单片机应用系统的抗干扰技术 - 单片机/处理器 - 电子工程

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单片机由于其优异的性能价格比，在过程控制、运动控制、智能仪表、医疗器械等各个领域的应用越来越深入和广泛，有效地提高了生产效率和经济效益。然而,在科研所或实验室研制并通过调试的单片机系统，将其置入现场后，往往出现这样或那样的问题，系统变得不可靠，不能够正常工作。产生这种情况的原因主要是现场环境复杂、各种各样的干扰造成的，因此，单片机应用系统中抗干扰问题一直是设计中的一个十分重要的课题。下面从软件、硬件两个方面讨论采取综合抗干扰措施，来提高系统的可靠性。

1 硬件方面的抗干扰措施

1． 1 抗电源干扰的措施

单片机应用系统中许多干扰都来自电源，电源的通断、瞬时短路及电网串进来的干扰脉冲造成单片机的误动作占各种干扰的90％以上。而由于生产负荷的变化生产的 "尖峰干扰"在系统运行中的危害性是很严重的。生产 "尖峰干扰"的用电设备包括：重型交直流电机、继电器、可控硅、电焊机、电梯、镇流器、电烙铁和其他大电流用电设备。这些设备的通断，往往造成工业电网电压出现几百伏，甚至几千伏的尖峰脉冲。因此抑制电源引起的干扰至关重要。

主要采用下面的方法：

(1)系统供电电源选用相对干净的照明电源；

(2)使用隔离变压器、低通滤波器等将交流电网的地与设备地相隔离，也可使用光电耦合器进行隔离；

(3)使用干扰抑制器。他是一种四端无源网络产品，利用频谱均衡器的原理，把尖峰电压集中的能量分配到不同频率上，从而抑制"尖峰干扰"；

(4)使用瞬间电压抑制器(Ttansient Voltage Suppressor，TVS)。他是一种高效能的保护器件，当TVS的两极受到反相瞬态高能量冲击时，他以10～12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗转为低阻抗，使两极间的电压嵌位于一个预定值。从而有效保护了电子线路中的有关器件免受电网干扰的冲击，这种器件应用广泛。

1．2 输入通道的抗干扰措施

输入通道包括模拟输入通道和数字输人通道。

(1)模拟输入通道干扰的抑制

模拟输入电路的任务是完成在现场对检测对象量值的检测、采集。单片机的A／D转换器接受信号的方式一般为非平衡式输入，共模、差模干扰混入信号中进入系统，要彻底排除难度较大，一般采用以下方法。

①将增益放大器安装在传感器附近，尽量采用差动输入，以减小共模干扰的混入。

②为减小因感应引起的干扰，传输线采用双绞线或屏蔽线，以屏蔽线较佳，屏蔽线的屏蔽层应在现场一端接地，在靠近A／D芯片端应并联一限幅电路，以消除大幅度的差模干扰。

(2)数字输入通道干扰的抑制

数字输入通道主要用于现场开关量采集和通讯，数字输入通道一般采用光电隔离技术。由于光电耦合器具有很高输入阻抗和输出绝缘电阻，抗干扰能力强。采用这种技术不但可以使主机与输入通道隔离，还可以使主机和输出通道隔离。因此在单片机应用系统中得到了广泛的应用。

2 软件方面的抗干扰措施

要使系统正常工作，抗干扰不能完全依靠硬件来解决，还需要在软件设计上采取一定的抗干扰措施。

2．1 数字滤波

无论在硬件电路设计上采取多少抗干扰措施，都不可能完全消除干扰信号，因此，外界的干扰信号总是或多或少地要进入系统中。数字滤波是通过程序设计对单片机数据采集部分输入的信号进行加工处理，以达到抗干扰的目的。主要包括：程序判断滤波法、算术平均值滤波法、滑动算术平均值滤波法、中位值滤波法等。

2．2 指令冗余

当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。这时我们首先要尽快将程序引入正轨。以AT89系列单片机为例，他的所有指令都不超过3B，而且有很多单字节指令。当程序"跑飞"到某一条单字节指令上时，便自动纳入正轨。当"跑飞"到某一双字节或三字节指令上时，有可能落到其操作数上，从而继续出错。因此，有必要在关键的地方人为地插入一些单字节指令(NOP)，或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余。

在双字节和三字节指令之后插入2条NOP指令，则这条指令就不会被前面的失控程序拆散，并将被完整执行，从而使程序走上正轨。但不能加入太多的冗余指令，以免明显降低程序正常运行的效率。因此，常在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入2条NOP指令，以保证"跑飞"的程序迅速纳入正确的控制轨道。此类指令有：RET，RETI，LCALL，SJMP，JZ，CJNE等。

2．3 软件陷阱的设置

指令冗余不能完全解决程序"跑飞"的问题，若"跑飞"的程序没有落到程序区则指令冗余就无能为力了。对于此种情况采用设置软件陷阱的方法加以解决。这种方法是在非程序区设置拦截措施，当PC失控、程序"跑飞"进入非程序区时，使程序进入陷井，从而迫使程序返回正常状态。例如，若把这段程序的人口标记为ERR，软件陷阱就可如下书写：

NOP
NOP
LJMP ERR

该软件陷阱除了安置在未使用的用户EPROM区外，还常常安置在未使用的中断向量区、表格区的最后和程序的断裂点后(断裂点是指LJMP，SJMP，RET等类指令)。

2．4 设置看门狗

若"跑飞"的程序既没有落入软件陷阱，又没有遇到冗余指令，而自动形成一个死循环，可利用软件启动单片机的监视定时器(俗称看门狗)来使系统复位。这种方法简单、直观，只需不超过64k状态周期(16ms)的时间(用12M晶振时)，计算机就可恢复正常。但一定要通过软件每隔一定时间(如15ms)使看门狗复位一次。

以AT89系列单片机为例，利用内部定时器的定时功能。先估算主控程序正常运行一个循环的时间t，将定时器定时时间T取比t稍大。主控程序运行过程中执行一次定时器的刷新操作，如果程序正常运行，定时器就不会产生溢出信号而产生中断。当程序"跑飞"失控后，系统由于不能刷新定时器而导致定时器溢出而产生中断。利用定时器中断服务子程序就可以进人错误处理子程序，由错误处理子程序对出错情况进行相应的处理，或者跳到程序起始处，重新执行主控程序。程序如下：

在系统初始化程序中，加入下列代码：

SETB EA ；开中断
SBTB ETl ；允许T1中断
SETB PTl ；将T1设为最高优先级

在主控程序中，加入定时器T1的初始化程序。程序如下：

MOV TLl，#DATAL8 ；TI低8位赋初值
MOV THl，#DATA8 ；T1高8位赋初值
ORL 89H，#2FH ；设T1的工作方式
SETB TRl ；启动定时器T1工作

中断程序如下：

ORG 00lBH ；人口地址
POP A ；丢弃PC指针压人堆栈的错误地址
POP A
MOVA，ttADDH8 ；将要跳转的地址送入
PUSH A
MOVGA，#ADDL8 ；堆栈的栈顶
PUSH A
KETI

执行上述中断服务程序后，将使程序自动将堆栈栈顶的2个内容作为地址指针PC；从而使程序进入所要去的地方，进而正确执行主程序。

3 结 语

本文介绍了单片机系统中常用的几种干扰抑制技术，实践表明，这些方法均是行之有效的。综合运用述技术可大大提高系统的可靠性，降低系统调试和维护的工作强度。