智能儀器儀表中單片機的抗干擾措施

趙 山，禹 俊，熊 鋼

（四川紅華實業有限公司，四川樂山 614200）

現階段，在儀器儀表中單片機已經得到了廣泛應用，不僅使性能得到了明顯增強，同時降低了其自身的生產成本，但是在現場使用單片機時，很容易出現各種各樣的干擾源。所以，若是單片機系統不具備抗干擾能力或缺乏較強的抗干擾能力，那么當出現干擾源時，便會導致單片機系統不能有序工作，從而也會直接影響儀器儀表產品的使用效果。為了加強單片機系統的抗干擾能力，盡量將因為單片機在工作中出現混亂而引發的部分不良后果減少，提高儀器儀表自身的產品質量，務必要盡量運用結合軟硬件的抗干擾方式，以促進單片機系統自身的抗干擾能力有效加強。

1 常見的智能儀器儀表及功能

1.1 常見的智能儀器儀表

①智能毫伏表。相較于傳統毫伏表，智能毫伏表最大的不同之處在于其運用了單片機，如此一來，針對高頻率的正弦交流電壓也能夠進行測試，同時還可完成其他多項任務，包括對故障的自動診斷、自動換算單位、自動切換量程、超載自動報警等，特別是其體積小巧，質量更輕便，實用性很強。智能毫伏表在采用單片機后，基本上實現了RAM 和CPU 的庫充，I/O 更先進。②智能萬用表。其測量精度非常高，能夠最大程度地減少誤差。智能萬用表芯片的工作方式為雙斜率積分式，具有較強的抗干擾能力。③邏輯分析器。其作用是分析、處理部分無法預測的故障，這部分故障多產生于復雜電路中。通過對單片機的邏輯分析器予以采用，能第一時間把各個信號記錄下來，實現儲存的智能化，聯系設備狀態找出故障，以數據為基礎展開分析，第一時間將故障有效解決。

1.2 智能儀器儀表功能

在智能儀器儀表中智能是重中之重，其靈活性通過強大的輸出方式被充分體現出來。智能儀器儀表可以和打印記錄儀等各種設備連接在一起，從而使多元化輸出形式順利實現。智能儀器儀表具有測量的功能，不僅可以高效控制、測量和處理運行，同時還可以對數據進行智能化處理，同時智能化存儲信息。智能儀器儀表還可以對復雜的信號進行處理，健全儀器儀表功能，進而對故障進行自動診斷與檢測，從而最大化降低測量誤差，提高其精準度。此外，還能在固定時間對信號進行測定，保證多個參數檢測的精確度。圖1為以In-tel8031組成的系統的簡略框圖。

圖1 智能儀器系統簡圖

2 單片機在智能儀器儀表中的應用特點和意義

2.1 單片機在智能儀器儀表中的應用特點

2.1.1 數據計算能力強

完善的計算機系統在數據計算方面具有很強的能力，可以實現準確、高速計算，而單片機在智能儀器儀表中應用也不例外。正常情況下，智能儀器儀表不超過0.6 s 就能夠計算與完成一個操作周期，有時甚至更短，只需0.1 s，但若是遇到一些帶有函數計算等具有較高難度、復雜性較強的計算，則對單片機的功能提出了較高的要求。因此，在保證計算能力精確性方面，單片機的抗干擾發揮了非常關鍵的作用。

2.1.2 控制功能強大

在計算機系統中，最重要的一個部分就是單片機，將其運用到智能儀器儀表中，由于其控制能力很強，便能夠精準監控諸多參數，避免設備發生運行故障。負責測量的微機，簡化了諸多數字電路以及開關，通過對二進制方式予以采用，順利實現了包括啟動控制位和完成檢測位在內的狀態位。同時，隨著單片機運用越來越廣泛，其種類也日益豐富，以MCS-51的單片機為例，其不僅具有原有功能（布爾處理功能），且還能夠對指令的輸入輸出進行處理，如此便讓其被較多地應用到智能儀器儀表中。

2.2 I/O功能強大

智能儀器儀表內部結構復雜性較強，主要由功能多樣的部件構成，而單片機微機中的接口芯片則能夠確保其各功能部件長期處于一個穩定的運行狀態，并順利進行協調運轉。正是因為單片機的功能十分強大，所以簡化了智能儀器儀表的設備，如此便降低了設備制造的成本。而要想最大化發揮出強大的I/O 功能，就要求把更多的精力放在單片機的抗干擾措施上。

