淺談單片機控制系統的可靠性

呂虎

[摘要]單片機控制系統是以計算機為基礎的控制系統，在自動化逐漸發展的今天，單片機控制系統越來越受到重視。想更好的運用單片機控制系統不僅要注重理論也要實踐相結合，下文就以多年的經驗作保障介紹了單片機控制系統的設計以及容錯性抗干擾性，并給出切實可行的措施，希望使其能更好地為自動控制行業做貢獻。

[關鍵詞]單片機控制系統；設計；抗干擾

單片機是單片微型計算機的簡稱，是一種典型的嵌入式微控制器。具有體積小、簡單可靠、功耗低、精確度高等優點，為工業應用以及軟件開發帶來了便利。它所被應用的領域廣泛，在儀表儀器，家用電器、醫用設備甚至高端領域都有涉及。單片機控制系統的硬件具有抗干擾技術，使單片機控制系統的工作更加穩定。下文不僅介紹了抗干擾技術，更提出了可行的建議，以便大家參考。

1、規范合理的系統設計和容錯設計

單片機控制系統對電機的控制與運動精度要求較高，所以綜合了多種因素考慮選擇了步進電機為動力執行元件。而容錯設計是最重要的設計，接地、濾波等都是可靠性與容錯性的設計，但是這類硬件極其復雜。并且過度引入硬件，會出現電路板老化、引出新噪音以及增加成本等缺點。整個系統的可靠性和穩定性全由節點智能模塊決定，而各節點智能模塊具有獨立工作能力并受控于前置計算機，控制中心可以完整整個控制工作，以便提供準確及時的數據信息。

容錯設計就是對故障予以容忍的設計。因為單片機控制系統故障或出錯是客觀存在的，容錯設計就是解除系統故障或出錯影響措施。實施的方法是投入超常規設計所需要的資源，以換取更高的系統可靠性。

2、單片機控制系統的干擾簡介

要解決單片機控制系統的干擾問題，必須對多方了解干擾的類型、來源，并結合控制者深厚的理論基礎以及多年的實踐來給予可行的建議，付諸于實驗檢驗。單片機控制系統的開發需要多種專業的知識理論，其系統包含數字電路和模擬電路部分，因此受干擾因素比較復雜。

干擾類型分為外部干擾和內部干擾兩種，外部干擾是由空間、溫度、磁場、濕度等外界環境引起的空間感應干擾、地電位波動干擾等干擾；內部干擾是由系統本身的設計或分布電容、分布電感引起的耦合等引入的干擾。

干擾的來源可以分為以下幾種：①空間感應干擾。空間感應的干擾主要來源于電磁場在空間的傳播。②過程通道抗干擾。過程通道是單片機控制系統的輸入、輸出以及單片機與其他智能裝置之間進行信息傳輸的路徑③地電位波動干擾。由于整個單片機控制系統接地線不同，它們之間存在著一定的電位差。④電源系統干擾。計算機控制系統一般由交流電網供電，電網的各種沖擊、射頻的波動都將會導致系統的電源電壓的波動，從而對單片機控制系統造成干擾。⑤長線傳輸干擾。單片機控制系統的被控對象與單片機之間一般存在或長或短的距離，當信號在信號傳輸時傳輸線的終端阻抗不匹配，或者信號傳輸中的延時，都會對系統產生干擾。

3、硬件抗干擾技術

1）屏蔽技術。屏蔽技術能有效地抑制通過自由空間傳播的電磁干擾，磁場屏蔽目的是消除或抑制直流或低頻交流磁場與被干擾回路的磁耦合。對磁場進行屏蔽主要采取方法：采用高磁導率材料的屏蔽體、反向電流或渦流實現磁屏蔽；強磁場的屏蔽可以采用雙層屏蔽結構；磁場的屏蔽，以吸收衰減為主。

2）接地技術。單片機控制系統的接地作用基本有三點：一，保護人身安全以及防止設備損壞事故；二，不是噪聲電壓形成地環路，抑制干擾；三，建立一個基準電壓，以保證單片機系統控制的穩定正常的工作。

