單片機控制系統的抗干擾措施研究

曾海鵬

摘 要 結合既往研究經驗來看，在單片機系統應用開發過程中，實驗室調試正常的單片機投入工業現場使用后短期內頻繁出現各種問題。導致這一問題的最主要原因是在單片機控制系統設計過程中沒有充分評估外部環境對單片機控制系統所產生的干擾與影響，在環境溫度差異、電磁波以及機械振動等一系列因素作用下，電控單元的正常運行受到影響，單片機控制功能無法正常發揮。針對這一問題，文章在識別單片機控制系統主要干擾源的基礎之上，分別從硬件與軟件兩個方面，研究單片機控制系統的抗干擾措施，望能夠提高單片機控制系統的抗干擾能力，確保其在工業現場中應用的安全性與可靠性。

關鍵詞 單片機；控制系統；抗干擾

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）213-0127-02

基于單片機所構成控制系統靈敏度高，但也意味著整個系統極易受到干擾因素的影響。在強噪音背景作用下，被測量信號容易被淹沒，對測量作業的持續性產生不良影響。尤其對于工業現場而言，干擾源眾多且構成關系復雜，以多種不同方式對計算機測量控制系統產生影響，干擾系統正常運行，還有可能造成系統性能指標與設計要求相偏離，造成結果異常。從這一角度上來說，單片機控制系統運行過程中應當重視對干擾因素來源的分析，并從硬件以及軟件兩個模塊，研究單片機控制系統可采取的抗干擾措施。

1 單片機控制系統干擾源分析

單片機作為工業生產運行系統中非常重要的構成部分之一，由單片機所構成的控制系統必須具備較高的靈敏度。但同時，靈敏度越高，則意味著系統可能引入干擾因素越多。特別在強噪聲環境下，被測信號可能被淹沒，影響測量效果的實現。工業現場應用中，存在大量且多類型的干擾源，這些干擾源以一種或多種方式對計算機測控系統產生 影響，導致整個控制系統性能指標無法滿足設計要求，進而對測量控制結果的可靠性產生不良影響，必須引起高度重視。結合單片機控制系統的實際運行情況來看，在單片機控制系統工業現場應用中，所承受干擾以電磁能量干擾為主。

具體而言，單片機控制系統內外部干擾源主要包括以下幾個方面：第一是無線電設施所產生射頻干擾；第二是發動機裝置上高壓點火線圈向外輻射磁場強度大且頻帶寬的電磁波信號干擾；第三是單片機內部晶振電路干擾；第四是外部交流電路系統中所產生工頻信號干擾；第五是數字電路本身門電路頻繁的導通、截止造成電源地線電流變化因素作用下所產生高頻電磁干擾。

2 單片機控制系統硬件抗干擾措施

針對單片機控制系統的硬件抗干擾設計是系統設計過程中首選的抗干擾措施，能夠通過對濾波技術、屏蔽技術、去耦技術、以及接地技術等一系列技術措施的綜合應用，在抑制干擾源對單片機控制系統影響的同時，阻斷干擾源的傳輸渠道。具體措施包括如下。

2.1 電源電路設計

在單片機控制系統當中，可以通過分離邏輯電路電源裝置以及模擬電路電源裝置的方式，以達到硬件抗干擾的效果。通過此項措施，一方面能夠避免傳感器裝置在電源耦合作用下對電子控制單元產生影響，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生干擾。在這一方案作用下，功能模塊的供電系統結構中均選用7805以及7812三端穩壓集成芯片裝置，以獨立方式為單片機電源裝置提供負壓差保護。根據這一方式，能夠避免整個系統電路受其中某一穩壓電源裝置影響而產生故障。同時，單片機控制系統電源電路中可通過使用低通濾波裝置的方式有效剔除高次諧波信號對控制系統運行產生的干擾，并促進電源波形的合理改善，并且對電源波形也有良好的調整與優化效果。

