单片机系统的抗干扰技术

-1-单片机系统的抗干扰技术周振天(中国矿业大学信息与电气工程学院学号：04071942)摘要：在工业控制系统、教学实验设备和日常生活中，单片机都得到了广泛的应用。单片机控制系统中，极易出现干扰问题，且干扰的来源比较广泛，这会导致单片机控制系统无法运行或在工作过程中产生错乱，严重的甚至引起事故。单片机系统的抗干扰问题比较难于解决，针对这一问题进行长期深入的分析和研究，通过大量实践，为单片机系统的干扰问题提供了一套实用的解决方案。关键词：单片机；控制系统；抗干扰；应用方案SCMsystemanti-jammingtechnologyZhouzhentian（ChinaUniversityofMiningInformationandElectricalEngineeringStudentID:04,071,942）Abstract:Inindustrialcontrolsystems,laboratoryequipment,teachinganddailylife,theMCUhavebeenwidelyused.Microcomputercontrolsystem,pronetointerferenceproblems,andthesourcesofinterferenceinverybroadterms,thiswouldresultinmicrocomputercontrolsystemcannotrunorintheworkgeneratedintheprocessdisorder,aseriousandevencauseanaccident.Comparisonofanti-interferenceinSCMsystemsishardtosolvethisproblemforlong-termin-depthanalysisandresearchthroughalotofpractice,inordertointerferewiththesystemmicrocontrollertoprovideapracticalsolutionKeywords:microcontroller;controlsystem;anti-jamming;applications0引言单片机(SingleChipMicrocomputer或MicroControllerUnit)控制系统以其性价比高、编程灵活、体积小、功能强大等优势，在各行各业中得到了广泛的应用。单片机组成的控制系统必须具有较高的灵敏度，灵敏度越高，更容易把干扰引入系统中。在强噪声背景下，被测信号往往被淹没，使测量无法进行。在工业现场的应用中，存在多种干扰源，它们以一种或者多种方式作用于计算机测控系统，对系统产生强烈的干扰，往往使系统的性能指标偏离设计要求，导致错误结果，因此抗干扰技术己成为单片机控制系统设计开始时就必须考虑的环节1单片机干扰的来源类型原因-2-所谓干扰就是影响正常工作的另一种噪声。干扰以某种电信号的形式，通过渠道。混入有用信号中侵入单片机系统．造成系统工作不稳定。在各种实际环境中，干扰总是存在的，这些干扰降低了电子系统准确性甚至破坏其可靠性。抗干扰就是针对干扰产生的性质、传播途径、侵入的位置和侵入的形式，采取相应的方法消除干扰源。抑制干扰传播途径．减弱电路或元件对噪声干扰的敏感性。使单片机系统能在线正常、稳定地运行。其干扰主要来源于空间干扰、供电系统干扰及过程通道干扰。空间干扰来源于周围的电气设备如发射机、中频炉、晶闸管逆变电源等发出的电干扰和磁干扰；广播电台或通信发射台发出的电磁波；空中雷电，甚至地磁场的变化也会引起干扰。这些空间辐射干扰会使单片机系统不能正常工作。供电系统干扰是由于电源的噪声干扰引起的。由于工业现场运行的大功率设备众多．特别是大感性负载设备的启停会使得电网电压大幅度涨落．工业电网电压的欠压或过压常常达到额定电压的15％以上。过程通道干扰是干扰通过前向通道和后向通道进入系统。例如在单片机控制系统中，所采集数据的误差主要是由于干扰信号窜人了前向传感器通道中，使信号发生了较大的偏差所致。这种偏差往往会造成系统误动作，使控制失常。2硬件抗干扰技术2.1解决空间干扰的主要措施(1)单片机控制核心电路最好设置在一块独立的印刷板上，与其它电路隔离，应注意元件布局，必要时可对单片机控制核心电路加屏蔽措施，另外也要注意做好电路板和机壳的屏蔽接地。(2)晶振与单片机的引脚应尽量靠近，晶振应固定，外壳应接地。(3)为防止感性负载产生电磁干扰的影响，在感性负载，特别是直流感性负载的两端应加保护二极管或阻容吸收电路。(4)在单片机不需要进行高速运算时，可选用频率较低的晶振，以避免时钟信号太高带来的干扰。2.2解决供电系统干扰的主要措施1)使用交流稳压器，可防止电网过电压和欠电压干扰，保证供电的稳定性。2)变压器初次级用屏蔽层隔离，减少其间分布电容，提高共模抗干扰能力。3)低通滤波器可滤去干扰带来的高次谐波。