3）供電電源配置。對于一個完整的單片機控制系統來講，電源模塊的穩定可靠是系統穩定運行的前提和基礎。常見的電源干擾有：：電源線中的高頻干擾、感性負載產生的瞬變噪聲、晶閘管通斷時所產生的干擾、電網電壓的短時下降干擾。電源抗干擾的基本方法有：通過在電感線圈兩端并聯吸收網絡或采用無觸點開關代替有觸電開關來消除系統中的電磁干擾源；采用分類供電、掉電保護裝置、蓄電池、在線UPS不間斷等方法來提高電源質量等。

4）硬件濾波技術。單片機控制系統在進行數據采集和數據輸入等的過程中，經常會受到外部內部的干擾，當受到過多干擾時，其系統甚至無法正常工作。所以需要用到濾波器，常見的濾波電路有無源濾波器、有源濾波器、信號濾波器以及隨著計算機發展而出現的數字濾波器（即軟件濾波器）。

5）隔離技術。隔離的實質是把引進的干擾通道切斷，從而達到隔離現場干擾的目的。該方法可用于抑制尖峰脈沖干擾、共模干擾、電源系統干擾和過程通道干擾。一般工業應用的單片機控制系統采用的隔離措施有：光電隔離、繼電器隔離和變壓器隔離等。

6）布線抗干擾技術。單片機控制系統的印制電路板的選擇大小要適中，且要求布線合理，還應滿足抗干擾技術的要求。將微弱信號電路與易產生噪聲污染的電路分開布線，盡量保證傳輸信號損失小，波形不失真，系統電路間的耦合降低到最小。

4、軟件抗干擾技術

1）指令冗余技術。當CPU受到干擾陷入死循環，可能引起程序混亂，這時候應將系統步入正軌，也就是用到指令冗余技術。此技術可以基本解決確定性干擾，當程序彈飛到某一條單字節指令上時，就不會發生將操作數當成指令的錯誤，而取而代之的是自動納入正軌。

2）軟件陷阱技術。所謂軟件陷阱，就是一條引導指令，它強行將捕獲到的程序引向一個指定的地址，去運行一段程序出處理程序，使程序運行處于正常化。如果把這段程序的地址稱為ERROR，一旦程序運行出錯，PC指針落到這些位置，則可有效地捕捉到使之回到正常的程序運行。軟件陷阱在EPROM容量允許的情況下多多益善。

3）程序運行監視器。程序運行監視系統又稱看門狗技術，當程序受到干擾失控或進入死循環時，當定時時間到但系統不能刷新的情況下，定時器會中斷，返回起始程序或使單片機復位。看門狗技術大概有以下幾種：單穩態型看門狗、計數器型看門狗、微處理器監控定時器型看門狗。

4）輸入輸出數字量的軟件抗干擾。各類干擾對系統主要分布在輸入、輸出以及系統內核部分。所以要對輸入輸出數字量進行抗干擾修復。而采用軟件方法及靈活又經濟，是最適合的方法。

輸入數字量中的干擾信號多呈毛刺狀，作用時間短，可以通過重復采集的方法，將隨機干擾引起的虛假輸入狀態信號濾除掉。還可以建立反饋檢測通道來確定輸出結果的正確性。

5）數字濾波技術。數字濾波技術可分為遞歸型濾波器與非遞歸型濾波器。常用的數字濾波法有：程序判斷濾波法、中位值濾波法、算術平均濾波法、遞推平均濾波法、防脈沖干擾平均值濾波法和一階滯后濾波法等方法。其技術是在計算機技術迅猛發展的基礎上發展的軟件濾波器，它可以濾除夾雜在數字信號中的干擾信號。

5、結束語

綜上所述，可靠性以及抗干擾技術對單片機控制系統十分重要，運用者需要有刻苦學習的決心，多方了解自動控制技術知識，強化理論運用，注重實踐。在實踐中積累經驗，尋找更方便快捷安全可靠的技術支持，以便不斷改進單片機控制系統，使其能跟上信息化社會的步伐，更好地為自動控制工業服務。