關于單片機技術在傳感器設計中的實踐策略探析

張毅

【摘要】? ? 單片機技術在接收和處理傳感器信號、提高傳感器穩定性和抗干擾能力方面具有非常重要的應用。傳感器的工作環境中存在多種干擾因素，并且其自身的結構特點和工作原理也會增加不穩定性。本文從技術層面研究了單片機的功能，并在其基礎上分析了其在傳感器設計中的應用策略，著重探討了單片機技術在促進傳感器抗干擾性和信號穩定性方面的作用。

【關鍵詞】? ? 單片機技術? ?傳感器設計? ? 實踐應用

引言：

傳感器主要用于探測溫度、壓力、速度等各種類型的參數，并且現代化的傳感器在自動化水平、智能化水平方面都具有較高的水平。其在運行過程中要接受和處理大量的數據，但是在實際應用中必須不斷提高其環境適應性、信號輸出的穩定性以及抗干擾能力。單片機可作為傳感器的信息處理核心，并且還能借助指令冗余、軟件“陷阱”等方法來提升傳感器的穩定性和抗干擾能力。

一、單片機概述

單片機在結構上和一臺計算機非常相似，其設計目的就是實現微型計算機的功能，因而又被稱為微控制器。各種功能的載體是大型集成電路，在數據計算方面依靠CUP來完成，同時還具有存儲能力，其中ROM負責只讀存儲，RAM負責隨機存儲。現階段，大量的儀器、儀表、電氣設備等都具有自動控制的功能，單片機在其中發揮著不可替代的作用。單片機的基本功能如下：

1.定時器。單片機的外部輸入的時鐘信號和機器周期要實現精準的計數，這一功能依靠定時器來完成。單片機的定時器按照運行方式分為兩類，分別為固定時間間隔定時器和可編程定時器。前者的定時時間由系統控制，后者可由用戶的程序來控制。2. IO接口。微控制器用于處理機器設備或者儀器儀表的數據，那么就必須具有數據輸入和輸出的IO接口。接口的類型包括直接讀寫類的接口和純輸入、純輸出的接口。3.外部中斷。這一功能的主要作用包括數據解碼、外部觸發信號檢測、按鍵檢測以及系統喚醒，中斷方式包括電平觸發，上升沿觸發以及下降沿觸發。4.通訊接口。單片機的SPI接口可用于處理串行數據輸入和輸出、串行時鐘以及Ready信號。UTRA是單片機中用于處理異步數據傳輸的接口。5. Watchdog（看門狗定時器）。其作用類似于一個計數器，在程序運行之前，給Watchdog一個數字，由其開始倒計時，CUP在程序運行正常的情況下發出看門狗復位的指令，如果程序運行異常，則強制其復位。

二、單片機技術在傳感器設計中的作用

2.1 提升傳感器的穩定性

傳感器本身具有特定的功能，由于是電子設備，其各項功能的控制由信號輸入和輸出來實現，因此，信號的穩定性對其功能可靠性具有關鍵性的作用。但是傳感器在長時間的運行過程中會產生信號輸出量不穩定的現象，只要其變化量在合理的范圍之內，即可認為傳感器工作穩定，否則，即判定為信號不穩定。影響傳感器性能的指標具有多樣性的特點，抗干擾能力決定其在復雜電磁環境下的運行效果，分辨力關系到傳感器的探測精度，靈敏度影響著傳感器的作用閾值，這幾項性能指標均可借助程序優化來加以提高，單片機對影響不大。只有穩定性這一性能指標和單片機的聯系非常緊密，單片機的作用是修正傳感器產生的非線性誤差。

圖1顯示了典型的壓力傳感器的工作模式，外界的壓力信號x從傳感器的接收端輸入其中，并且在傳感器中的A/D數模轉換器的處理之下形成一個內部信號y，該信號在通過接口電路之后會產生一個數字信號Y，單片機最終會接收這一信號，并將其處理成標準信號，用Ye來表示。在校準傳感器的非線性誤差時，先選擇一個壓力點，確定相應的溫度值，在此基礎上準確地測量出信號量x和y的值，建立二者之間的對應關系，修正方法為二元函數插值法。

修正過程的內在原理可理解如下：首先明確涉及參數的含義x-原始壓力、X-x的數字量、θ-溫度的數字量、Y-修正之前的數字量。其中X、Y和θ之間的內在關系可用特定的公式來表達，這些公式可存儲在單片機的底程序中，呈現方式為常數。也可采用表格的形式將其存儲于單片機的存儲器中。修正公式為Ye=kX，其中k為比例系數，X由數學公式計算得出，在此之前要先掌握公式中另外兩個數值，也就是Y和θ。

2.2 提升傳感器的抗干擾能力

2.2.1 干擾因素分析

第一，確定性干擾。各種傳感器的工作環境具有很大的差異性，有些會受到溫度的干擾，有些傳感器工作與室外環境，典型的如深基坑自動監測的傳感器。這些客觀環境會在一定程度上干擾傳感器的正常運行，使其存在功能異常。另一方面，傳感器內集成了較多的電子元器件，其采用集成電路系統來設計，在運行過程中難免會產生電磁不兼容和電磁干擾的問題。單片機技術對消除這些固定干擾因素具有非常重要的作用。