-3-4)整个系统采用分立式供电方式，分别对各部分进行供电。5)采用开关电源并提供足够的功率余量。2.3解决过程通道干扰的主要措施(1)与单片机输入、输出口相连的引线较长时，可使用双绞线来进行信号传输，并配合光电耦合器，可以很好地解决长传输线的干扰问题，(2)在单片机的输入和输出电路中，采用光电耦合器，以实现强弱电隔离，模拟地和数字地分开，以解决强弱电信号和模拟数字信号间通过电源回路形成的干扰。(3)注意电平匹配，特别是rrrL与CMOS电路的匹配问题。集成电路，特别是CMOS集成电路的空脚不要悬空，可根据逻辑要求接地或正电源。(4)对于采用三态门的总线结构，可给总线接上拉电阻，使总线避免出现悬空状态，以增强总线的抗干扰能力。3软件抗干扰技术3.1软件缺陷技术软件陷阱就是用引导指令将捕捉到的乱飞程序引向复位入口地址0000H处，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正规，实现的方法可在程序存储器的未端使用区域中加上几条空操作指令和无条件跳转指令，无条件跳转指令转向复位入口地址。3.2指令冗余CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当单片机受干扰出现错误时，程序便脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到某双字节指令时，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错；若“飞”到三字节指令，出错几率更大。因此，在关键地方人为地插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写，称为指令冗余。通常是在双字节和三字节指令后插入2个字节以上的空操作指令NOP，避免后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。在对系统流向起重要作用的指令如RET，RETI，JMP，JC等指令之前插入2条NOP，也可将乱飞程序纳入正轨，确保指令的执行3.3“看门狗”技术指令冗余技术和软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱死循环的困境，通常采用“看门狗”技术，就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，然后强迫程序返回到OOOOH入口，在-4-OOOOH处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正轨。软件看门狗一般要占用单片机系统的定时器，在51系列中可占用T0或T1．并且将这两个定时器设置为最高级中断，在主程序中要根据定时器的溢出周期对定时器进行初始化，一旦程序受到干扰跑飞．则在中断子程序里设置一条出错跳转指令．将程序转移到出错子程序中．在出错子程序中完成整个程序的初始化过程，使程序从头执行。3.4延时抖动技术工业测控系统往往会遇到强干扰，如浪涌电压、电源过压、欠压以及尖峰干扰等，在软件设计中可以采取措施加以避开，当干扰到来时，使CPU暂停工作，待干扰过后再恢复CPU工作。4结束语单片机系统的干扰问题来源比较广泛，在实际工作和应用中应根据具体情况具体分析，找到干扰的主要来源，并采用相应的方法来解决。对于一些干扰源难于判断或比较复杂的场合，以上抗干扰措施可综合使用。从根本上来说，硬件抗干扰是主动的，软件抗干扰是被动的。在单片机应用系统的设计过程中，合理地使用软件和硬件抗干扰技术，可使系统最大限度地避免干扰的产生和受干扰后能使系统恢复正常运行，从而保证了系统长期稳定可靠地工作。参考文献：[1]张秀红单片机控制系统的抗干扰技术探讨机电产品开发与创新-2009年1期[2]周遐,曹云川,金瑞,钟思佳单片机控制系统抗干扰技术应用方案昆明冶金高等专科学校学报-2009年3期[3]周慧,陈强,张晓东,李俊单片机控制系统抗干扰技术研究石油矿场机械-2007年10期[4]丁玲玲．单片机应用系统抗干扰技术的探讨[J]．中国科技信息，2007(3)：103—104．[5]葛素娟，朱祥贤．单片机应用系统的抗干扰技术[J]．重庆科技学院学报，2006，8(4)：68—71．[6]白云飞，曲尔光．计算机控制系统的抗干扰技术[J]．科技情报开发与经济，2007，17(1)：237—238．[7]蔡美琴．MCS-51系列单片机系统及其应用[M]．北京：高等教育出版社，1999．[8]刘光斌．单片机系统实用抗干扰技术[M]．北京：人民邮电出版社，2004．-5-[9]张毅刚．MCS-51单片机应用设计[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997．[10]王立萍，吴黎明．单片机系统的抗干扰问题研究[J]．石油矿场机械，2006，35(5)：35—38．