单片机控制系统的抗干扰设计

生产一线单片机系统抗干扰浅析文⊙罗小红（衡东县职业中专学校）摘要:在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，系统变得不稳定，影响其正常工作。

产生这种情况的原因主要是由于所在环境中各种干扰造成的，以致单片机系统的可靠性由多种因素决定的，而系统抗干扰性能就成为系统可靠性的重要指标。

因此，单片机应用系统中抗干扰问题也就成为设计应用中重要的课题。

关键词:单片机系统；干扰来源；抗干扰技术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，单片机系统工作时，可能出现这样或那样的问题，使系统变得不稳定，影响正常工作。

产生这种情况的原因主要是由于所在环境中各种干扰造成的，以致单片机系统的可靠性由多种因素决定，而系统抗干扰性能就成为系统可靠性的重要指标。

因此，单片机应用系统中抗干扰问题也就成为设计应用中重要的课题。

一、单片机干扰来源及后果干扰用数学语言描述为d u/dt ,d i /dt ，雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。

典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

敏感器件有A/D 、D/A 变换器，单片机，数字I C ，弱信号放大器等。

（一）干扰的分类按产生的原因分有放电噪声、高频振荡噪声、浪涌噪声。

按传导方式可分为共模噪声和串模噪声。

按波形可分为持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等。

（二）干扰的耦合方式干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道才对测控系统产生作用的。

耦合方式是通过导线、空间、公共线等，主要有：1、直接耦合。

这是最直接、最普遍的一种方式。

比如干扰信号通过电源线侵入系统。

对于这种形式，最有效的方法就是加入去耦电路。

2、公共阻抗耦合。

常常发生在两个电路电流有共同通路的情况。

为了防止这种耦合，通常在电路设计上就要考虑。

使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。

单片机测控系统的抗干扰能力分析摘要：由于工作环境的多样性，单片机测控系统在工作过程中所受干扰比较大。

为了减少这种影响，提出了抗干扰技术，它是一项系统性的工程，该系统开发的整个过程与环节都要进行抗干扰能力的设计。

本文分析了干扰的来源与形成以及其对单片机测控系统产生的不良影响，从硬件、软件两方面来讨论单片机的抗干扰能力，尽可能的提高整个单片机测控系统的稳定性与可靠性。

关键词：单片机；测控系统；抗干扰能力中图分类号：tp274 文献标识码：a文章编号：1007-9599 (2013) 05-0000-02随着单片微型计算机的应用越来越广泛，主要用于智能化仪表中，尤其是测量控制系统的微型计算机，它是一种新型的微电子设备，具有完善的智能化特性，因而在工业系统中高达90%采用的是单片机测控系统。

由于工业环境中到处都是强弱电设备，不仅有数字电路还有不同模拟电路形成一个强电与弱电数字与模拟共存的局面，同时工作环境电磁干扰强、环境恶劣，其工作性与可靠性都会收到极大的影响。

因此，有必要对单片机测控系统的抗干扰能力进行研究，提高其在电磁环境中的适应能力以及稳定性。

1干扰的来源及形成1.1干扰的来源。

（1）较恶劣的供电环境。

属于重工型企业的铝厂，设备多数是大功率、大感性负载，启动或停止它们都会造成电网电压的大幅度变化，出现欠压、过压的现象，甚至有时候是额定电压的10%，出现这种情况可能持续几分钟或更久。

另外，大功率开关的通断也会造成电网产生尖脉冲，当尖脉冲跟电网的正弦波两者相叠加的时候，其通过交流电源进入到计算机内，对计算机造成了极大的危害，通常情况下，使得计算机发生“飞程序”，出现鼠标乱跳、打印机误动作等故障，使得计算机系统半瘫痪。

（2）严重的噪声环境。

为了实现数据采集或实时控制，模拟量、开关量的输入/输出信号线和控制线长达十几米至几百米，从而对计算机系统的干扰无从避免。

在高压系统调试后，发现在足够大的干扰下，极大的影响了线路分布电容的参数，同时，它对微型计算机引入了够强的干扰，轻微情况只是程序发生错误，影响其正常工作，严重情况下可能导致程序被冲或微机芯片直接被损坏掉【1】。

