擾。

4 軟件系統(tǒng)防干擾設(shè)計(jì)

軟件是區(qū)分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和其他電子設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)。做好軟件編制工作，能全面提升系統(tǒng)可靠性。常用的軟件措施有信息冗余技術(shù)和自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷技術(shù)，主要有以下幾個(gè)方面。

4.1 存儲(chǔ)空間冗余技術(shù)

應(yīng)用單片機(jī)控制系統(tǒng)期間，加強(qiáng)信息維護(hù)與數(shù)據(jù)保存，可以有效提升系統(tǒng)可靠性。為了避免系統(tǒng)丟失，常常需要對(duì)重要數(shù)據(jù)與文件進(jìn)行多次復(fù)制，然后將其存儲(chǔ)到不同空間內(nèi)，若某個(gè)間隔下數(shù)據(jù)被損壞，系統(tǒng)會(huì)從其他部分進(jìn)行復(fù)制，便于恢復(fù)自身所需信息。

4.2 時(shí)間冗余技術(shù)

單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用期間，為了提升系統(tǒng)可靠性，可進(jìn)行重復(fù)操作，然后將結(jié)果和前期控制結(jié)果對(duì)比分析，便于驗(yàn)證系統(tǒng)操作是否正常。唯有上述兩方面結(jié)果一樣，方能進(jìn)到下一步。若二者結(jié)果不同，可重復(fù)進(jìn)行，若第三個(gè)結(jié)果和前兩者相同，另一個(gè)結(jié)果多因意外引起，此時(shí)應(yīng)立即將其排除。若上述三個(gè)結(jié)果都不同，則可確定為永久性硬件故障，然后繼續(xù)進(jìn)行檢查。該方法主要是應(yīng)用時(shí)間成本提升可靠性，故而也叫做時(shí)間冗余技術(shù)或重復(fù)檢測(cè)技術(shù)。

4.3 自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷技術(shù)

若系統(tǒng)復(fù)雜，為了及時(shí)檢測(cè)故障設(shè)備，更換使用單元，應(yīng)開展在線系統(tǒng)測(cè)試，然后做好系統(tǒng)診斷工作。該過程操作目的是確保動(dòng)作與功能正常，便于第一時(shí)間找到故障位點(diǎn)，從而進(jìn)一步減少維修時(shí)間。

4.4 軟件可靠性

單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行軟件可以實(shí)現(xiàn)不同功能。軟件可靠性研究，即看軟件是否能夠真實(shí)地描述多功能。所以，對(duì)生產(chǎn)過程的理解和軟件編寫質(zhì)量密切相關(guān)。為了提高軟件可靠性，設(shè)計(jì)者需要深入理解生產(chǎn)過程，確保軟件閱讀方便，便于測(cè)量與修改工作開展。

4.5 失效保險(xiǎn)技術(shù)

針對(duì)重要系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)故障應(yīng)處在安全的狀態(tài)。另外，還包含一些數(shù)字濾波、程序監(jiān)控和故障自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)。

4.6 數(shù)字濾波

單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)死鎖、錯(cuò)誤操作、信息不準(zhǔn)確等情況，十分頻繁會(huì)出現(xiàn)程序死循環(huán)。當(dāng)輸入通道為模擬信號(hào)時(shí)，檢測(cè)誤差增大，尤其是模擬信號(hào)波較短時(shí)，難以保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)和完整。為了控制或避免數(shù)據(jù)誤差，基于信號(hào)和噪聲特性的噪聲要求和設(shè)計(jì)方法，通過算術(shù)平均和比較折衷方法不斷優(yōu)化，使數(shù)字濾波器盡可能地濾除系統(tǒng)誤差中嘈雜的輸入信號(hào)。

4.7 提高RAM資料的可靠性

當(dāng)設(shè)備開啟或關(guān)閉時(shí)，它會(huì)在一定程度上影響CPU甚至RAM。冗余數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)可用于保護(hù)RAM數(shù)據(jù)。系統(tǒng)恢復(fù)后，對(duì)備份RAM及其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行自檢恢復(fù)，為RAM提供重要數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)有效保護(hù)，防止MCU軟件誤操作。由于數(shù)字輸入輸出對(duì)噪聲敏感，可以在信號(hào)中加入一定數(shù)量的離散突發(fā)，但這種噪聲不適合硬件控制，必須通過軟件檢測(cè)。為保護(hù)開關(guān)的輸入輸出端不受干擾，對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行了科學(xué)可靠的改進(jìn)，使其更適合不同的工作環(huán)境，確保更方便的公共生產(chǎn)服務(wù)與生活。

