單片機應用中的抗干擾技術與方法

宋 芳

(河南工業貿易職業學院，鄭州 451100)

0 引言

單片機應用系統通常在實驗室內部進行仿真測試及質量檢驗，所以此時的單片機具有穩定的性能水準。然而單片機在日常使用過程中，由于外部環境和儀器設備存在諸多不確定因素導致單片機運作時存在復雜的干擾，這極大地影響設備及單片機的使用，對后續的運行產生巨大影響。目前，影響單片機安全運行及可靠性的主要因素分為系統內部因素及外部因素，主要受到系統結構設計的影響、關鍵零部件的選型、安裝及制造工藝的影響，這些都會對單片機產生一定的干擾，輕則影響單片機的正常運行，重則會產生一些事故，造成巨大的人員傷害與經濟損失。形成單片機干擾的基本因素包括：干擾源(是指產生干擾的零部件、相關設備或信號等，如打雷、閃電、高頻電機或脈沖信號等都可以對單片機造成干擾成為干擾源)、傳播路徑(是指干擾源到單片機的主要傳播途徑與媒介，如導線傳導或輻射)、敏感零件(是指容易受到干擾的關鍵零部件，如單片機中的變換器、信號放大器等)。

要想提升單片機的應用水平和控制質量，勢必需要探究單片機在應用過程中的干擾因素和后果，制定針對性方案和措施，防微杜漸，杜絕干擾因素影響。因此，針對不同類型的干擾因素制定對應的技術，促進單片機應用與發展的多向化實踐[1]。

1 單片機的應用概述

單片機作為未來智能制造和智能服務的基礎技術，具有集成度高、可控力強、適應度高、功耗低、擴展靈活等優勢。目前，我國的單片機技術主要應用在六大領域，儀器儀表應用、工業控制、家用電器、計算機與互聯網通信、醫療器械設備及大型電氣的模塊化應用。隨著科技的發展和進步，單片機也在無人機制造、智能機器人等新興高科技領域擁有巨大的發展潛力，為我國的電子工業建設發展提供助力。

2 單片機在應用過程中的干擾因素和影響

2.1 單片機在應用過程中的干擾因素

2.1.1 工業區域的電磁干擾

在單片機的六大應用領域中，工業控制是普及程度最高、應用場景也是最多的領域，正因如此單片機會受到巨大的干擾。工業生產中對電力的消耗是巨大的，在電力的傳輸與使用過程中，輸電線、大型變壓器及接觸終端都因電流產生強大的磁場，這極大地干擾單片機的正常工作，嚴重時可導致單片機失靈進而導致設備故障。

2.1.2 單片機系統的供電干擾

單片機是靠電力進行運作的，但是在實際生產過程當中，電力的供應卻不能始終保持穩定。在生產制造時機器設備電壓變化幅度較大，產生過壓、欠壓甚至短路的現象，這種波動將破壞單片機的保護機制，嚴重影響單片機的運行和穩定。

2.1.3 其他干擾因素

除較大的電磁干擾和供電干擾外，工廠生產過程當中影響單片機穩定性的因素還有很多。例如，溫度、濕度的環境因素，還有設備的振動、噪音，單片機內部元器件布局等人為操作影響。

2.2 單片機受干擾時產生的影響

2.2.1 數據收集的精準度下降

單片機受到干擾的主要途徑如圖1所示，當設備的單片機受到干擾以后，數據收集系統將會受影響，收集的數據會與其他信號重合從而產生數據雜質，因此數據收集的精確度難以得到保障。尤其是在復雜的環境下，干擾程度越大，原有的數據信號將被覆蓋，收集的數據數量、準確性將大打折扣。

1.空間感應；2.過程通道的干擾；3.電源系統的干擾；4.電位波動的干擾；5.反射波的干擾

2.2.2 控制系統失效

在單片機控制狀態下，儀器足以高質量確保數據收集、傳輸、編碼及信息的傳出均為可控。當受到干擾時，由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器和操作控制器等構成單片機控制器，傳出信息的內容會出現偏差，表達的指令變得難以約束，執行端操作也將變得毫無意義，整個系統各部分之間的運作不再協調。

2.2.3 數據破壞

在單片機的內部，運算器、控制器、寄存器之間是相互連接的，由控制器向各部分發布操作命令，運算器接到命令后進行相應運算，并將運算后結果存入相應的寄存器中。目前，單片機內部的寄存器主要有ROM、RAM、累加器 A、數據寄存器 DR、指令寄存器 IR、指令譯碼器 ID、程序計數器 PC、地址寄存器 AR 等。其中ROM、RAM的構造極不穩定，當單片機受到外部干擾時，運算后的結果難以儲存到對應的寄存器中，造成數據丟失，嚴重時，內含運行算法的寄存器失效進而導致單片機的徹底損壞。

3 單片機系統的抗干擾技術

單片機的運行受多種干擾因素影響，要想提升單片機運用體系的穩定性能就是需要想方設法抑制住干擾。抗干擾技術主要分為硬件抗干擾技術、軟件抗干擾技術兩大類型。硬件抗干擾技術主要通過單片機上的零部件通過物理特性抵抗絕大多數來自系統之外的干擾；軟件抗干擾技術通過指令與算法保護單片機內部的運算器、控制器、寄存器。硬、軟抗干擾技術成為保護單片機的兩道大閘[2]。