2.3 單片機在智能儀器儀表中的應用意義

相較于計算機，單片機只是沒有I/O 設備，所以就功能作用來說，二者的差別很小。但通過對其他方面（體積、結構）進行比較能夠發現，單片機未有較大的體積，具有安裝、攜帶方便的優點。現階段，電子信息技術得到了迅猛發展，多種現代技術的融合發展已經成為一個主要趨勢，今后，單片機技術勢必會被更多地應用到電子產品領域。通過把單片機應用到智能儀器儀表中意義重大，具體體現在：①在智能儀器儀表中應用單片機，可為電子設備提供有效的技術支持，使之順利實現創新發展。比如，CPU 控制系統就屬于單片機的范疇，其能夠完成對海量數據的采集，而隨機存儲器RAM 技術的作用主要體現在能夠進一步增大智能儀器儀表在數據分析和存儲方面的容量，有效優化和提高智能儀器儀表的數據計算和處理功能。②應用單片機，可以降低智能化儀器儀表的操作難度。單片機擁有完善的按位操作系統，針對智能儀器儀表部分特殊功能寄存器的某位，其能夠起到很好的處理效果，還可借助部分功能（清零、傳送等），更輕松地操作智能儀器儀表。

3 智能儀器儀表中單片機的抗干擾措施

3.1 硬件抗干擾措施

單片機在智能儀器儀表中受到了最大干擾來自于電源。瞬時短路、電源通斷、電網串進來的干擾脈沖導致在所有干擾中，單片機的誤動作占比超過九成。在消除電源干擾方面，過去所采取的措施多是利用低通電源濾波器、加交流穩壓器，又或是發揮隔離變壓器的作用，將不間斷電源（UPS）利用起來，這些措施只能起到一定效果，根本不能完全消除干擾。比如，UPS 可以確保在干擾期間不會丟失RAM 中的數據，但卻無法讓反應時間一致于微秒級的干擾脈沖，最終破壞了CPU 的正常運行。若是運用電源電壓監視器，則可很好地解決了上述問題。其能夠自動監測到系統電壓的瞬態脈沖和瞬態欠壓干擾，并及時將復位脈沖發給單片機系統，讓單片機能夠可靠復位，與此同時，還可以保護外部RAM 存儲器，以免丟失信息。現階段所采用的電源電壓監視器，不僅能夠很好地監視電源電壓，且還可以自動轉換備用電池，同時也具有掉電檢測以及“看門狗”功能。在設計過程中應盡量選擇使用此類性能高的芯片，如此便可以讓電路設計得到簡化，并促進系統可靠性增強。

3.2 監視定時器

監視定時器主要應用于程序運行中，經常以“看門狗”來稱呼它，最近幾年其使用日益廣泛。使用此類電路，可以在非常短的時間內拉出走飛或陷入死循環的單片機，讓其可以進入到正常程序之中。同時還有部分系列的單片機，比如8098，就專門配備了這一設備，當系統處于運行狀態時，只需將其啟動，那么當計算機出現溢出時，便可以把其中存在的RESET引腳拉至低電平，使之以最快的速度恢復原位。針對8031、8032等目前使用頻率較高的單片機（MCS-51系列），由于其內部未對監視定時器予以采用，因而就必須將硬件的“看門狗”電路由外部接入進來。不僅如此，為了讓程序在出現失控和“跑飛”后迅速恢復正常，便可利用軟件抗干擾技術。

3.3 光電隔離

智能儀器儀表設備中涉及負責輸出以及輸入的通道，通道和單片機系統之間，應通過光電進行隔離，如此才可以真正起到抗干擾的作用。與此同時，能夠隔離單片機系統和外界，確保電流不會干擾系統，促進單片機抗干擾能力的提高。就數字信號而言，光電隔離十分簡單，直接運用光電耦合器即可。就模擬信號而言，其要展開的隔離復雜性較強，差分放大器、隔離放大器以及V/F 轉換光電隔離電路等的應用頻率高，具體運用過程中需結合具體狀況進行選擇。通過實踐證實，光電耦合適用于抑制尖峰脈沖以及各類噪聲干擾中。如圖2所示，此類電路所具備的抗干擾能力明顯高于普通電路。

