单片机控制系统的抗干扰设计的研究

于 淼，王巧梭

（1.河北省海警支队，河北 秦皇岛 066000；2.河北建材职业技术学院，河北 秦皇岛 066004）

随着计算机技术和微电子技术的高速发展，计算机控制技术得到了迅猛发展。尤其是单片机（MCU）控制系统在工业生产和日常生活中的智能机电产品中得到了广泛的应用。在单片机控制系统的设计和开发中，不仅要突出控制系统的智能化程度，还必须重视控制系统的可靠性，否则将会影响控制系统的使用性能，因此，有必要对抗干扰技术进行研究。

1 单片机控制系统概述以及抗干扰设计的重要性

单片机控制系统包括通信技术、计算机技术、自动控制技术等多项技术。这些技术形成了一个单片机控制系统，实现了自动化和智能化，使操作更方便，也提高了生产力。单片机控制系统广泛应用于电气工业、化工等行业，工作条件十分恶劣。受自然条件和外界环境的影响，单片机被电磁干扰，会影响其信号的有效接收。这种类型的电磁场主要是由于暴露在相应的电磁设备中，不仅会干扰信号接收，还会导致软件和硬件的运行错误。因此，由于单片机控制系统和运行环境的复杂，需要增加单片机设计的抗干扰性能。由于实际运行环境非常复杂，优先找到干扰源是解决问题的关键所在，明确产生干扰的实际原因，才能最大程度地降低干扰，提高单片机控制系统的运行水准。单片机控制系统的可靠性是毋庸置疑的，它的软件性能、硬件性能和先进的技术集成都确保了单片机控制系统的有效性。另外，系统可以在困难的条件下工作，也有自身的优势，这就是单片集成电路在合理性和科学性方面的优势。然而，并非每个系统都是可靠的，可能会发生一些错误，这可以通过特定的设计或错误保护措施来缓解。如果忽视它的缺点，就会对系统的实际运行产生一定程度的不利影响，进而影响系统的有效运行。环境对单片机系统有重大影响，为了确保系统的可行性，需要从科学的角度来开发抗干扰系统。

2 系统受到干扰的主要原因和现象

单片机控制系统工作环境十分恶劣，实际应用期间，经常会遇到系统可靠性与安全性问题。单片机控制系统应用一定要在可靠稳定的环境下进行，否则，很容易增加控制误差，情况严重的还会使得系统失灵。因单片机控制系统运行时间较长，即便是微小误差，随着日积月累，也容易引起系统失灵，最终导致严重损失[1]。单片机控制系统受干扰主要表现在以下几个方面。

2.1 数据采集误差

随着测量单元模拟信号输入通道在采集的信号上的叠加，数据准确性不断下降，这一点在传感器输出微弱信号期间，尤为明显。

2.2 控制状态

输出控制信号和某种状态下的输入信号及逻辑处理结果密切相关。若上述状态信号被干扰，虚假状态信号就会被引进，从而导致输出控制误差越来越多，最终导致控制失控。

2.3 干扰状态下的数据变化

单片机控制系统中，RAM内存能进行读/写，因此，基于这一环境，很容易篡改RAM中的数据。在单片机系统中，程序存储器中包含程序、表和常量[2]，这些可以防止系统受到外界干扰。但就内部RAM而言，可通过改变外部干扰来更新内部数据。结合干扰通道情况，内部数据性质也存在明显差异，相应地导致的系统损伤也不一样。引起错误数据的原因，主要包含控制失败，程序状态改变，组件状态改变等。

2.4 程序运行发生异常

单片机控制系统中程序计数器合理运行，可以确保系统程序正常。若由于外部干扰，导致计数器数值变化，很容易对正常程序造成破坏。一般来讲，程序多会执行系列指令，这些指令多半是无意义的，随后进到“死循环”，这一过程常常会导致系统故障。

3 硬件系统可靠性设计

单片机应用可靠性技术和生产过程密切相关，具体像设计、制造、测试、安装、维护等方面，另外还和生产管理、质量控制体系、人员专业水平等方面有关。导致系统运行不稳的因素主要有以下几点。

3.1 电子元件性能与可靠性组成

电子元器件作为系统基本单元，其质量与稳定性会对系统性能与可靠性产生影响[3]。为了确保硬件系统合理可靠，有必要做好设计工作。所以具体设计期间，为了保证元件可靠性，应先选用元器件，确保其满足稳定性与高精度水平要求。在微电子技术发展中，电子元器件可靠性逐渐提升。硬件抗干扰技术是系统设计首选的抗干扰措施，能有效抑制干扰源，阻断干扰的传输信道。