3.1 硬件抗干擾技術

3.1.1 搭配合理的元器件

通過硬件進行單片機抗干擾保護，首先需要進行合理的元器件選擇，使整體工作性能達到最優，保障合理運行的前提下選擇控制功能強、擴展靈活、微型化、使用方便和功耗低的元器件。

3.1.2 電力供給技術

電力供給保障技術則是為電力傳輸、轉換、消耗提供保障。利用交流穩壓器最大程度上確保電力供應過程中的電路通暢，避免設備出現過壓、低壓的問題，進而減少對其他環節單片機干擾的發生概率[3]。利用將壓敏電阻并聯在電源變壓器的初級、次級，加入壓敏電阻后，對線路瞬間的尖峰、浪潮電壓進行有效吸收，電源干擾造成單片機程序失控的可能性減小。

3.1.3 接地技術

在單片機設備的使用過程中，接地技術作為最基本的防干擾措施，也是最實用的技術。目前，應用最廣的有三種接地方式，第一，保護接地，設備的金屬殼體與大地直接連接，形成一個安全的人—機安全帶；第二，系統接地，為單片機系統的各部分提供穩定的基準電位；第三，屏蔽接地，將電力傳輸的電纜、變壓器等屏蔽層接地，抑制電磁干擾。

3.1.4 隔離抗干擾

所謂隔離抗干擾是指通過元器件對數據信號進行隔離處理。高頻信息雜質和有用信號的頻帶不同，可以通過在導線上增加濾波器的方法切斷高頻信息雜質的傳播，有時也可加裝隔離光耦來解決。除此之外，需要對電路板合理分區，如強、弱信號，數字、模擬信號。盡可能把干擾源 (如電機、繼電器)與敏感元件(如單片機)遠離。

3.2 軟件抗干擾技術

單片機抗干擾及系統恢復流程如圖2所示。

圖2 單片機抗干擾及系統恢復流程圖

3.2.1 數字過濾技術

數字濾波技術是指在計算機軟件系統中，對實時采集到的數據信息進行電磁兼容消除干擾處理，在傳統抗干擾技術的基礎上，進一步消除信息數據中的各種干擾信號，確保傳感器實時采集到的數據更加接近實際生產情況。目前應用最為廣泛的數字濾波技術主要為中值濾波技術、低通濾波技術及滑動濾波技術。數字過濾技術的原理是在單片機正常的信息獲取過程當中，自身也會產生電磁干擾噪聲。要想在眾多數據信息里去除雜質，獲取有用的信息，這就要求在后期處理過程當中，利用算法和程序對信號源進行編譯和解碼。特別是周期性且不規律性的干擾噪聲，單片機內部的運行程序通過判斷和計算排除干擾信號，從而達到 “取其精華”目的。目前，單片機的數字過濾算法主要為限幅平均濾波法、加權遞推平均濾波法、消抖濾波法、限幅消抖濾波法。此外，由于現實的單片機應用情況具有多元化，故根據實際情況對數字過濾的算法進行參數設定和調整，以期達到最佳的算法效果[4]。

3.2.2 軟件看門狗技術

當單片機內部的算法程序出現故障，進入一種死循環狀態時，一般的抗干擾技術都無法解決。因此利用軟件看門狗技術(圖3)，實現對程序算法的運行狀態和穩定性的實時監控，一旦發現程序循環錯誤或者循環超過規定循環時間，軟件看門狗技術則會調用應急錯誤處理程序，對算法進行“檢修”從而維持正常運行[5]。軟件看門狗技術作為單片機抗干擾技術的輔助技術，主要目的是防患于未然，將外部的干擾因素程度降到最低，實現單片機的正常運行。總的來看，軟件抗干擾技術對于單片機的具體應用和推廣具有保障功能。

圖3 單片機看門狗軟件電路示意圖

3.3 隔離與屏蔽技術

隔離與屏蔽技術是指用一些隔離器將單片機的輸入端和輸出端隔離，阻斷干擾信號的傳播途徑，一方面是使干擾信號不得進入單片機內部，另一方面是使干擾信號不會以傳導的方式傳播。例如，開關電源、用金屬隔離器罩起來等，可以有效地減少干擾信號對單片機系統的影響。

3.4 切斷干擾傳播途徑

按照干擾傳播途徑可以分為信號傳導干擾與輻射干擾。傳導干擾是指通過導線連接的靈敏元件受到外界干擾，目前最有效的方式是通過隔離光耦來切斷傳播途徑。在日常生活中，可以通過磁珠和電容組成π形濾波電路提高單片機的抗干擾能力；在單片機和大功率零部件的地線應該單獨進行接地，減少干擾信號的互相傳播；在單片機的電路接線等關鍵地方使用抗干擾元件提高整體的抗干擾性能。

3.5 其他抗干擾技術

目前，常用的其他抗干擾技術主要包括去除高頻低頻干擾脈沖、對變壓器采用雙隔離措施、采用直流穩壓電源、單片機外殼接大地，可以有效解決外界磁場干擾問題。采用光纖隔離干擾信號、單片機電源線加粗、各個零部件采用獨立結構等，減少插件與連線等。

4 總結

綜上所述，單片機在實際生產過程中存在諸多干擾因素，要想去除這些干擾的影響，勢必完善單片機應用中的抗干擾技術與方法，有效地為單片機應用水平提升奠定基礎。通過對硬件、軟件兩個方面的控制，推動方法實施核心轉變。利用“軟硬兼施”，使單片機體系運行過程中的各類干擾現象降到最小。