PIC单片机抗干扰设计摘要:单片机已经普遍应用到各个领域,对其可靠性也提出了更高的要求。

影响单片机可靠性的因素很多,但是抗干扰性能是最重要的一个因素之一。

本文对PIC单片机抗干扰设计主要从硬件干扰抑制技术和软件干扰抑制技术两个大方面来进行分析。

关键词:PIC单片机抗干扰硬件软件1 硬件干扰抑制技术1.1 采用合理的隔离技术采用合理的隔离技术对单片机抗干扰起着非常重要的作用。

隔离不仅能够将外来干扰信号的通道阻断,而且还可以通过控制系统与现场隔离实现抗干扰目的,使得彼此之间的串扰最大限度地降低。

常用的隔离技术主要包括变压器隔离方式、布线隔离方式、光电隔离方式和继电器隔离方式等。

1.2 合理选择系统时钟PIC单片机系统时钟频率为0～20MHz,时基震荡方式主要有四种,每一种时基震荡方式由不同的时基频率相对应:外接电阻电容元件的阻容振荡方式RC,频率为0.03MHz～5MHz;低频晶体振荡器/陶瓷谐振器振荡方式LP,频率为32.768kHz或200kHz;标准晶体振荡器/陶瓷谐振器振荡方式XT,频率为0.2MHz～4MHz;高频晶体振荡器/陶瓷谐振器振荡方式HS,频率为4MHz～20MHz。

外接方式主要有三种:外接晶体振荡器/陶瓷谐振器、外接时钟电路、外接RC。

用户在选择基振荡方式和外接方式时可根据PIC单片机应用系统的性能、应用场合、价格等因素来进行。

外接时钟属于高频噪声源,从可靠性方面来讲,不仅会干扰本应用系统,而且还能够干扰外界。

频率越高越容易成为噪声源,因此应采用低频率的系统时钟,但是必须把与系统性能要求相符作为前提条件。

1.3 合理设计电路板在电路板设计时,不要只是采用单一的PCB板进行,而应尽可能多的采用多层PCB板来进行,其中一层用作接地,而另外一层用作电源布线,这样就使得退耦电路形成,同时,这样的电路其屏蔽效果也比较好。

如果对空间没有任何的硬性规定,同时要成本因素进行考虑,此时在设计电路板时就可以采用单层或者双层的PCB板进行布线,这样需要从电源单独引电源线进行布线,并将其逐个分配到每个功能电路中,另外,还要将所有的地线汇集到靠近电源地的一个点上。

单片机系统软件抗干扰设计【摘要】本文主要讨论了在基于单片机的测控系统中，如何通过软件抗干扰设计，提高系统稳定运行的可靠性和安全性。

【关键词】冗余；软件陷阱；中断；程序监视定时器0 引言随着单片机测控系统越来越复杂，工作环境的干扰也越来越严重。

面对环境恶劣的工业现场，大量的干扰源虽然不会造成单片机系统硬件的破坏，却常常会侵入系统破坏数字信号的时序，更改单片机寄存器内容，导致程序在地址空间内“乱飞”，或者陷入死循环。

因此，要保证新型微控制器的可靠性、安全性，就必须在提高硬件可靠性的基础上，在程序设计中采取措施，通过软件技术增强系统的稳定运行。

由于程序设计灵活，节省硬件资源，所以软件抗干扰设计越来越引起人们的重视。

下面，就以MCS-51系列单片机为例，讨论在基于单片机的测控系统中，主要应用的软件抗干扰设计。

1 指令冗余设计“指令冗余”就是在程序关键的地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写。

它是使程序从“乱飞”状态恢复正常的一种有效措施，其前提条件要求PC指针必须指向程序运行区，且必须执行到冗余指令。

正常情况下CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数，当指令计数器PC受到干扰出现错误时，程序便脱离正常轨道“乱飞”，导致CPU把一些操作数当作操作码来执行，从而引起整个程序的混乱。