3.2 系统设计

电路设计期间，应合理布局元件与电路，消除元件间电磁干扰，做好电路设计优化工作，可以有效控制外部干扰在系统方面产生的影响，例如平衡和去耦电路。冗余也称为容错或故障屏蔽，也可以作为一种设计方法，通过增加执行相同功能的并行或备用单元来提高系统可靠性。当某些组件故障不影响整个系统的运行时，为了减少外部电磁干扰，电磁兼容性设计可用于改善电磁环境下的单片机系统，确保指定功能顺利完成。一般情况下，主要抗电磁干扰硬件措施包含去耦电路，屏蔽、有滤波、接地等技术。

3.3 使用时钟低频单片机

一般来讲，外时钟身为高频噪声源，既会干扰外界，还会干扰系统硬件电路。为了减少噪声干扰，可以优选低频率单片机，便于提升单片机控制系统抗干扰性。对于不同公司而言，单片机外时钟存在较大差异，例如，ATMAL公司使用的外时钟是6 MHz，MOTOROLA公司使用的单片机外时钟是4 MHz。

3.4 输入、输出隔离

隔离状态中输入与输出，能阻断信号干扰，此时强电流难以冲击回路[4]。单片机控制系统设计期间，使用的隔离方法包含继电器隔离、光电隔离、变压器隔离。若输出与输入信号处在隔离情况下，很难传递直流分量，该方法多针对不传递直流分量输入、输出控制设备。此外，光电耦合器结构相对简单，常常被应用在工业生产信号输入与输出隔离信号中。

3.5 屏蔽技术和去耦电路

为防止电子设备朝外敷设干扰电磁波，减少电子设备干扰，可使用如下屏蔽技术，例如，噪声源大开关电源，借助双重屏蔽，即可保护开关电源。数字信号电平转换期间，产生电流冲击很大，传输线与供应电源内阻将产生很大压降，其会干扰电路正常运行。为合理抑制干扰，在电源电路与数字信号处理期间合理应用去耦电容，即可变为去耦电路，减少集成电路带来的干扰。

3.6 印刷电路板设计

电路板元器件布置期间，应结合其功能合理布置，加上不同模块对应电源与地线相连，然后云集在一点进行连接。为了得到最佳抗干扰成效，应在外围一同布设单片机和电路，减少二者间总线长。逻辑电路设计期间，为了减少公共阻抗与辐射耦合，隔离变压器与光电耦合器需放置接近端子位置，避免相邻信号线的线间干扰。电路板线路布置期间，电路板铜模线应尽量使用45°折线，设计者应按照粗地线与电源线，电流和信号流向相同的原则，以减少信号在传输导线上的延迟。

3.7 选择优质组件

因单片机控制系统运行常常受到外界环境影响，为防止影响系统设备，最终引起系统故障，设计系统期间应选择优质产品，特别像晶振与RAM等组件，便于在提升系统抗干扰性期间，保证系统控制可靠性与精度。此外，高性能CMOS器件，可以提升噪声容限，而测量放大器则能合理抑制共模带来的干扰。

4 软件系统防干扰设计

软件是区分计算机系统和其他电子设备的主要结构。做好软件编制工作，能全面提升系统可靠性。常用的软件措施有信息冗余技术和自动故障检测与诊断技术，主要有以下几个方面。

4.1 存储空间冗余技术

应用单片机控制系统期间，加强信息维护与数据保存，可以有效提升系统可靠性。为了避免系统丢失，常常需要对重要数据与文件进行多次复制，然后将其存储到不同空间内，若某个间隔下数据被损坏，系统会从其他部分进行复制，便于恢复自身所需信息。

4.2 时间冗余技术

单片机控制系统应用期间，为了提升系统可靠性，可进行重复操作，然后将结果和前期控制结果对比分析，便于验证系统操作是否正常。唯有上述两方面结果一样，方能进到下一步。若二者结果不同，可重复进行，若第三个结果和前两者相同，另一个结果多因意外引起，此时应立即将其排除。若上述三个结果都不同，则可确定为永久性硬件故障，然后继续进行检查。该方法主要是应用时间成本提升可靠性，故而也叫做时间冗余技术或重复检测技术。

4.3 自动故障检测与诊断技术

若系统复杂，为了及时检测故障设备，更换使用单元，应开展在线系统测试，然后做好系统诊断工作。该过程操作目的是确保动作与功能正常，便于第一时间找到故障位点，从而进一步减少维修时间。

4.4 软件可靠性

单片机控制系统运行软件可以实现不同功能。软件可靠性研究，即看软件是否能够真实地描述多功能。所以，对生产过程的理解和软件编写质量密切相关。为了提高软件可靠性，设计者需要深入理解生产过程，确保软件阅读方便，便于测量与修改工作开展。

4.5 失效保险技术

针对重要系统，整个系统故障应处在安全的状态。另外，还包含一些数字滤波、程序监控和故障自动恢复技术。

4.6 数字滤波

单片机系统在运行过程中，经常会出现死锁、错误操作、信息不准确等情况，十分频繁会出现程序死循环。当输入通道为模拟信号时，检测误差增大，尤其是模拟信号波较短时，难以保证数据的精准和完整。为了控制或避免数据误差，基于信号和噪声特性的噪声要求和设计方法，通过算术平均和比较折衷方法不断优化，使数字滤波器尽可能地滤除系统误差中嘈杂的输入信号。