圖2 用光電耦合的雙穩態電路

3.4 軟件相關抗干擾措施

對于硬件抗干擾措施而言，能夠加強單片機系統所具備的抗干擾性能，但使其作用仍有限，需要重視單片機系統中軟件系統的研究以及設計。

3.4.1 設置自檢程序

軟件自檢系統是首要防范手段，在系統開機后，可以借助軟件的形式，將系統硬件和運行狀況反映出來，立足于軟件反饋的系統狀況，能夠明確硬件涉及到的問題以及故障，同時可以幫助技術人員第一時間排除故障。系統在實際運轉的過程中，可以持續地進行動態掃描，查看系統硬件是否存在異常問題。借助此方式可以第一時間發現和解決問題。此外，第一時間發現問題還能更好地總結問題，以及發現、記錄問題。

3.4.2 設計軟件陷阱

針對非程序區而言，應涉及部分陷阱，程序在正常運轉時不會進入到非程序區中，但在程序走飛之時很容易遇到這些設置的陷阱，同時在陷阱位置強制性讓程序復位，如此，涉及走飛程序，能夠順利地回到最初狀態，且避免“死機”等相關問題的出現。比如，MCS-51系統運用到的單片機，針對非程序去，可采取0200000002000000……把其填滿。如此，無論是PC 失控后會指向哪種字節，最終均能將程序拉到最原始的復位狀態。

3.4.3 軟件保護輸出

軟件保護輸出表現為通過軟件防止硬件產生干擾的狀況，如經常出現的電源干擾，采集電源接通和通電過程中會產生的干擾狀況，設置相應的程序清除產生的影響，引導系統恢復正確狀態。如此，就算單片機自身受到干擾，對控制寄存器之中的內容進行改變，但由于指令上出現重復執行的問題，所以可以及時地對錯誤輸出狀態進行提示和改變，進而維持在正確的輸出狀態之中。此種軟件保護形式能夠減少復雜的流程，同時使故障發生率顯著降低。但需要專業的人員展開操作，從總體上而言促進了系統穩定性增強，保證其可以在不影響硬件正常工作的狀況下，保護系統的具體運行狀態，風險系數較低，高效且難度小，應用價值很高。

3.4.4 數據和程序彼此展開的冗余設計

系統保持運行狀態之時，若是借助監視的定時器或監視器等可以讓其出現復位的情況，此時需要精確判斷系統自身能否可以繼續將實時的測控完成。一般情況下，需要結合系統在RAM 區中運行中是否出現損壞的情況進行判斷。若是這些相關數據已遭受破壞，就務必馬上停止運行，然后再次進行冷啟動。要想順利地加強其抵抗干擾的相關能力，可對運行參數實施冗余設計，將全部參數放在RAM 區中會靠近、但不相互的單元中。若是某單元的數據發生了改變，而其他幾個單元中的數據完好無損，那么則可以有效保障系統自身運行的穩定性。就部分子程序或主要的程序段，也可以運用一些冗余設計，如此便能防止其導致系統作出不正確的動作。比如借助I/O 輸出主要信號時，可以間歇或連續地對相對命令進行處理，從而確保此信號準確。

4 運用數字濾波技術

在采集數據的過程中，可以使用軟件展開某種數學處理，以防止受到采樣干擾的影響。其主要是采用中值法、算術平均法、一階低通濾波器法。通過相關實踐證實：對于數字濾波而言，能夠消除數據收集過程中出現的誤差，但需要結合信號變化規律，對具體的方式進行選擇。

5 結語

現階段，我國科學技術發展速度日益加快，在此形勢下，智能儀器儀表的應用日益廣泛，人們越來越依賴智能儀器儀表設備。在智能儀器儀表中，抗干擾能力強的單片機系統需要將軟硬件技術作為重點。硬件可以對諸多干擾信號進行檢測，同時達到隔離和濾除的效果，軟件可以就一些強干擾導致的不良后果，第一時間進行補救，如此便使智能儀器儀表更加安全、可靠。總而言之，借助運用單片機，使單片機的抗干擾性能增強，可以確保數據更加有效、準確，盡量減少錯誤信息帶給智能儀器儀表的不良影響，夯實社會穩定、正常發展的基礎。