关于单片机软硬件的抗干扰设计技术的探讨与分析

林仲景

【摘 要】本文简要分析了单片机应用系统受干扰的来源及被干扰的后果，分别从软件、硬件两方面，探讨关于此系统的抗干扰设计技术，望能为此领域研究有所借鉴。

【关键词】单片机；软件；硬件；抗干扰技术

单片机凭借其自身优良的性价比，在多领域得到广泛应用。针对通讯、医疗器械及工业控制等领域，对单片机可靠性有着越来越高的要求。而伴随单片机应用途径及种类的日益增多，其功能也变得越发完善，硬件设计日益简单。在实验室中设计的控制系统，其在完成安装与调试后，与设计要求相符，但若将其用于现场，系统经常难以正常、稳定的工作。造成此状况的原因有许多，而主要原因使各种电磁干扰与现场环境复杂等，因此，应重视单片机应用系统的抗干扰技术设计。

一、干扰的来源及后果

在各种工业现场环境中，干扰乃是以脉冲方式进至单片机系统的，归结其渠道，主要有3条，分别为过程通道干扰、供电系统干扰与空间干扰。针对空间干扰来讲，在高频电磁场、大电流及高电压附近比较多见，多经电磁感应、静电感应而侵入到系统内部；针对供电系统感染而言，其主要通过电源的噪声干扰所致；而对于过程通道干扰，从本质上来讲，就是干扰经后向或前向通道进系统。另外，如果所配置的接地系统运作不可靠，同样会形成干扰；输入、输出线路的绝缘损坏，也易引入干扰。干扰所造成的后果为：（1）增大数据采集误差。若单片机系统的前向通道有干扰侵入，并且叠加于信号上，便会增大数据采集误差，尤其是前向通道设置的是小电压信号输入的传感器接口，受干扰现象便会更为严重。（2）程序运行失常。首先，控制状态失灵。在整个单片机系统体系中，因有加入有干扰，因而会增大输出的误差，导致逻辑状态出现异常性改变，最终造成控制失常。其次，死机。如果单片机受到的是强干扰，那么会改变程序计数器的PC值，进而对程序的正常运行造成破坏。（3）系统被控对象出现误操作。单片机内部程序指针指向了其它方向，运行错误程序；在RAM中，部分数据会被冲乱，或者是一些特殊寄存器的值被异常性改变，使得程序计算出并不准确的结果。

二、系统硬件抗干扰设计

（1）供电系统。其一，避免干扰从电源系统进入，可以根据实际情况，采取交流稳压器，以此来确保供电的整体稳定性，避免电源出现欠压、过压等情况。另外，还可以运用隔离变压器，将高频噪过滤掉，另用低通滤波器，将工频干扰滤掉。其二，运用开关电源为系统提供充足功率余量，在主机部分，可专门设置稳压电路，还可以采用DC-DC模块将输入、输出供电隔离，最大程度避免各部分之间的干扰。（2）输入、输出干扰的抑制。其一，输入、输出信号加装光电耦合器用于隔离，可把前向通道、后向通道与主机部分之间的电路联系部分切断，这样便能够一定程度的预防干扰进至主机系统。其二，终端阻抗与双绞线传输匹配。当数字信号需要进行长线传输时，通过双绞线的利用，能够较好的抑制噪声干扰。还可以联用于光电耦合器。于接收与发送信号端，需要设置有末端电阻，双绞线需匹配于阻抗。（3）屏蔽。针对易被干扰或会产生干扰的部件，可用金属盒施加屏蔽，促使干扰电磁波能够短路接地。（4）提升器件驱动能力。通常情况下，1个TTL能够推动10几个CMOS或者是8个TTL，而1个CMOS则可以推动20多个CMOS或者1～2个TTL。若存在过重的输出负载，那么会使输出电平降低，使电平低于被驱动器件的输入门槛电平，进而导致系统不稳。（5）提升元器件可靠性。首先，运用质量好、可靠度高的电子元件，并开展严格、系统化测试与筛选。其次，在实际设计中，所设计的元件技术参数需有一定余量。最后，提升组装与印制板质量。（6）运用双机冗余设计。对于严格要求控制系统可靠性的场合，可以选用双机冗余，这能够一定横渡提升系统抗干扰能力。所谓双机冗余，从本质上来讲，即为执行同一控制任务，可以由2个单片机来进行，分别是从机与主机。通常，主机控制三总线，并控制整个系统，此时，从机保持待机状态，若主机因某种原因出现误动作状况，此时的仲裁器便会立即判别条件，如果认定是主机程序混乱，那么会将主机总线控制权及时切断，唤醒从机，进而替代主机，实施处理与控制操作。

三、软件的抗干扰设计

（1）数据采集误差的软件措施。其一，运用软件滤波算法，可以将从输入信号干扰而造成的部分输出控制錯误给过滤掉。常用方法有中值法、比较舍取法、算数平均值法等。在实际运用中，究竟选何种方法，须依据信号实际变化情况，酌情予以选择。其二，对于那些关键数据，则可选用软件冗余技术，也就是给数据增加冗余位，检错与纠错数据。一般选用的方法为循环码校验、海明码及奇偶校验等。（2）程序运行失控的软件策略。首先，指令冗余。针对MCS-51系列单片机来讲，其多为单字节指令，如果在其上有出错的程序，此时出错的程序便能够自动转入正规；如果落于多字节指令的操作数，那么此时的程序便会继续出错，因此，在对程序流向起到关键性作用的指令前，将2条NOP指令插入，恢复被弹飞的指令。其次，设置程序指令陷阱。通过设置软件陷阱，能够及时捕获出错的程序，且将出错程序强行引入。在安排软件陷阱时，可将其设置在如下地方：①还没有使用的中断向量区。干扰能够开放没有使用的中断，并且将其激活，而通过将软件陷阱设置在此些地方，便能够及时对错误中断进行捕获。②还未曾使用的ROM空间。将陷阱分隔设置其中，可以捕获弹飞于此区域的出错程序。③表格。将软件陷阱安装于EPROM中的表格后，能够较好的预防软件弹飞。④程序区。针对一般性程序而言，其无法任意安排软件陷阱，但如在正常程序当中，会存在一些跳转指令，而将软件陷阱设置在此些指令后，便能够将弹飞至跳转指令的操作数上的出错程序捕获到。

四、结语

综上，在整个单片机应用系统中，抗干扰技术设计为其重要构成，通过软件与硬件抗干扰技术的高质量、合理化运用，能够最大限度的避免系统受外界干扰，即使受到外界干扰，但干扰后仍能使系统恢复至原先正常运行状态，因而能够保障系统长久、高质量工作。

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