單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾措施研究

曾海鵬

摘 要 結(jié)合既往研究經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室調(diào)試正常的單片機(jī)投入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用后短期內(nèi)頻繁出現(xiàn)各種問(wèn)題。導(dǎo)致這一問(wèn)題的最主要原因是在單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有充分評(píng)估外部環(huán)境對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的干擾與影響，在環(huán)境溫度差異、電磁波以及機(jī)械振動(dòng)等一系列因素作用下，電控單元的正常運(yùn)行受到影響，單片機(jī)控制功能無(wú)法正常發(fā)揮。針對(duì)這一問(wèn)題，文章在識(shí)別單片機(jī)控制系統(tǒng)主要干擾源的基礎(chǔ)之上，分別從硬件與軟件兩個(gè)方面，研究單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾措施，望能夠提高單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，確保其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用的安全性與可靠性。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)；控制系統(tǒng)；抗干擾

中圖分類(lèi)號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）213-0127-02

基于單片機(jī)所構(gòu)成控制系統(tǒng)靈敏度高，但也意味著整個(gè)系統(tǒng)極易受到干擾因素的影響。在強(qiáng)噪音背景作用下，被測(cè)量信號(hào)容易被淹沒(méi)，對(duì)測(cè)量作業(yè)的持續(xù)性產(chǎn)生不良影響。尤其對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而言，干擾源眾多且構(gòu)成關(guān)系復(fù)雜，以多種不同方式對(duì)計(jì)算機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，干擾系統(tǒng)正常運(yùn)行，還有可能造成系統(tǒng)性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)要求相偏離，造成結(jié)果異常。從這一角度上來(lái)說(shuō)，單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)當(dāng)重視對(duì)干擾因素來(lái)源的分析，并從硬件以及軟件兩個(gè)模塊，研究單片機(jī)控制系統(tǒng)可采取的抗干擾措施。

1 單片機(jī)控制系統(tǒng)干擾源分析

單片機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)中非常重要的構(gòu)成部分之一，由單片機(jī)所構(gòu)成的控制系統(tǒng)必須具備較高的靈敏度。但同時(shí)，靈敏度越高，則意味著系統(tǒng)可能引入干擾因素越多。特別在強(qiáng)噪聲環(huán)境下，被測(cè)信號(hào)可能被淹沒(méi)，影響測(cè)量效果的實(shí)現(xiàn)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，存在大量且多類(lèi)型的干擾源，這些干擾源以一種或多種方式對(duì)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)生 影響，導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而對(duì)測(cè)量控制結(jié)果的可靠性產(chǎn)生不良影響，必須引起高度重視。結(jié)合單片機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，在單片機(jī)控制系統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，所承受干擾以電磁能量干擾為主。

具體而言，單片機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)外部干擾源主要包括以下幾個(gè)方面：第一是無(wú)線電設(shè)施所產(chǎn)生射頻干擾；第二是發(fā)動(dòng)機(jī)裝置上高壓點(diǎn)火線圈向外輻射磁場(chǎng)強(qiáng)度大且頻帶寬的電磁波信號(hào)干擾；第三是單片機(jī)內(nèi)部晶振電路干擾；第四是外部交流電路系統(tǒng)中所產(chǎn)生工頻信號(hào)干擾；第五是數(shù)字電路本身門(mén)電路頻繁的導(dǎo)通、截止造成電源地線電流變化因素作用下所產(chǎn)生高頻電磁干擾。

2 單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件抗干擾措施

針對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中首選的抗干擾措施，能夠通過(guò)對(duì)濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、去耦技術(shù)、以及接地技術(shù)等一系列技術(shù)措施的綜合應(yīng)用，在抑制干擾源對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)影響的同時(shí)，阻斷干擾源的傳輸渠道。具體措施包括如下。

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

在單片機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中，可以通過(guò)分離邏輯電路電源裝置以及模擬電路電源裝置的方式，以達(dá)到硬件抗干擾的效果。通過(guò)此項(xiàng)措施，一方面能夠避免傳感器裝置在電源耦合作用下對(duì)電子控制單元產(chǎn)生影響，另一方面還能夠有效剔除模擬電路受電源耦合邏輯電路影響所產(chǎn)生干擾。在這一方案作用下，功能模塊的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中均選用7805以及7812三端穩(wěn)壓集成芯片裝置，以獨(dú)立方式為單片機(jī)電源裝置提供負(fù)壓差保護(hù)。根據(jù)這一方式，能夠避免整個(gè)系統(tǒng)電路受其中某一穩(wěn)壓電源裝置影響而產(chǎn)生故障。同時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)電源電路中可通過(guò)使用低通濾波裝置的方式有效剔除高次諧波信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的干擾，并促進(jìn)電源波形的合理改善，并且對(duì)電源波形也有良好的調(diào)整與優(yōu)化效果。

2.2 屏蔽技術(shù)

在單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)應(yīng)用屏蔽技術(shù)的方式預(yù)防電子設(shè)備向外部輻射干擾電磁波，同時(shí)還可以有效控制電子設(shè)備受電磁干擾源的影響。尤其針對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中噪聲源較大的開(kāi)關(guān)電源裝置，可通過(guò)雙重屏蔽的方式，同步屏蔽單片機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部扼流圈以及高壓變頻器，以同步屏蔽的方式最大限度確保開(kāi)關(guān)電源屏蔽保護(hù)的抗干擾效果。

