淺談單片機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性

呂虎

南昌理工學(xué)院

淺談單片機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性

呂虎

南昌理工學(xué)院

單片機(jī)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，在自動(dòng)化逐漸發(fā)展的今天，單片機(jī)控制系統(tǒng)越來(lái)越受到重視。想更好的運(yùn)用單片機(jī)控制系統(tǒng)不僅要注重理論也要實(shí)踐相結(jié)合，下文就以多年的經(jīng)驗(yàn)作保障介紹了單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及容錯(cuò)性抗干擾性，并給出切實(shí)可行的措施，希望使其能更好地為自動(dòng)控制行業(yè)做貢獻(xiàn)。

單片機(jī)控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；抗干擾

單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種典型的嵌入式微控制器。具有體積小、簡(jiǎn)單可靠、功耗低、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)應(yīng)用以及軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)了便利。它所被應(yīng)用的領(lǐng)域廣泛，在儀表儀器，家用電器、醫(yī)用設(shè)備甚至高端領(lǐng)域都有涉及。單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件具有抗干擾技術(shù)，使單片機(jī)控制系統(tǒng)的工作更加穩(wěn)定。下文不僅介紹了抗干擾技術(shù)，更提出了可行的建議，以便大家參考。

1、規(guī)范合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和容錯(cuò)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的控制與運(yùn)動(dòng)精度要求較高，所以綜合了多種因素考慮選擇了步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力執(zhí)行元件。而容錯(cuò)設(shè)計(jì)是最重要的設(shè)計(jì)，接地、濾波等都是可靠性與容錯(cuò)性的設(shè)計(jì)，但是這類(lèi)硬件極其復(fù)雜。并且過(guò)度引入硬件，會(huì)出現(xiàn)電路板老化、引出新噪音以及增加成本等缺點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性全由節(jié)點(diǎn)智能模塊決定，而各節(jié)點(diǎn)智能模塊具有獨(dú)立工作能力并受控于前置計(jì)算機(jī)，控制中心可以完整整個(gè)控制工作，以便提供準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)信息。

容錯(cuò)設(shè)計(jì)就是對(duì)故障予以容忍的設(shè)計(jì)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)故障或出錯(cuò)是客觀存在的，容錯(cuò)設(shè)計(jì)就是解除系統(tǒng)故障或出錯(cuò)影響措施。實(shí)施的方法是投入超常規(guī)設(shè)計(jì)所需要的資源，以換取更高的系統(tǒng)可靠性。

2、單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾簡(jiǎn)介

要解決單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾問(wèn)題，必須對(duì)多方了解干擾的類(lèi)型、來(lái)源，并結(jié)合控制者深厚的理論基礎(chǔ)以及多年的實(shí)踐來(lái)給予可行的建議，付諸于實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。單片機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要多種專(zhuān)業(yè)的知識(shí)理論，其系統(tǒng)包含數(shù)字電路和模擬電路部分，因此受干擾因素比較復(fù)雜。

干擾類(lèi)型分為外部干擾和內(nèi)部干擾兩種，外部干擾是由空間、溫度、磁場(chǎng)、濕度等外界環(huán)境引起的空間感應(yīng)干擾、地電位波動(dòng)干擾等干擾；內(nèi)部干擾是由系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)或分布電容、分布電感引起的耦合等引入的干擾。

干擾的來(lái)源可以分為以下幾種：①空間感應(yīng)干擾。空間感應(yīng)的干擾主要來(lái)源于電磁場(chǎng)在空間的傳播。②過(guò)程通道抗干擾。過(guò)程通道是單片機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出以及單片機(jī)與其他智能裝置之間進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂舰鄣仉娢徊▌?dòng)干擾。由于整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)接地線(xiàn)不同，它們之間存在著一定的電位差。④電源系統(tǒng)干擾。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般由交流電網(wǎng)供電，電網(wǎng)的各種沖擊、射頻的波動(dòng)都將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的電源電壓的波動(dòng)，從而對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)造成干擾。⑤長(zhǎng)線(xiàn)傳輸干擾。單片機(jī)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象與單片機(jī)之間一般存在或長(zhǎng)或短的距離，當(dāng)信號(hào)在信號(hào)傳輸時(shí)傳輸線(xiàn)的終端阻抗不匹配，或者信號(hào)傳輸中的延時(shí)，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

3、硬件抗干擾技術(shù)

1）屏蔽技術(shù)。屏蔽技術(shù)能有效地抑制通過(guò)自由空間傳播的電磁干擾，磁場(chǎng)屏蔽目的是消除或抑制直流或低頻交流磁場(chǎng)與被干擾回路的磁耦合。對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽主要采取方法：采用高磁導(dǎo)率材料的屏蔽體、反向電流或渦流實(shí)現(xiàn)磁屏蔽；強(qiáng)磁場(chǎng)的屏蔽可以采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)；磁場(chǎng)的屏蔽，以吸收衰減為主。

2）接地技術(shù)。單片機(jī)控制系統(tǒng)的接地作用基本有三點(diǎn)：一，保護(hù)人身安全以及防止設(shè)備損壞事故；二，不是噪聲電壓形成地環(huán)路，抑制干擾；三，建立一個(gè)基準(zhǔn)電壓，以保證單片機(jī)系統(tǒng)控制的穩(wěn)定正常的工作。

