浅谈单片机控制系统的可靠性

吕虎

[摘要]单片机控制系统是以计算机为基础的控制系统，在自动化逐渐发展的今天，单片机控制系统越来越受到重视。想更好的运用单片机控制系统不仅要注重理论也要实践相结合，下文就以多年的经验作保障介绍了单片机控制系统的设计以及容错性抗干扰性，并给出切实可行的措施，希望使其能更好地为自动控制行业做贡献。

[关键词]单片机控制系统；设计；抗干扰

单片机是单片微型计算机的简称，是一种典型的嵌入式微控制器。具有体积小、简单可靠、功耗低、精确度高等优点，为工业应用以及软件开发带来了便利。它所被应用的领域广泛，在仪表仪器，家用电器、医用设备甚至高端领域都有涉及。单片机控制系统的硬件具有抗干扰技术，使单片机控制系统的工作更加稳定。下文不仅介绍了抗干擾技术，更提出了可行的建议，以便大家参考。

1、规范合理的系统设计和容错设计

单片机控制系统对电机的控制与运动精度要求较高，所以综合了多种因素考虑选择了步进电机为动力执行元件。而容错设计是最重要的设计，接地、滤波等都是可靠性与容错性的设计，但是这类硬件极其复杂。并且过度引入硬件，会出现电路板老化、引出新噪音以及增加成本等缺点。整个系统的可靠性和稳定性全由节点智能模块决定，而各节点智能模块具有独立工作能力并受控于前置计算机，控制中心可以完整整个控制工作，以便提供准确及时的数据信息。

容错设计就是对故障予以容忍的设计。因为单片机控制系统故障或出错是客观存在的，容错设计就是解除系统故障或出错影响措施。实施的方法是投入超常规设计所需要的资源，以换取更高的系统可靠性。

2、单片机控制系统的干扰简介

要解决单片机控制系统的干扰问题，必须对多方了解干扰的类型、来源，并结合控制者深厚的理论基础以及多年的实践来给予可行的建议，付诸于实验检验。单片机控制系统的开发需要多种专业的知识理论，其系统包含数字电路和模拟电路部分，因此受干扰因素比较复杂。

干扰类型分为外部干扰和内部干扰两种，外部干扰是由空间、温度、磁场、湿度等外界环境引起的空间感应干扰、地电位波动干扰等干扰；内部干扰是由系统本身的设计或分布电容、分布电感引起的耦合等引入的干扰。

干扰的来源可以分为以下几种：①空间感应干扰。空间感应的干扰主要来源于电磁场在空间的传播。②过程通道抗干扰。过程通道是单片机控制系统的输入、输出以及单片机与其他智能装置之间进行信息传输的路径③地电位波动干扰。由于整个单片机控制系统接地线不同，它们之间存在着一定的电位差。④电源系统干扰。计算机控制系统一般由交流电网供电，电网的各种冲击、射频的波动都将会导致系统的电源电压的波动，从而对单片机控制系统造成干扰。⑤长线传输干扰。单片机控制系统的被控对象与单片机之间一般存在或长或短的距离，当信号在信号传输时传输线的终端阻抗不匹配，或者信号传输中的延时，都会对系统产生干扰。

3、硬件抗干扰技术

1）屏蔽技术。屏蔽技术能有效地抑制通过自由空间传播的电磁干扰，磁场屏蔽目的是消除或抑制直流或低频交流磁场与被干扰回路的磁耦合。对磁场进行屏蔽主要采取方法：采用高磁导率材料的屏蔽体、反向电流或涡流实现磁屏蔽；强磁场的屏蔽可以采用双层屏蔽结构；磁场的屏蔽，以吸收衰减为主。

2）接地技术。单片机控制系统的接地作用基本有三点：一，保护人身安全以及防止设备损坏事故；二，不是噪声电压形成地环路，抑制干扰；三，建立一个基准电压，以保证单片机系统控制的稳定正常的工作。

3）供电电源配置。对于一个完整的单片机控制系统来讲，电源模块的稳定可靠是系统稳定运行的前提和基础。常见的电源干扰有：：电源线中的高频干扰、感性负载产生的瞬变噪声、晶闸管通断时所产生的干扰、电网电压的短时下降干扰。电源抗干扰的基本方法有：通过在电感线圈两端并联吸收网络或采用无触点开关代替有触电开关来消除系统中的电磁干扰源；采用分类供电、掉电保护装置、蓄电池、在线UPS不间断等方法来提高电源质量等。

4）硬件滤波技术。单片机控制系统在进行数据采集和数据输入等的过程中，经常会受到外部内部的干扰，当受到过多干扰时，其系统甚至无法正常工作。所以需要用到滤波器，常见的滤波电路有无源滤波器、有源滤波器、信号滤波器以及随着计算机发展而出现的数字滤波器（即软件滤波器）。

5）隔离技术。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。该方法可用于抑制尖峰脉冲干扰、共模干扰、电源系统干扰和过程通道干扰。一般工业应用的单片机控制系统采用的隔离措施有：光电隔离、继电器隔离和变压器隔离等。

6）布线抗干扰技术。单片机控制系统的印制电路板的选择大小要适中，且要求布线合理，还应满足抗干扰技术的要求。将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，尽量保证传输信号损失小，波形不失真，系统电路间的耦合降低到最小。

4、软件抗干扰技术

1）指令冗余技术。当CPU受到干扰陷入死循环，可能引起程序混乱，这时候应将系统步入正轨，也就是用到指令冗余技术。此技术可以基本解决确定性干扰，当程序弹飞到某一条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令的错误，而取而代之的是自动纳入正轨。

2）软件陷阱技术。所谓软件陷阱，就是一条引导指令，它强行将捕获到的程序引向一个指定的地址，去运行一段程序出处理程序，使程序运行处于正常化。如果把这段程序的地址称为ERROR，一旦程序运行出错，PC指针落到这些位置，则可有效地捕捉到使之回到正常的程序运行。软件陷阱在EPROM容量允许的情况下多多益善。

3）程序运行监视器。程序运行监视系统又称看门狗技术，当程序受到干扰失控或进入死循环时，当定时时间到但系统不能刷新的情况下，定时器会中断，返回起始程序或使单片机复位。看门狗技术大概有以下几种：单稳态型看门狗、计数器型看门狗、微处理器监控定时器型看门狗。

4）输入输出数字量的软件抗干扰。各类干扰对系统主要分布在输入、输出以及系统内核部分。所以要对输入输出数字量进行抗干扰修复。而采用软件方法及灵活又经济，是最适合的方法。

输入数字量中的干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，可以通过重复采集的方法，将随机干扰引起的虚假输入状态信号滤除掉。还可以建立反馈检测通道来确定输出结果的正确性。

5）数字滤波技术。数字滤波技术可分为递归型滤波器与非递归型滤波器。常用的数字滤波法有：程序判断滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、防脉冲干扰平均值滤波法和一阶滞后滤波法等方法。其技术是在计算机技术迅猛发展的基础上发展的软件滤波器，它可以滤除夹杂在数字信号中的干扰信号。

5、结束语

综上所述，可靠性以及抗干扰技术对单片机控制系统十分重要，运用者需要有刻苦学习的决心，多方了解自动控制技术知识，强化理论运用，注重实践。在实践中积累经验，寻找更方便快捷安全可靠的技术支持，以便不断改进单片机控制系统，使其能跟上信息化社会的步伐，更好地为自动控制工业服务。