2.3 模擬電路干擾設(shè)計(jì)

在單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路模塊中，對(duì)模擬電路的設(shè)計(jì)是非常重要的。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境溫度會(huì)呈現(xiàn)出較為明顯的差異性，因此在模塊部件選型中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用溫漂系數(shù)相對(duì)偏低的集成放大器裝置。同時(shí)，考慮到電路板會(huì)在很大程度上受到模擬電路共模信號(hào)的影響，故應(yīng)當(dāng)將差動(dòng)放大電路裝置引入模擬電路系統(tǒng)內(nèi)，以確保兩端輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。

在信號(hào)接收過(guò)程中，雙端信號(hào)被轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，以發(fā)揮對(duì)共模信號(hào)的抑制效果，剔除其對(duì)模擬電路穩(wěn)定性的影響。除此以外，若電路系統(tǒng)中輸出信號(hào)存在較大波動(dòng)，則為了避免器件發(fā)生損壞，應(yīng)在比較器裝置或房貸器裝置前增加輸入端保護(hù)電路，以確保整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件運(yùn)行的安全性與可靠性。

2.4 去耦電路設(shè)計(jì)

在單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行期間，受到數(shù)字信號(hào)影響，信號(hào)在電平轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)對(duì)整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生非常明顯的沖擊電力干擾，將影響擴(kuò)大至傳輸線路以及供應(yīng)電源內(nèi)部電阻上，造成壓降水平的增加，所形成的干擾是非常明顯的。

為了在硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中抑制該干擾因素，可以嘗試將去耦電容裝置合理配置于單片機(jī)控制系統(tǒng)電源電路、數(shù)字電路以及信號(hào)處理電路當(dāng)中，以設(shè)計(jì)構(gòu)成去耦電路，達(dá)到旁路集成電路所產(chǎn)生干擾源的效果。

3 單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件抗干擾措施

在單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件抗干擾措施實(shí)施的基礎(chǔ)之上，考慮到干擾信號(hào)產(chǎn)生原因較為復(fù)雜并且單片機(jī)控制系統(tǒng)所承受干擾源的類(lèi)型較為隨機(jī)，因此還必須配合應(yīng)用軟件抗干擾設(shè)計(jì)措施，在數(shù)字濾波、指令冗余以及看門(mén)狗等一系列技術(shù)的輔助下達(dá)到控制干擾問(wèn)題的目的。具體而言，單片機(jī)控制系統(tǒng)中的軟件抗干擾措施包括以下幾個(gè)方面。

3.1 數(shù)字濾波技術(shù)

當(dāng)單片機(jī)控制系統(tǒng)輸入信道模擬信號(hào)受到干擾因素影響時(shí)，可能導(dǎo)致較大的數(shù)據(jù)誤差，尤其在信號(hào)較為微弱時(shí)，數(shù)據(jù)誤差問(wèn)題更為明顯。為了消除這一誤差，確保單片機(jī)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可根據(jù)信號(hào)以及干擾規(guī)律，在算術(shù)平均法、比較去設(shè)法、或一階滯后法的輔助下，最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以通過(guò)數(shù)字濾波器的方式，對(duì)輸入信號(hào)干擾所致輸出控制錯(cuò)誤問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)有效的控制。

3.2 指令冗余與看門(mén)狗技術(shù)

單片機(jī)受強(qiáng)干擾會(huì)造成程序計(jì)數(shù)器Pc值改變和破壞程序正常運(yùn)行。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，可以在抗干擾過(guò)程中將單字節(jié)指令或者引導(dǎo)指令插入關(guān)鍵部位，受到干擾因素影響而亂飛的程序可以在JMP MAlN操作指令的輔助下自動(dòng)被捕獲并進(jìn)入復(fù)位入口地址當(dāng)中，以免程序受到亂飛影響而進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)，影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

除此以外，看門(mén)狗技術(shù)同樣對(duì)應(yīng)對(duì)程序亂飛問(wèn)題有重要意義。此項(xiàng)技術(shù)針對(duì)程序運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視，一旦出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)器溢出，并控制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位后重新進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 提高開(kāi)關(guān)量輸入輸出抗干擾能力

單片機(jī)系統(tǒng)中，若一系列離散尖脈沖信號(hào)覆蓋于控制量有效信號(hào)上，則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)受到嚴(yán)重干擾，難以通過(guò)硬件設(shè)置的方式予以控制，針對(duì)該問(wèn)題可以通過(guò)應(yīng)用軟件重復(fù)性檢測(cè)技術(shù)的方式，提高開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口的抗干擾能力。

4 結(jié)論

綜合以上分析可見(jiàn)，單片機(jī)控制系統(tǒng)在正常運(yùn)行過(guò)程中其內(nèi)外部存在大量干擾源。為了積極應(yīng)對(duì)這些干擾源，必須做好對(duì)單片機(jī)硬軟件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)工作，相關(guān)抗干擾設(shè)計(jì)措施的選擇與實(shí)施將直接對(duì)整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量與效果產(chǎn)生重要影響。本文在識(shí)別單片機(jī)控制系統(tǒng)主要干擾源的基礎(chǔ)之上，分別從硬件與軟件兩個(gè)方面，研究單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾措施，望能夠提高單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，確保其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用的安全性與可靠性。

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