NOP指令的插入是指令冗余设计的一种主要方式，由于MCS-51的所有指令不超过3个字节，且多为单字节指令，所以通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP指令。

这样即使程序“乱飞”落到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，就避免了后面的指令被当作操作数执行，使程序自动纳入正轨。

此外，在对于程序流向控制起决定作用（如RET、ACALL、LJMP等）或对系统工作状态起重要作用（如SETB等）的指令后面，插入两条NOP指令或重复写入该指令，也可迅速将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的正确执行。

2 软件陷阱的设计当乱飞的程序进入非程序区，冗余指令便失去作用。

摘要：单片机应用系统在发动机电喷中得到了广泛的应用,然而由于发动机工作环境恶劣，提高控制系统的抗干扰性至关重要。

分析了单片机干扰的主要来源，并从硬件和软件抗干扰设计中总结了一些取得良好抗干扰性的方法。

关键词在进行单片机应用开发的过程中，经常遇到在实验室调整很好的单片机一到工作现场就会出现这样或那样的问题，这主要是由于设计未充分考虑到外界环境存在的干扰，如机械震动、各种电磁波和环境温差都会影响硬件系统的性能，导致电控单元不能正常工作。

鉴于此本文较全面分析了干扰单片机应用系统的因素并结合自己的研究课题，提出一些可增强系统抗干扰性的方法。

1单片机系统的主要干扰源（1）无线电设施的射频干扰；（2）发动机上的高压点火线圈向外辐射磁场强度大、频带宽的电磁波;（3）单片机内部的晶振电路是内部干扰源之一；（4）数字电路本身门电路频繁的导通、截止造成电源地线电流变化，也会产生很大的高频电磁干扰，各种开关电子设备通断时产生的急剧变化的电流会产生较宽频谱干扰；（5）外界交流电路中产生的工频干扰亦会影响模拟电路输出信号的准确性。

2干扰的耦合方式隔离干扰源与控制系统之间的耦合信道。

表1列出了干扰源的主要干扰方式及特征。

3单片机的硬件抗干扰设计断干扰的传输信道。

常用的措施有：滤波技术、去耦技术、屏蔽技术和接地技术。

3.1电源电路的设计源耦合逻辑电路产生的干扰进入模拟电路，二是为了避免传感器通过电源耦合对ECU干扰。

各功能模块供电系统如图1所示，皆采用7812和7805三端稳压集成芯片，且都单独对电源进行负压差保护，这样不会因其中某一稳压电源出现故障而影响整个系统电路；使用低通滤波器亦可减少以高次谐波为主的干扰源，从而改善电源波形;在输出端采用了过压保护电路。

通过上述设计可大大提高供电的可靠性。

图中D1、D2用于负压差保护，防止压差击穿稳压器的be结使器件永久失效，稳压管WY1、晶闸管Q1用于过压保护，电容E1、E2、C1、C2使输出电压波3.2模拟电路抗干扰设计比较大，因此在模拟电路中应选择低温漂系数的集成放大器；在模拟电路中共模信号对电路板影响较大，故在模拟电路中采用差动放大电路，可得出两端输出信号；接收时，将双端信号转化为单端信号，可非常有效地抑制共模信号。

244 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering单片机技术• SCM Technology【关键词】单片机 抗干扰技术 数字滤波技术1 引言如图1所示，单片机测控系统是在程序化管理下形成的测控系统，它可以在工业生产过程中提高机械控制的效率。

但是，工业现场环境复杂，具有电磁功能的大量设备频繁启动、停止，产生的干扰影响了单片机系统的正常运行。

本文针对单片机测控系统中的抗干扰问题，单片机测控系统中的软件抗干扰技术文/陈欣从软件抗干扰技术方面进行了分析和研究，并提出了解决方案。

工业单片机测控系统的常见影响如下：1.1 干扰加大数据采集的误差测试系统通道的输入部分受到干扰信号的入侵，有用信号和外来干扰信号相互叠加，加剧了该通道数据采集的误差。