5 單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾對(duì)策

5.1 加強(qiáng)系統(tǒng)分析

對(duì)于單片機(jī)控制系統(tǒng)自身來說，抗干擾工作不僅不能達(dá)到預(yù)期的效果，而且即使單獨(dú)使用常規(guī)的方法也會(huì)出現(xiàn)很多問題。在開發(fā)干擾保護(hù)時(shí)，要從系統(tǒng)分析的角度入手，選擇合適的工具和策略?？紤]到單片機(jī)控制的不同工作環(huán)境和不同邊界條件，有必要進(jìn)行詳細(xì)的分析，作為對(duì)未來工作的額外幫助和指導(dǎo)。無論是對(duì)一個(gè)研究問題，還是對(duì)系統(tǒng)的全面調(diào)查，都可以使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。其次，檢查全部的干擾源或動(dòng)態(tài)因素，充分考慮抗干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分析單片機(jī)控制系統(tǒng)，完善抗干擾系統(tǒng)。

5.2 數(shù)字輸入端的噪聲抑制

抗干擾設(shè)計(jì)必須來自硬件，而單片機(jī)控制系統(tǒng)的良好性能與硬件本身息息相關(guān)，因此，設(shè)備維護(hù)不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。數(shù)字輸入端的降噪設(shè)施可以提供全方位的降噪功能，為系統(tǒng)的未來發(fā)展開拓更廣大的空間。在輸入端，RC濾波器時(shí)間常數(shù)大于最大脈沖寬度，小于信號(hào)寬度，這意味著可以在不損失信號(hào)的情況下抑制噪聲。在輸入端加一個(gè)上拉電阻來提高電源電壓，可以提高輸入電平，提高輸入的穩(wěn)定性[5]。為了提高對(duì)低電平輸出信號(hào)的抗擾度，可以降低信號(hào)源內(nèi)阻，即采用增益為1的電壓跟隨器來提高單片機(jī)控制的效率系統(tǒng)。

5.3 外圍擴(kuò)展存儲(chǔ)器的抗干擾

調(diào)試單片機(jī)控制系統(tǒng)必須以多種模式進(jìn)行。引入單一技術(shù)可以防止短期業(yè)務(wù)中斷，但無助于長(zhǎng)期發(fā)展。外設(shè)可擴(kuò)展內(nèi)存干擾抑制是單片機(jī)控制系統(tǒng)中不可或缺的構(gòu)成要件。首先，數(shù)據(jù)線、地址線和控制線應(yīng)當(dāng)較短，以減少對(duì)地電容。尤其要考慮每條地址線的長(zhǎng)度，連接方式盡量統(tǒng)一，避免每條線的阻抗與進(jìn)入端口的地址信號(hào)波形產(chǎn)生過大的差異。在傳輸過程中，異步控制信息因此受到干擾。其次，由于負(fù)載電流大，電源線和地線要按需求加粗。同時(shí)，電路板兩側(cè)的三條母線相互成直角排列，以避免母線間產(chǎn)生電磁干擾。

5.4 軟件抗干擾

單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾性能不僅需要硬件投資，還需要用軟件進(jìn)行科學(xué)編程。抗干擾軟件在當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)情況中越來越受到重視。為了推進(jìn)工作，有必要完善抗干擾軟件系統(tǒng)。比如，選擇軟件過濾算法可以改進(jìn)抗干擾設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這種方法可以濾除輸入信號(hào)中由噪聲引起的大部分采樣誤差。目前，普遍使用的手段是算術(shù)平均法、比較法、中值法和一階遞歸數(shù)字濾波法。因此，軟件降噪可以更好地匹配硬件降噪，確保單片機(jī)控制系統(tǒng)的合理性和可靠性。

6 單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代單片機(jī)控制抗干擾系統(tǒng)的開發(fā)取得了一些進(jìn)展。未來單片機(jī)抗干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題會(huì)逐漸增多，需要堅(jiān)持智能化的思路，優(yōu)化抗干擾電路的設(shè)計(jì)和狀態(tài)，構(gòu)建單片機(jī)多?？刂葡到y(tǒng)。單片機(jī)控制的干擾抑制系統(tǒng)涉及內(nèi)容必須更廣泛，結(jié)合其他技術(shù)電路或其他邊界條件，正確的設(shè)計(jì)可以減少問題的發(fā)生。

7 單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

抗干擾單片機(jī)控制器設(shè)計(jì)已成為行業(yè)發(fā)展的重要組成部分。為保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，必須考慮以下幾個(gè)方面：1）早期開發(fā)單片機(jī)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)，提高可靠性，消除防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的故障。在設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)各種干擾源及其強(qiáng)度、損耗進(jìn)行深入研究和分析。2）單片機(jī)抗干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要改進(jìn)，特別是對(duì)于一些新的干擾源，需要進(jìn)行大范圍的檢測(cè)和分析。選擇合適的方式，找出問題的最優(yōu)解，即用尖端的成熟技術(shù)解決。3）單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾系統(tǒng)需要持續(xù)革新，以提高技術(shù)交流的效率。

8 結(jié)語(yǔ)

在單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，結(jié)合工作環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用，上述抗干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的措施和方法的使用，可以有效提高單片機(jī)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，充分體現(xiàn)了單片機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。筆者從硬件、軟件兩個(gè)方面探討了一些提高抗干擾能力的方法，并在一些實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采用，收到了良好的效果，基本解決了令人頭痛的干擾問題。