單片機嵌入式系統的抗干擾技術

王泉 丁偉民 衛凱龍 李建和 王浚宇 王海建

摘 要：單片機嵌入式系統是一種基于計算機系統的技術，在實際工作中經常容易受到一些因素干擾而影響到其正常的工作以及運行。關于單片機嵌入式系統受到的干擾因素主要包括：空間干擾，通道干擾以及電源干擾。這些干擾會在一定程度上對單片機嵌入式系統的穩定性造成影響，導致系統數據采集錯誤，定時不正確，誤操作被控對象以及狀態的不穩定。因此，有必要采用某些抗干擾的相關技術對這些不利的后果進行避免，本文將會從軟件與硬件兩方面對實現抗干擾的相關技術進行介紹和研究。

關鍵詞：單片機技術;嵌入式系統;抗干擾;可靠性

引言

單片機嵌入式系統作為一個專用的計算機系統，可以在有限的功耗、體積和成本下最大發揮其應用功能。然而，隨著應用需求的增長，單片機的工作環境已變得越來越復雜和惡劣。因此，為了確保單片機系統的穩定運行，在單片機嵌入式系統設計之初，便要考慮系統的抗干擾能力，否則一旦技術應用不當或受環境影響便會導致誤差增加，從而系統無法正常運作，嚴重時造成設備裝置失靈，出現重大損失。因此，利用抗干擾技術優化單片機嵌入式系統，保證指令快速、正確地執行是本文接下來重點研究與介紹的。

1單片機嵌入式應用系統及主要干擾因素

單片機嵌入式系統是以計算機技術為基礎，以技術應用為中心，以硬件結構和軟件功能為支撐，形成一個應用系統控制運行的功能耗損和穩定性的專業化計算機系統，也可以簡單地說是一種在應用系統和高端的設備中嵌入用戶看不到的計算機系統。單片機嵌入式應用系統在運行中，往往會受到一些因素的干擾，其運行干擾因素主要有三種，第一種干擾因素是供電干擾，當電能在線圈中流過時會產生磁場，這種磁場對單片機嵌入式應用系統的電氣信號有著比較大的干擾作用;第二種干擾因素是空間干擾，由于空間狹小，相互之間產生的磁場相互作用而產生干擾作用;第三種干擾因素是過程通道干擾，進入系統的前向通道、后向通道以及與系統相連的其他通道的信號受到干擾，而產生信號衰減或消失。

2單片機嵌入式系統的硬件抗干擾技術

2.1優化供電設計

在很多情況下，單片機嵌入式系統連接的相關電氣設備遭到干擾，其中很大一部分原因來源于電能供應的不穩定性，因此，要想實現單片機嵌入式系統的穩定運行，首先要對于相關的供電系統進行優化設計。為了達到穩定電能的作用，防止因為電源的電壓過高或者過低造成的電能不穩定現象，可以在電能系統中使用交流穩壓器來進行穩壓。此外，可以借助隔離變壓器和低通變壓器對于工頻噪聲和高頻噪聲進行處理，保證系統的主機的電能供應和其他部位的電能供應區分開，運用獨立安裝連接的穩壓器來防止其他的設備電能使用可能帶來的電壓不穩定現象。

2.2去耦技術

去耦技術指的是在單片機嵌入式的相關系統的設計過程中進行去耦電容的設置，從而形成去耦電路。原則上，是在單片機的相關嵌入式系統中的每個集成電路的相關以及地之間加入一個去耦電容器。采用這種方法的主要功能體現在兩個方面：一是可以減少旁路的高頻噪聲，另一個是集成電路的存儲電容器，提供和吸收集成電路打開和關閉時的充電和放電能量。此外，通過該過程，可以在很大程度上減小由于沖擊電流的原因導致的傳輸線路和供應系統的相關電源內阻造成的壓降，從而降低造成對單片機嵌入式系統的相關干擾。

2.3優化印制電路板布線和工藝

要確保單片機系統的抗干擾能力，要合理選擇使用電路板，一般情況下，多層電路板是單片機嵌入式系統中的有效電路板選擇對象。相對于單層電路板來說，這種電路板的性能更好，將這種多層電路板接入系統中，能夠防止原件之間相互耦合和電位差的現象發生，保證單片機系統的穩定性。在印刷電路板時，要注意嚴謹性，進行合理的分區處理，確保數字電路、模擬電路之間不會靠的太近，防止相互電路之間的干擾，進行清晰的分區處理，尤其要做到對于地線的區分使用，確保地線和各自的電源端有效連接。在進行走線方式的制定時，要考慮到焊接面和元件面中的走向不能出現平行的連接，可以進行適當的彎曲和斜交。導線與導線之間要做好相互之間的平行程度控制，做到盡可能縮小平行長度。對于信號線的布局應該堅持距離的盡可能拉大來進行布線。在印制電路板的相關操作中，還要注重送電方式要符合相關的規則，做好單點接線和接地工作。不同的分區中，要確保地線和電源的分離，且都需要用粗線進行布線，將元器件按照有噪音產生和無噪音產生進行區分。

3單片機嵌入式系統的軟件抗干擾技術

3.1指令冗余技術

單片機嵌入式系統在工作過程中會產生很多的干擾信號，由于干擾機理十分復雜，干擾因素也比較多，會存在很多的偶然性與隨機性。受干擾因素影響，單片機系統非常容易出現程序跑飛的情況，尤其當單片機嵌入式系統在工作的過程中如果跑飛的程序在ROM區中工作的時候，此時可以采用指令冗余技術進行調整。由于程序跑飛是指系統受干擾后指針的值偏離后導致堆棧被破壞，因此可以可以在程序中插入幾個單字節的空操作指令NOP，或是對關鍵指令在后面進行重復編寫，以此保證后續指令不被拆散，使跑飛的程序回歸正軌。該指令在程序中是冗余的，主要是起保護作用，不會對系統運行造成影響，但卻有效避免了干擾因素的影響，大大提高了系統可靠性。

3.2數字濾波技術

在數據采集中其系統通道中會產生一些干擾信號，那么就需要數字濾波技術對信號進行濾波處理。數字濾波是單片機嵌入式系統利用數學公式信號進行處理，增加有用信號在所有信號輸送的比重，保證信號的真實性和正確性。單片機嵌入式應用系統抗干擾數字濾波技術有：中值濾波方法，程序判斷濾波方法，復合數字濾波方法，算術平均濾波方法以及加權平均濾波方法等。通常，這種抗干擾的技術主要是對數據采集系統通道中的干擾具有針對性，通過對數字濾波技術的使用，可以更好的保證信號的可靠性，并且可以很好的避免對有用信號的干擾及影響。此外，這種技術對硬件的設備要求不高，不需要增加設備，只要編輯一個濾波的有關軟件程序就可以達到目的，它的優點就是穩定性高，修改方便，可以降低抗干擾的技術成本支出。

結語

目前，嵌入式單片機日益得到廣泛應用，為了保證設備的可靠性，在分析干擾源的基礎上，一方面可以強化抗干擾技術，為嵌入式單片機的有效運行提供可靠的保障，另一方面則可以通過結合硬件與軟件的抗干擾技術來提升抗干擾能力，設計出可靠性高的嵌入式系統，確保設備能夠正常穩定地工作。

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