3）供電電源配置。對(duì)于一個(gè)完整的單片機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)講，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。常見(jiàn)的電源干擾有：：電源線(xiàn)中的高頻干擾、感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬變?cè)肼暋⒕чl管通斷時(shí)所產(chǎn)生的干擾、電網(wǎng)電壓的短時(shí)下降干擾。電源抗干擾的基本方法有：通過(guò)在電感線(xiàn)圈兩端并聯(lián)吸收網(wǎng)絡(luò)或采用無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)代替有觸電開(kāi)關(guān)來(lái)消除系統(tǒng)中的電磁干擾源；采用分類(lèi)供電、掉電保護(hù)裝置、蓄電池、在線(xiàn)UPS不間斷等方法來(lái)提高電源質(zhì)量等。

4）硬件濾波技術(shù)。單片機(jī)控制系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸入等的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)受到外部?jī)?nèi)部的干擾，當(dāng)受到過(guò)多干擾時(shí)，其系統(tǒng)甚至無(wú)法正常工作。所以需要用到濾波器，常見(jiàn)的濾波電路有無(wú)源濾波器、有源濾波器、信號(hào)濾波器以及隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展而出現(xiàn)的數(shù)字濾波器（即軟件濾波器）。

5）隔離技術(shù)。隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)的干擾通道切斷，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場(chǎng)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(tǒng)干擾和過(guò)程通道干擾。一般工業(yè)應(yīng)用的單片機(jī)控制系統(tǒng)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(xiàn)抗干擾技術(shù)。單片機(jī)控制系統(tǒng)的印制電路板的選擇大小要適中，且要求布線(xiàn)合理，還應(yīng)滿(mǎn)足抗干擾技術(shù)的要求。將微弱信號(hào)電路與易產(chǎn)生噪聲污染的電路分開(kāi)布線(xiàn)，盡量保證傳輸信號(hào)損失小，波形不失真，系統(tǒng)電路間的耦合降低到最小。

4、軟件抗干擾技術(shù)

1）指令冗余技術(shù)。當(dāng)CPU受到干擾陷入死循環(huán)，可能引起程序混亂，這時(shí)候應(yīng)將系統(tǒng)步入正軌，也就是用到指令冗余技術(shù)。此技術(shù)可以基本解決確定性干擾，當(dāng)程序彈飛到某一條單字節(jié)指令上時(shí)，就不會(huì)發(fā)生將操作數(shù)當(dāng)成指令的錯(cuò)誤，而取而代之的是自動(dòng)納入正軌。

2）軟件陷阱技術(shù)。所謂軟件陷阱，就是一條引導(dǎo)指令，它強(qiáng)行將捕獲到的程序引向一個(gè)指定的地址，去運(yùn)行一段程序出處理程序，使程序運(yùn)行處于正常化。如果把這段程序的地址稱(chēng)為ERROR，一旦程序運(yùn)行出錯(cuò)，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(yùn)行。軟件陷阱在EPROM容量允許的情況下多多益善。

3）程序運(yùn)行監(jiān)視器。程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)又稱(chēng)看門(mén)狗技術(shù)，當(dāng)程序受到干擾失控或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到但系統(tǒng)不能刷新的情況下，定時(shí)器會(huì)中斷，返回起始程序或使單片機(jī)復(fù)位。看門(mén)狗技術(shù)大概有以下幾種：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)型看門(mén)狗、計(jì)數(shù)器型看門(mén)狗、微處理器監(jiān)控定時(shí)器型看門(mén)狗。

4）輸入輸出數(shù)字量的軟件抗干擾。各類(lèi)干擾對(duì)系統(tǒng)主要分布在輸入、輸出以及系統(tǒng)內(nèi)核部分。所以要對(duì)輸入輸出數(shù)字量進(jìn)行抗干擾修復(fù)。而采用軟件方法及靈活又經(jīng)濟(jì)，是最適合的方法。

輸入數(shù)字量中的干擾信號(hào)多呈毛刺狀，作用時(shí)間短，可以通過(guò)重復(fù)采集的方法，將隨機(jī)干擾引起的虛假輸入狀態(tài)信號(hào)濾除掉。還可以建立反饋檢測(cè)通道來(lái)確定輸出結(jié)果的正確性。

5）數(shù)字濾波技術(shù)。數(shù)字濾波技術(shù)可分為遞歸型濾波器與非遞歸型濾波器。常用的數(shù)字濾波法有：程序判斷濾波法、中位值濾波法、算術(shù)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(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展的軟件濾波器，它可以濾除夾雜在數(shù)字信號(hào)中的干擾信號(hào)。

5、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，可靠性以及抗干擾技術(shù)對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)十分重要，運(yùn)用者需要有刻苦學(xué)習(xí)的決心，多方了解自動(dòng)控制技術(shù)知識(shí)，強(qiáng)化理論運(yùn)用，注重實(shí)踐。在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，尋找更方便快捷安全可靠的技術(shù)支持，以便不斷改進(jìn)單片機(jī)控制系統(tǒng)，使其能跟上信息化社會(huì)的步伐，更好地為自動(dòng)控制工業(yè)服務(wù)。