小议单片机系统抗干扰技术

2022-09-11

鉴于单片机系统的硬件电路构成情况十分复杂, 所使用的元器件种类也十分繁多, 因此, 为确保单片机系统能够在各种各样的环境中正常运行, 应用抗干扰技术就显得十分重要。抗干扰技术主要就是指依据干扰性质、干扰传播途径及侵入位置等采取有针对性的方法以消除干扰源, 从而有效抑制干扰的传播途径, 使单片机系统能够正常而稳定地运行。

1 单片机系统的构成情况

单片机系统的硬件电路主要由五个部分构成:其一是信号检测部分;其二是信号处理与控制部分;其三是控制信号驱动部分;其四是系统交互部分;其五则是显示部分。由此可见, 单片机系统的构成成分较为复杂, 不仅包括了多种类型的传感器, 种类繁多的继电器、接触器及电磁阀, 而且还有各种集成电路, 多种形式的耦合器件、各执行部件以及显示器件等等。

2 单片机系统受干扰的种类

干扰是指叠加在有用信号之上的那部分无用信号。干扰以电信号的形式存在, 通过混入有用信号的形式来侵入单片机系统, 从而导致系统无法稳定工作。在各种实际环境之中, 干扰总是不可避免地存在着, 这些干扰极有可能会降低电子系统的有效性, 甚至将破坏电子系统的可靠性。干扰分为主要两种形式:一种是系统内部元器件在工作过程中所产生的干扰, 克通过地址、电源线、信号线及电感等进行传输, 进而影响到系统的工作状态。另一种是系统外部的其它设备所形成的干扰, 主要可通过传导辐射等进行传播, 从而影响到单片机系统的工作。

3 单片机硬件抗干扰技术

3.1 抑制电源干扰

系统可采用交流稳压器, 从而确保供电之稳定性, 防止电源产生过压或欠压。我们可使用隔离变压器来滤去高频噪声, 还可使用低通滤波器来滤去工频干扰。主机部分则可利用单独稳压电路来抑制干扰。

3.2 使用过压保护电路

在输入输出的通道中, 要采用过压保护电路, 以防止引入高电压, 避免伤害到系统。过压保护电路一般是由限流电阻及稳压管构成。要选择合理的限流电阻, 一旦电阻过大, 就会造成信号衰减, 而电阻过小, 则难以起到有效保护稳压管的作用。在稳压管稳压值的确定上, 应当略高于最高传送信号的电压, 如果太低, 就会对有效信号产生限幅效果, 从而造成信号失真现象。

3.3 采取差动放大输入和输出信号

鉴于绝大多数干扰信号都是共模信号, 所以, 为有效抑制干扰, 可顺势采用差动放大器与双端输出信号。在接收过程中, 要运用差动放大电路, 把信号转换成为单端信号。这种抗干扰的方法, 在应对远距离信号输送的抗干扰上显得十分有效。

3.4 减少系统连接中工作部件之间的干扰

在单片机系统中, 可充分利用双绞线来解决控制系统中所出现信号长线传输问题。事实证明, 双绞线的抗干扰能力很强, 能够让各个小环路上的电磁感应干扰实现相互抵消。况且, 双绞线的分布电容仅为数十皮法, 距离信号源十分近, 不仅能起到积分的作用, 而且还能对电磁场产生一定的抑制效果。

3.5 配置去藕电容

数字电路信号进行电平转换的过程中, 十分容易产生巨大的冲击电流, 还有可能在传输线与电源的内阻上造成较大压降, 形成较为严重的干扰。为有效控制这种干扰, 可在系统电路中合理地配置去耦电容, 其作用是主要有两个方面:其一是能够提供和吸收集成电路在开门瞬间的充、放电能量, 其二是还能过滤集成电路的部分高频噪声。在电路布线的过程中, 去耦电容一定要尽力接近集成电路的电源输入端。

4 单片机软件抗干扰技术

4.1 使用软件看门狗

单片机系统受干扰之后, 极有可能形成程序失控, 引起程序乱飞现象, 也有可能导致程序进入死循环状态。如果使用了看门狗技术, 就可不断地监视程序运行的时间, 一旦发现时间已经超过了设定的时间, 那么就可以认为系统已进入到了死循环状态。那么, 看门狗将立即采取行动, 将CPU复位, 并强迫程序返回到0000H处, 并在该处设置出一段出错处理程序, 从而让系统能够运行, 并返回到正常程序之中。软件看门狗一般占用的是单片机系统的定时器。在主程序运行过程中, 要围绕定时器的溢出周期对定时器实施初始化处理, 如果程序已经受到了干扰跑飞, 那么就应当在中断的子程序中设置出一条内容为出错跳转的指令, 并随即将程序转移至出错子程序行列, 并在出错子程序当中来完成程序的初始化过程。

4.2 采用软件陷阱

所谓的软件陷阱, 主要就是指用引导指令将捕捉到的各种乱飞程序重新引到复位入口地址0000H处, 并在该处转到专门对程序出错开展处理的程序, 从而让程序纳入正规流程。使用方法是在程序存储器的未使用区域中加入几条空操作指令和无条件跳转指令。无条件跳转指令都会转向复位入口的地址。

4.3 运用指令冗余

指令冗余主要是运用在程序区之中, 运用指令冗余的主要方法是:在正常的指令之后, 要插入一部分NOP指令, 或者是将有效字节进行重写。在运用了指令冗余技术之后, 不但能够让跑飞程序纳入到正规流程, 而且还能有助于消除单片机系统要面对的随机干扰, 进一步提高系统的可靠性。

4.4 实施开机自检

开机自检程序主要包括了对R A M、ROM与I/O口等状态所进行的检测。在程序的编制中, 可以将RAM或ROM中的内容分区分别存放, 在程序运行的初始或中间过程, 要经常对上面这些数据开展比较检查, 一旦发现有数据出错, 就立即重写这部分数据, 避免系统受到干扰。

5 结语

综上所述, 抗干扰技术是一项较为复杂的技术手段, 然而又是单片机系统在设计过程中必须要详加考虑的重要环节。笔者认为, 惟有有效地运用硬件抗干扰与软件抗干扰技术, 才能保证单片机系统的长期、稳定与可靠的运行。就抗干扰技术而言, 硬件抗干扰是十分主动的, 而软件抗干扰则是较为被动的。与硬件抗干扰技术进行比较, 软件抗干扰技术不仅在设计上较为灵活, 而且还能节约硬件资源, 成本也较低。在工程实践之中, 我们往往采取多种抗干扰方法并用的形式, 通过多种手段的互相补充、完善, 从而取得最为理想的抗干扰效果。

摘要：单片机系统抗干扰能力的强弱, 一直是设计工作中必须考虑到的重要课题。然而, 由于单片机系统的复杂性, 如何应用抗干扰技术, 对于系统究竟要采取哪些措施, 对于设计者来说, 还是一个难题。本文就此分析了单片机系统的构成情况及受干扰的种类, 并分别从硬件抗干扰和软件抗干扰等方面探讨了单片机系统抗干扰技术。

关键词：单片机系统,硬件抗干扰,软件抗干扰