淺談單片機在工業領域中的抗干擾問題

【摘要】隨著電子技術的不斷發展，抗干擾也成為設計電子電路時必須考慮的問題之一，本文闡述了對單片機在工業領域中抗干擾的一些經驗匯總。

【關鍵詞】單片機；抗干擾；指令冗余；攔截技術

一、工業現場中主要的干擾源

（1）電源對單片機的干擾。由于單片機電路通過電源電路接到電網，所以電網的噪聲可以通過電源電路干擾竄進單片機線路，這是單片機電路受干擾的主要原因之一。單片機系統中最主要并且危害最嚴重的干擾源也來自電源的污染。工業發展越迅速，電源的污染越嚴重。許多文獻認為，電網電源的抗干擾措施完善了，單片機和電子電路的抗干擾問題就解決了一半。由此可見抑制電源干擾的重要性。電源干擾可以從以下幾種情況來詳細考慮：第一種情況，通過電源變壓器的耦合。由于變壓器的初級線圈靠得很近，這兩部分間的分布電容通常有數百PF。這種分布電容不僅電容量大，而且有十分好的頻率特性，對高頻噪聲有很低的阻抗；第二種情況，電源本身的過壓、欠壓、停電等故障引起的電源的噪聲。任何電源及輸電線都存在內阻，正是這些內阻引起電源的噪聲干擾。第三種情況，浪涌、下陷、尖峰電壓與其它電源干擾。大功率設備在接通瞬間需要很大的啟動電流，并可持續幾百毫秒，從而在輸電線路內阻上將產生很大的壓降，這是電網中產生電壓瞬變（浪涌、下陷）的主要原因。這些噪聲迭加在正弦交流電壓上沿線路傳輸，在所到之處引起干擾，如果幅度過大，會毀壞設備。（2）高頻設備對單片機的干擾。高頻設備在運行過程中高速的進行開關的切換時，產生大量耦合性噪聲。此外變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載，它所產生的諧波會對同一電網的其他電子、電氣設備產生諧波干擾。（3）感性負載對單片機的干擾。在電力拖動控制系統中，接通或分斷感性負載（比如電機、交流接觸器線圈等）是一種常見的控制動作。在感性負載的通斷過程中，其觸點都會產生較大的電弧。這種電弧放電產生一種很強的電磁干擾，這給單片機的工作帶來非常嚴重的影響。

二、C51單片機抗干擾的措施

C51單片機的抗干擾措施主要分為兩大類，硬件抗干擾和軟件抗干擾。（1）繼電器線圈增加續流二極管，消除斷開線圈時產生的反向電動勢干擾。（2）在繼電器接點兩端并接火花抑制電路（一般用RC串聯電路），減少電火花的影響。（3）給電機加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。（4）可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產生的噪聲。（5）外殼接大地，解決人身安全及防外界電磁場干擾。（6）如果單片機的I/O口用來控制電機等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應加隔離。（7）注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區隔離起來，晶振外殼接地并固定。（8）單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減少相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。（9）布線時，電源線和地線要盡量粗。除減少壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。（10）對單片機使用電源監控及看門狗，如IMP809、IMP706、IMP813、X5043等可大幅度提高整個電路的抗干擾性能。（11）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數字電路。（12）IC器件盡量直接焊接在電路板上，少用IC座。（13）印刷電路板上每個IC的電源端要并接一個0.01μF～0.1μF高頻電容，以減小電源對IC的影響。常見的軟件抗干擾措施有以下兩種：一是指令冗余。CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數。當PC受干擾出現錯誤，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當亂飛到某雙字節指令，若取指令時刻落在操作數上，誤將操作數當作操作碼，程序將出錯。若“飛”到了三字節指令，出錯幾率就更大了。在關鍵地方人為插入一些單字節指令，或將有效單字節指令重寫稱為指令冗余。通常是在雙字節指令和三字節指令后插入兩個字節以上的NOP。這樣即使亂飛的程序飛到操作數上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當做操作數執行，程序自動納入正軌。此外，對系統流向起重要作用的指令如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP，也可將亂飛程序納入正軌，確保這些重要指令的執行。二是攔截技術。所謂攔截，是指將亂飛的程序引向指定位置，再進行出錯處理。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序。因此要合理設計陷阱，其次要將陷阱安排在適當的位置。當亂飛程序進入非程序區，冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進行出錯處理。軟件陷阱是指用來將捕捉的亂飛程序引向復位入口地址0000H的指令。

電子電路中抗干擾是一門很大的學問，在工業生產領域中時時刻刻都會存在不同的干擾現象出現，為確保正常的生產加工，我們就需要掌握不同抗干擾的解決措施，這樣在工業生產領域中才能更有效率的發揮單片機的作用。

參考文獻

[1]蔡美琴．《MSC-51系列單片機系統及其應用》

[2]孫育才．《單片機原理及其應用》