浅析单片机系统特点及抗干扰技术

2022-09-11

近几年来, 单片机的迅速发展, 它已渗透到诸多学科的领域, 以及人们生活的各个方面[1]。

1 单片机的性能特点

单片机具有以下特点: (1) 受集成度限制, 片内存储容量较小, 一般8位单片机的ROM小于4/8K字节, RAM小于256字节, 但可在外部扩展, 通常R O M、R A M可分别扩展至6 4 K字节。 (2) 可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的, 其抗工业噪声干扰优于一般通用C P U;程序指令及常数、表格固化在R O M中不易破坏;许多信号通道均在一个芯片内, 故可靠性高。 (3) 易扩展。片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚, 很容易构成各种规模的计算机应用系统。 (4) 控制功能强。为了满足工业控制要求, 一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。一般说来, 单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。 (5) 一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件, 只放置有用户调试好的应用程序。但近年来也开始出现了在片内固化有B A S I C解释程序的单片机。

2 单片机应用系统的结构及构成方式

通常, 一个微型计算机系统由微型计算机与外部设备组成。而微型计算机则包含有微处理器 (通称C P U) , 存储器 (存放程序指令或数据的ROM、RAM等) , 输入/输出口 (I/O) 及其他功能部件如定时/计数器、中断系统等。它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来, 通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。C P U中配置有指令系统, 计算机系统中配置有驻机监控程序、系统操作软件及用户应用软件[2]。

目前用户在构成应用系统时, 有三种构成方式可供选择。 (1) 专用系统。系统的扩展与配置完全按照应用系统的功能要求设计的。 (2) 模块化系统。鉴于单片机应用系统的系统扩展与配置电路具有典型性, 因此, 有些厂家将这些典型配置做成用户系列板, 供用户选择使用。用户可根据应用系统的需要选择适当的模块板组合成各种测、控系统。 (3) 单片单板机系统。受通用CPU单板机的影响, 国内有用单片机来构成单片单板机, 其硬件按照典型应用系统配置, 并配有监控程序, 具有自开发能力。

3 单片机抗干扰技术分析

3.1 干扰源

单片机系统中的干扰有多种类型。一是来自空间辐射的干扰。可控硅逆变电源、变频调速器、发射机等特殊设备在工作时会产生很强的干扰, 在这种环境中单片机系统难以正常运行;二是来自电源的干扰。各种开关的通、断、火花干扰、大电动机启停等现象在工业现场很常见, 这些来自交流电源的干扰对单片机系统的正常运行危害极大;三是来自信号通道的干扰。

3.2 干扰产生渠道

在实际的应用系统中, 测控信号的输入输出是必不可少的。在工业现场中, 这些I/O信号线、控制线有时长达几百米.不可避免地会把干扰引入到系统中。如果受控对象是强干扰源, 如可控硅、电焊机等, 则单片机系统根本无法运行。

3.3 硬件抗干扰措施

根据干扰的产生及传输特点, 在硬件上可以采取以下措施: (1) 硬件屏蔽。将系统安装在对电磁辐射干扰具有屏蔽作用的金属机箱中, 并进行正确接地, 可以有效地抑制强电设备产生的空间辐射干扰。 (2) 光电隔离。对于开关量信号用光电隔离器隔离以后再进行输入输出, 对于模拟量信号可选用光电隔离器或变压器隔离后再进行输入/输出, 并使用双绞线或屏蔽线进行信号传输, 这样就可以有效地克服信号传输通道带来的干扰。 (3) 电源滤波。对于来自电源的干扰, 可采用低通滤波器以及带有屏蔽层的电源变压器来进行抑制。 (4) 电源去耦。对于系统中每一片集成电路, 在电源和地之间都要加上去耦电容。该电容既是本芯片的蓄能电容, 也能抑制高频噪声。 (5) 在满足要求的前提下尽量用较低的时钟频率和低频的器件。 (6) 合理布置元件在线路板上的位置, 把模拟电路、高速数字电路和产生噪声的功率驱动部分合理地分开。各部件之间的引线尽量短, 对各种输入输出线进行分类, 以减少寄生电容的干扰。 (7) 系统中芯片的未用端不要悬空, 应根据实际情况接到电源端、地端或己用端。 (8) 尽量不用I C插座, 而将集成电路直接焊接在电路板上。

3.4 软件抗干扰措施

在软件设计中, 可以采取适当的处理来提高系统的可靠性, 以保证当系统受到干扰时仍能正常地工作。通常可以采取以下一些措施: (1) 在程序中插入空操作指令实现指令冗余。系统在工作时容易因干扰而使P C指向程序存储器的非代码区, 从而导致”死机”。为此可以在程序中插入一些单字节的空操作指令N O P, 失控的程序执行该指令后得到调整而转入正常。 (2) 对未用的中断向量进行处理。在程序中对未用的中断都编写出相应的错误处理程序, 若因干扰触发了这些中断, 则执行完简单的出错处理程序后可以正常返回。 (3) 采用超时判断克服程序的死锁。在系统的数据采集部分, 如A/D转换结果采用查询方式读取, 若因干扰使A/D转换结束标志无效, 则程序就会进入死循环。针对类似情况, 可在程序中采用超时判断, 若系统在一定的时间内采集不到有效的标志, 就自动放弃本次采样, 从而避免程序死锁的发生。 (4) 采用软件陷阱。当程序因干扰而“跑飞”时, 可在非程序区设置陷阱, 强迫P C进入一个指定的地址.执行一段专门对死机进行处理的程序, 使系统恢复正常。软件陷阱可安排在未使用的中断区和未使用的大片R O M空间。可由以下三条指令构成: (1) N O P; (2) NOP; (3) LJMP ERR。 (5) 采用看门狗。软件方法是利用单片机中未用的定时器进行定时, 在主程序每一次循环的特定时刻刷新定时器的时间常数, 若定时器因系统死机而得不到刷新, 就会产生溢出而引起中断, 在其中断服务程序中进行出错处理后转入正常运行。看门狗芯片也相当于定时器, 系统在每一次循环中用一根口线使芯片复位, 若芯片因系统异常而得不到复位, 其接到M C U复位端的溢出信号就能使系统恢复正常运行。 (6) 采用数字滤波。为了提高数据采集的可靠性, 减小虚假信息的影响, 可以采用数字滤波的方法, 如程序判断滤波、中值滤波、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、一阶滞后滤波等, 也可以对数据进行非线性补偿和误差修正, 从而提高数据精度。

摘要：单片微型计算机以其强大的生命力飞速发展, 在工业控制、智能仪器仪表、智能化设备和家用电器等领域得到了广泛的应用。本文就单片机的性能特点基础上, 分析了单片机应用系统的结构及构成方式, 最后就单片机抗干扰技术进行详细分析。

关键词：单片机,系统结构特点,抗干扰分析