2.2 屏蔽技術

在單片機控制系統抗干擾設計過程中，可以通過應用屏蔽技術的方式預防電子設備向外部輻射干擾電磁波，同時還可以有效控制電子設備受電磁干擾源的影響。尤其針對單片機控制系統當中噪聲源較大的開關電源裝置，可通過雙重屏蔽的方式，同步屏蔽單片機控制系統開關電源內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關電源屏蔽保護的抗干擾效果。

2.3 模擬電路干擾設計

在單片機控制系統硬件電路模塊中，對模擬電路的設計是非常重要的。在工業現場實際運行工況中，發動機工作環境溫度會呈現出較為明顯的差異性，因此在模塊部件選型中應當優先選用溫漂系數相對偏低的集成放大器裝置。同時，考慮到電路板會在很大程度上受到模擬電路共模信號的影響，故應當將差動放大電路裝置引入模擬電路系統內，以確保兩端輸出信號的穩定性。

在信號接收過程中，雙端信號被轉換為單端信號，以發揮對共模信號的抑制效果，剔除其對模擬電路穩定性的影響。除此以外，若電路系統中輸出信號存在較大波動，則為了避免器件發生損壞，應在比較器裝置或房貸器裝置前增加輸入端保護電路，以確保整個單片機控制系統硬件運行的安全性與可靠性。

2.4 去耦電路設計

在單片機控制系統運行期間，受到數字信號影響，信號在電平轉換過程中會對整個單片機控制系統產生非常明顯的沖擊電力干擾，將影響擴大至傳輸線路以及供應電源內部電阻上，造成壓降水平的增加，所形成的干擾是非常明顯的。

為了在硬件設計的過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控制系統電源電路、數字電路以及信號處理電路當中，以設計構成去耦電路，達到旁路集成電路所產生干擾源的效果。

3 單片機控制系統軟件抗干擾措施

在單片機控制系統硬件抗干擾措施實施的基礎之上，考慮到干擾信號產生原因較為復雜并且單片機控制系統所承受干擾源的類型較為隨機，因此還必須配合應用軟件抗干擾設計措施，在數字濾波、指令冗余以及看門狗等一系列技術的輔助下達到控制干擾問題的目的。具體而言，單片機控制系統中的軟件抗干擾措施包括以下幾個方面。

3.1 數字濾波技術

當單片機控制系統輸入信道模擬信號受到干擾因素影響時，可能導致較大的數據誤差，尤其在信號較為微弱時，數據誤差問題更為明顯。為了消除這一誤差，確保單片機控制系統的正常運行，可根據信號以及干擾規律，在算術平均法、比較去設法、或一階滯后法的輔助下，最優化設計，以通過數字濾波器的方式，對輸入信號干擾所致輸出控制錯誤問題進行科學有效的控制。

3.2 指令冗余與看門狗技術

單片機受強干擾會造成程序計數器Pc值改變和破壞程序正常運行。為了應對這一問題，可以在抗干擾過程中將單字節指令或者引導指令插入關鍵部位，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被捕獲并進入復位入口地址當中，以免程序受到亂飛影響而進入死循環狀態，影響系統結構運行的穩定性。

除此以外，看門狗技術同樣對應對程序亂飛問題有重要意義。此項技術針對程序運行時間進行動態監視，一旦出現故障會導致計數器溢出，并控制系統進行復位后重新進入正常運行狀態。

3.3 提高開關量輸入輸出抗干擾能力

單片機系統中，若一系列離散尖脈沖信號覆蓋于控制量有效信號上，則會導致信號受到嚴重干擾，難以通過硬件設置的方式予以控制，針對該問題可以通過應用軟件重復性檢測技術的方式，提高開關量輸入輸出接口的抗干擾能力。

4 結論

綜合以上分析可見，單片機控制系統在正常運行過程中其內外部存在大量干擾源。為了積極應對這些干擾源，必須做好對單片機硬軟件系統的抗干擾設計工作，相關抗干擾設計措施的選擇與實施將直接對整個單片機控制系統的運行質量與效果產生重要影響。本文在識別單片機控制系統主要干擾源的基礎之上，分別從硬件與軟件兩個方面，研究單片機控制系統的抗干擾措施，望能夠提高單片機控制系統的抗干擾能力，確保其在工業現場中應用的安全性與可靠性。

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