4.7 提高RAM资料的可靠性

当设备开启或关闭时，它会在一定程度上影响CPU甚至RAM。冗余数据保护技术可用于保护RAM数据。系统恢复后，对备份RAM及其关键参数进行自检恢复，为RAM提供重要数据，确保数据有效保护，防止MCU软件误操作。由于数字输入输出对噪声敏感，可以在信号中加入一定数量的离散突发，但这种噪声不适合硬件控制，必须通过软件检测。为保护开关的输入输出端不受干扰，对单片机控制系统的抗干扰设计进行了科学可靠的改进，使其更适合不同的工作环境，确保更方便的公共生产服务与生活。

5 单片机控制系统的抗干扰对策

5.1 加强系统分析

对于单片机控制系统自身来说，抗干扰工作不仅不能达到预期的效果，而且即使单独使用常规的方法也会出现很多问题。在开发干扰保护时，要从系统分析的角度入手，选择合适的工具和策略。考虑到单片机控制的不同工作环境和不同边界条件，有必要进行详细的分析，作为对未来工作的额外帮助和指导。无论是对一个研究问题，还是对系统的全面调查，都可以使整个系统更加稳定。其次，检查全部的干扰源或动态因素，充分考虑抗干扰系统设计，分析单片机控制系统，完善抗干扰系统。

5.2 数字输入端的噪声抑制

抗干扰设计必须来自硬件，而单片机控制系统的良好性能与硬件本身息息相关，因此，设备维护不当会产生负面影响。数字输入端的降噪设施可以提供全方位的降噪功能，为系统的未来发展开拓更广大的空间。在输入端，RC滤波器时间常数大于最大脉冲宽度，小于信号宽度，这意味着可以在不损失信号的情况下抑制噪声。在输入端加一个上拉电阻来提高电源电压，可以提高输入电平，提高输入的稳定性[5]。为了提高对低电平输出信号的抗扰度，可以降低信号源内阻，即采用增益为1的电压跟随器来提高单片机控制的效率系统。

5.3 外围扩展存储器的抗干扰

调试单片机控制系统必须以多种模式进行。引入单一技术可以防止短期业务中断，但无助于长期发展。外设可扩展内存干扰抑制是单片机控制系统中不可或缺的构成要件。首先，数据线、地址线和控制线应当较短，以减少对地电容。尤其要考虑每条地址线的长度，连接方式尽量统一，避免每条线的阻抗与进入端口的地址信号波形产生过大的差异。在传输过程中，异步控制信息因此受到干扰。其次，由于负载电流大，电源线和地线要按需求加粗。同时，电路板两侧的三条母线相互成直角排列，以避免母线间产生电磁干扰。

5.4 软件抗干扰

单片机控制系统的抗干扰性能不仅需要硬件投资，还需要用软件进行科学编程。抗干扰软件在当前的现实情况中越来越受到重视。为了推进工作，有必要完善抗干扰软件系统。比如，选择软件过滤算法可以改进抗干扰设计系统。这种方法可以滤除输入信号中由噪声引起的大部分采样误差。目前，普遍使用的手段是算术平均法、比较法、中值法和一阶递归数字滤波法。因此，软件降噪可以更好地匹配硬件降噪，确保单片机控制系统的合理性和可靠性。

6 单片机控制系统抗干扰设计的发展趋势

现代单片机控制抗干扰系统的开发取得了一些进展。未来单片机抗干扰系统的设计问题会逐渐增多，需要坚持智能化的思路，优化抗干扰电路的设计和状态，构建单片机多模控制系统。单片机控制的干扰抑制系统涉及内容必须更广泛，结合其他技术电路或其他边界条件，正确的设计可以减少问题的发生。

7 单片机控制系统抗干扰设计的注意事项

抗干扰单片机控制器设计已成为行业发展的重要组成部分。为保证系统的安全性和可靠性，必须考虑以下几个方面：1）早期开发单片机防抱死制动系统控制系统，提高可靠性，消除防抱死制动系统的故障。在设计单片机控制系统时，需要对各种干扰源及其强度、损耗进行深入研究和分析。2）单片机抗干扰系统的设计需要改进，特别是对于一些新的干扰源，需要进行大范围的检测和分析。选择合适的方式，找出问题的最优解，即用尖端的成熟技术解决。3）单片机控制系统的抗干扰系统需要持续革新，以提高技术交流的效率。

8 结语

在单片机控制系统设计开发过程中，结合工作环境的实际应用，上述抗干扰系统设计和优化的措施和方法的使用，可以有效提高单片机系统的工作稳定性，充分体现了单片机控制系统经济性。笔者从硬件、软件两个方面探讨了一些提高抗干扰能力的方法，并在一些实际工程设计中采用，收到了良好的效果，基本解决了令人头痛的干扰问题。