第二，隨機干擾因素。傳感器的工作環境特點具有確定型和不確定型兩種類型，例如，液位傳感器必然存在水的干擾，這一環境因素是確定的。但是在實際應用過程中還會產生其他方面的環境干擾因素，如外力撞擊、灰塵侵入、電磁干擾等，而這些環境干擾因素是不確定的，具有顯著的隨機性。確定性干擾因素的預防和處理相對比較簡單，但是隨機性干擾因素的處理難度比較大，因為其發生條件、發生時間等都不易確定下來。消除這類隨機干擾因素可利用軟件技術，將其設置與單片機內。

2.2.2 提高抗干擾能力的技術措施

1.消除確定性干擾的方法。由于傳感器類型眾多，因而其確定性干擾也各有差異，此處以電渦流位移傳感器為例，分析其確定性干擾的處理方法。這種傳感器用于檢測具有電磁特性的物體的位移情況，但是被檢測物體的電磁特點和材質各不相同，相應的檢測結果也會受到一定的干擾。另外，該傳感器中安裝有軸承，即使其位置沒有發生任何改變，但傳感器依然會輸出一定的電壓值，這是干擾其測量精度的主要因素之一，誤差有時候會非常大。這種干擾在某種程度上具有確定性的特點，因為軸承的位移具有穩定的規律，軸承圍繞軸心做圓周運動，其運動方式呈現出周期性變化，以此為根據，利用單片機技術來周期性地調節和修正其輸出特性曲線，受測量物體的材質差異和分布不均所產生的測量干擾在這種技術措施下都可實現有效地控制。

2.消除隨機性干擾的方法。1）指令冗余。單片機的CPU發送指令的過程為先取操作碼，然后根據操作碼獲取對應操作數。但是單片機在運行過程中會受到隨機因素和確定性因素的干擾，并導致其程序無法正常執行，程序跑飛的概率也會因此而大幅增加。由此引發的問題是單片機會錯誤地將操作數作為指令碼。為了有效防止這一問題，可在單片機中引入指令冗余的技術，具體方法是向其中插入單字節NOP指令，這種指令能夠但是單片機錯誤執行操作數的情況，還有一種處理方法是重寫單字節指令。雙字節的操作指令和三字節的操作指令也會出現在單片機中，為了確保單字節指令預防錯誤執行的效果，還要在雙字節和三字節指令中設置兩個字節以上的NOP指令。另外，RET、JC、LCALI等指令可影響系統流向，通常也要在這些指令后面插入NOP指令，通過以上技術措施，跑飛的程序可回到正軌。2）軟件“看門狗”技術。程序在跑飛之后容易進入“死循環”，而軟件“看門狗”技術可使其恢復到正常狀態，脫離“死循環”。程序正常運行時消耗的時間是一定的，偏差非常小，當其運行時長超過這一范圍，則判斷其進入“死循環”。單片機的定時中斷功能可用于定期檢測主程序的運行狀態，軟件看門狗的寄存器可以起到記錄主程序運行情況的作用，正常運行一次加1，定時中斷時會檢測主程序運行狀態，檢測出現異常時會減1，當系統程序陷入“死循環”時，寄存器數值變化非常大，這就是其判斷程序故障的依據。該技術可得應用可顯著提高傳感器的抗干擾能力和可靠性。3）軟件陷阱法。單片機中設置有EPROM存儲芯片，即使在電力中斷的情況下，該芯片依然能夠保存數據。所謂軟件“陷阱”實際上是將NOP操作指令填入到該芯片的剩余空間內，同時還要設置跳轉指令。受到干擾而跑飛的程序執行到該區域之后可借助NOP指令和跳轉指令恢復正軌。當該軟件的剩余空間比較充裕時，可加入多條NOP指令和跳轉指令，這樣做可進一步加強軟件“陷阱”的效果。

三、單片機技術在傳感器設計中的應用趨勢

現代化的傳感器在功能、電路設計、信號輸入和輸出方面存在一定的差異性，由此帶來的問題是傳感器技術缺乏統一性和準準化，在具體的使用過程中也會因此而產生一定的管理難度。傳感器技術在未來的發展中要盡可能提高智能化、功能多樣性、可靠性以及維修管理的便捷性，統一技術指標像是促進其發展的重要保障。集成電路技術發展速度非常快，單片機的體積越來越小，而電路復雜性、功能多樣性在這一過程中不斷提升，并且借助單片機可進一步規范信號輸入和輸出。因此，傳感器的標準化制造和應用在單片機技術的支持下得到了快速的發展，其功能需求如表1所示，從中可觀察到，信號存儲和處理、誤差校正、信號輸出等功能都會應用到單片機技術。進入人工智能時代，傳感器的自動化、智能化要求進一步提升，單片機在集成電路技術的發展之下呈現出快速提高的趨勢，顯著地促進了先進傳感器的研發和制造。

四、結束語

傳感器在運行時受到環境、自身結構特點以及電磁干擾等因素的影響，會出現信號不穩定、程序跑飛等故障，有些干擾因素是固定的，大部分是隨機的。單片機可借助指令冗余、軟件“陷阱”、軟件“看門狗”等技術手段來提升傳感器的抗干擾能力和信號穩定性，進而全面提升傳感器的可靠性。

參? 考? 文? 獻

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