尤其在当前系统输入的是小电压信号时，数据干扰的现象更加严重。

1.2 干扰使数据发送变化单片机系统中的程序是存放在存储器EPROM 中，这些程序不易发生变化。

但是单片机系统的RAM 数据区是可以读写的，它可能会受到读入信息的干扰从而发生变化。

因为干扰渠道的区别，以及数据性质的区别，单片机系统受损害的情况也各不相同，可能造成控制失灵，也可能造成数值误差，更严重的会改变单片机系统某些部件（如串行口、定时器／计数器等）的运行状态等。

1.3 干扰使控制状态失灵在单片机系统中，控制状态依赖于特定条件的输入状况和处理结果，干扰的侵入会造成条件状态错误，引起虚假的信号，从而加大输出控制的误差，甚至控制失常。

1.4 干扰使程序运行失常单片机系统正常运行的前提是CPU 正常工作，如果干扰信号影响到了CPU ，则程序计数器不能正常运行，从而引起系统混乱、控制失灵，即通常说的程序“跑飞”。

现在使用的单片机抗干扰技术主要分为硬件与软件两类。

硬件抗干扰技术固然可以降低系统受干扰的程度，但是成本较高，灵活性不足，而且容易受电磁干扰。

第五章单片机应用系统的抗干扰技术设计§5．1 干扰源我们要进行抗干扰措施，首先就得仔细研究干扰产生的原因、途径，掌握或了解其规律后，才能有针对性地提出各种抗干 / 扰的理论和措施。

5.1.1干扰与噪声的区别(1> 噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。

干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入应用系统并影响其正常工作时才形成干扰。

(2> 干扰在满足一定条件时，可以消除；噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。

5.1.2分类根据产生干扰的物理原因，干扰可以分为如下几种类型：机械干扰、热干扰、光干扰、湿度干扰、化学干扰、电和磁的干扰、射线辐射干扰。

其中，电和磁的干扰是最为普遍和严重的干扰，下面对电磁干扰作重点论述。

电磁干扰的分类：(1> 从噪声产生的来源分类可以分为：错误!固有噪声源固有噪声是指器件内部物理性的无规则波动所形成的噪声。

错误!人为噪声源人为噪声源主要是各种电气设备所产生的噪声，主要有以下几种：1. 工频噪声，大功率输电线是典型的工频噪声源。

低电平的信号线只要有一段长度与输电线平行，就会受到明显的干扰；即使一般室内的交流电源线，对输入阻抗低和灵敏度高的传感器来说也会是很大的干扰源。

在传感器的内部，由于工频感应也会产生交流噪声，它所形成的干扰也不可忽视。

2. 射频噪声，高频感应加热、高频焊接等工业电子设备以及广播、电视、雷达及通信设备等通过辐射或通过电源线会给附近的传感器系统带来干扰。

3. 电子开关，由于电子通断的速度极快，使电路中的电压和电流发生急剧的变化，形成冲击脉冲，从而成为噪声干扰源。

错误!自然噪声源和放电噪声自然噪声主要指天电形成的放电现象。

放电现象的起因不仅是天电，还有各种电气设备所造成的，主要有：电晕放电、火花放电、放电管放电等。

(2> 从干扰的出现区域来分可分为内部干扰和外部干扰。

(3> 从干扰对电路作用的形成分类错误!差模干扰也称为串联干扰，差模干扰进入电路后，使传感器系统 / 的一个信号输入端子相对于另一个信号输入端子的电位发生变化，即干扰信号与有用信号按电势源串联起来作用于输入端。

单片机控制系统抗干扰设计
单片机控制系统的抗干扰设计是保证信息正确传输的关键所在。

一般采取多种技术措施来提高系统的抗干扰能力，如采用低谐波抗干扰滤波器，使用合理的电路布线，减少干扰源，增加系统布线间隔，利用屏蔽技术和串行通信技术，引入电容和二极管等补偿元件，构建有效的电路电磁屏蔽，采用不同类型的场设备对抗电磁干扰，使用低功耗和抗扰性能强的单片机控制芯片，改进信号特性，以及采用多种备份通信技术提高系统的可靠性等。