單片機控制系統抗干擾措施應用

董斌華，何林燕

（1.海南三亞91868部隊，海南 三亞 572016；2.陜西科技大學，陜西 西安 710021）

單片機具有體積小、成本低、可靠性好、控制功能強等優點，已被廣泛用于工業過程控制和軍事領域中，然而在單片機控制系統中，因其受到多方面的干擾，影響了系統的可靠性，為了保證系統在各種復雜的環境中長時間、安全、穩定的運行，必須解決好其一直存在的一個常見關鍵而又難以解決的問題——抗干擾問題。在單片機控制系統中，干擾源主要來自來自兩個方面：一是來自系統內部元器件在工作時產生的干擾，干擾信號通過地址線、電源線、信號線、分布電容和電感等傳輸，影響系統工作狀態；二是來自系統外部其他電氣設備產生的干擾，通過傳導和輻射等途徑影響微機控制系統和應用系統的正常工作[1]。為使單片機控制系統正常工作，在硬件和軟件兩方面均可采取一定抗干擾措施來提高系統的可靠性。

1 硬件抗干擾措施

硬件技術適合于消除頻率較高信號中的干擾，主要是抵抗空間輻射干擾，輸入/輸出通道干擾及供電系統的干擾。

1.1 抑制電源干擾措施

電源產生的干擾主要是從電源和電源引出線侵入系統的，可以以下措施抑制電源干擾：

（1）采用開關電源供電，開關電源具有效率高、體積小、輸入電壓范圍寬等優點。盡管它自身引起的脈沖干擾較大，但一般具有較好的初—次級隔離，對存在于交流電網上的高頻脈沖干擾有較強的隔離能力[2]。

（2）采取電網濾波技術，即在開關電源前增加電源濾波模塊，以濾去電網中由各種大功率設備產生的尖峰脈沖干擾；直流電源濾波，對穩壓后的直流電源進一步采取濾波技術，如對各種芯片電源增加電容濾波，對直流電源與地線增加電感濾波；孟繁榮等[3]人為遏制氙燈觸發器在電源端產生的干擾信號，在電源端進行了多級的隔離與濾波措施，結果表明：經過多級濾波網絡與隔離措施，電源輸出波形上的干擾幅值已經控制在一個系統允許的范圍之內。

（3）在單片機控制系統中加入有電容構成的退耦電路，以抑制系統中產生的干擾信號通過地線耦合，造成自激振蕩，引起系統錯亂或不能正常工作現象的發生[4]。

（4）在單片機與外圍控制電路應采用獨立的變壓器或開關穩壓電源來分別供電，以實現電源隔離，從而對電網干擾起到一定的抑制作用[5]。

（5）合理布線及采用良好的接地系統，地線和電源線盡可能布粗些，線路的走向盡量按輸入到輸出分布[6]；單片機系統既有模擬電路，又有數字電路，模擬地和數字地需分開。高頻電路應就近多點接地。低頻電路應一點接地。交流地與信號地不能共地。當A/D轉換器的模擬信號較弱，可采用三線采樣雙層屏蔽浮地技術，提高抗共模干擾的能力。

1.2 抑制輸入輸出通道干擾措施

輸入、輸出信號通過隔離可以切斷干擾信道，避免強電流對回路的沖擊。常用的隔離方法有光電隔離、繼電器隔離和變壓器隔離。變壓器隔離是傳遞脈沖輸入、輸出信號時，不能傳遞直流分量，因此常用于不要求傳遞直流分量的輸入輸出控制設備中。對數字信號的隔離采用光電耦合器。采用這種方法時，信號的傳遞是通過光—電信號傳遞的，沒有直接的電信號連接，因此隔離了干擾傳播途徑。這種方法隔離不斷輻射和感應干擾，在具體設計時應在A/D后和D/A前加光電耦合器[7]。對模擬量來說，可以采用光電藕合器、繼電器、隔離放大器和差動放大器等隔離[8]。

1.3 抑制空間輻射干擾的措施

采取屏蔽保護能有效地抑制來自電場和磁場的干擾。對元器件進行屏蔽（變壓器、電感等）減少其對周圍電路的電磁干擾；對傳輸線進行屏蔽，信號線采用屏蔽線，減少外部干擾；對部件進行屏蔽，減少電磁場干擾[9]。其中對低頻電磁波可采用高導磁材料制做屏蔽件，如坡莫臺金鐵，磁鋼等；對高頻電磁波采用高導電率的材料，如銅，鋁等制做的屏蔽件可以抑制電磁干擾[10]。

此外，通過選擇合適的元器件及設計合理的元器件布局也可在一定程度上抵抗干擾，提高系統的穩定性和可靠性。

2 軟件抗干擾措施

軟件抗干擾技術是當系統受干擾后，使系統恢復正常運行，或輸入信號受干擾后去偽存真的一種輔助方法。其具有設計靈活，節約硬件資源，成本低，操作方便易行，通用性強，適用于不同的系統及抵抗不同的干擾等特點。常用的軟件抗干擾措施包括指令冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術等。

2.1 指令冗余

從單片機程序跑飛的根源考慮，單片機受到干擾后，往往會把操作數當作指令碼來執行，引起程序混亂。如果程序跑飛到某一條單字節指令上時，就不會發生將操作數當成指令的錯誤，而能自動納入正規。當跑飛的雙字節或三字節指令操作時，程序將繼續彈飛。因此，宜盡量采用單字節指令，并在關鍵地方適當的插入幾個單字節的空操作指令NOP或將有效單字節指令重復使用，就可以保護其后面的指令不被拆散而被完整的執行。

2.2 軟件陷阱

軟件冗余技術適用于干擾后PC指向不正確的程序區，當PC指向非程序區或者表格區時使用冗余指令的措施已經不再適用，可采用軟件陷阱的辦法攔截跑飛程序將其迅速指向一個指定位置[11]。軟件陷阱，就是用引導指令強行將撲獲到的亂飛程序引向復位入口地址0000H，在此處將程序轉向專門對程序出錯進行處理的程序，使程序納入正規。具體做法是將未使用的EPROM空間即非程序區用0000020000數據填滿，但要注意，最后一條填入數據應為020000。這樣，當亂飛的程序進入此區后，便會迅速自動入軌。對于MCS-51系列單片機，假設出錯處理程序入口標號為ERROR，則軟件陷阱指令如下：

NOP

NOP

LJMPERROR

軟件陷阱一般安排在以下位置：①未使用的中斷向量區，在干擾可使未使用的中斷開放并激活中斷的地方設置軟件陷阱即可及時捕獲到錯誤中斷；②未使用的ROM空間，在實際使用過程中對未使用的EPROM空間應全部填充為00H，因為程序復位入口地址為0000H，當“跑飛”的程序指針跳至無程序處，可以讓其重新指向主程序入口，起到防“跑飛”的功能；③表格，儲存在EPROM中的表格后安排軟件陷阱可在一定程度上防止軟件“彈飛”；④程序區。一般程序中不能任意安排軟件陷阱，但在正常程序中會有一些跳轉指令，在這些指令后使用軟件陷阱可捕獲到彈飛到跳轉指令的操作數上的出錯程序[12]。

2.3“看門狗”技術

“看門狗”的作用就是防止程序發生死循環，或者說程序跑飛。其是通過不斷監視程序運行時間，當程序運行出現故障時，計數器溢出，系統復位并重新運行系統程序。

2.4 延時抖動技術

工業測控系統往往會遇到強干擾，如浪涌電壓、電源過壓、欠壓以及尖峰干擾等，在軟件設計中可以采取措施加以避開，當干擾到來時，使CPU暫停工作，待干擾過后再恢復CPU工作。

另外，通過數字濾波，掉電保護，人工復位，設立標志判斷、增加數據安全備份等軟件抗干擾措施也能起到很好的抗干擾效果，提高系統的可靠性。

3 結語

硬件抗干擾措施和軟件抗干擾措施各具特點，硬件措施如果得當，可將絕大部分干擾拒之門外，但仍然會有少數干擾進入微機系統，故軟件措施作為第二道防線必不可少軟件抗干擾措施是以CPU為代價的，如果沒有硬件消除絕大多數干擾，CPU將疲于奔命，無暇顧及正常工作，嚴重影響系統的工作效率和實時性，在實際應用中若將硬件和軟件抗干擾有效的結合起來，則能起很好的抗干擾效果，保證系統準確，可靠的運行。

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[3]孟繁榮，張镠鐘.單片機控制系統中的抗干擾設計[J].應用科技，2006，33（8）：25-27.

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