单片机系统的抗干扰措施探讨

摘 要:随着计算机技术的不断发展,单片机技术在当今的信息社会中起着越来越重要的作用。然而,由于其工作环境大多比较恶劣,经常会受到严重的干扰,影响其稳定性及可靠性,严重时会导致系统瘫痪。所以,提高其抗干扰的能力非常重要。文章分析了单片机干扰的种类,从硬件及软件两方面给出了具体的对策。

关键词:单片机;干扰;对策

中图分类号:TP368.12 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0109-01

伴随着计算机和电子技术的飞速发展,进一步促进了微电脑控制技术普及与快速发展。单片机控制系统是自动化系统的核心组成部分,现已被广泛应用于现代工业和各种家用电器及小型设备中。作为工业控制装置的核心,单片机本身就具有一定的抗干扰能力,但由于各种工业控制设备的工作环境及场所往往比较差,周围存在大量的干扰源,对系统的可靠性和安全性构成严重威胁,造成很多工控设备不能正常工作。因此,单片机应用系统的抗干扰问题,在设计中已成为一个重要的课题。

一、单片机的主要干扰源

(一)电源线的高频干扰。在实际操作过程中,晶闸管的通断,强电设备、高频电源及交流电源产生的电火花甚至雷电,都能够产生电磁波,而这些电磁波就成为电磁干扰的噪声来源。如果距离较近,电磁波就会通过分布电容和电感耦合到信号回路而产生电磁干扰;如果距离较远,就会以辐射的形式形成干扰。

(二)感性负载的瞬变噪声干扰。在单片机系统中,一些常用的元件及设备,比如:电动机、继电器、电磁阀等都有较大电感量,如果电感回路的电流被切断,就会产生非常大的反电势,从而形成噪声干扰。这种干扰除了能产生电磁场外,甚至可以击穿电路中晶体管。

(三)噪声电压干扰。直流电源的回路,其负载的变化也能引起电源的噪声,比如:数字电路中从一个状态转为另一种状态时,会在电源线上形成一个很大的尖峰电流,产生瞬变噪声电压。

(四)其他因素的干扰。除了以上几种常见的干扰源以外,无线电设施的射频、数字电路本身门电路频繁的通断、单片机内的晶振电路、各种电子设备开关通断时急剧变化的电流等等也都是单片机重要的干扰源。

二、硬件抗干扰的对策

单片机控制系统受到干扰后,要使其能可靠地工作,就必须切断外界干扰源,使其不能进入到单片机控制系统。硬件抗干扰是一种主动抗干扰措施,主要包括下面几个方面:

(一)接地。对于低频电路,其地线尽量用单点并联接地,对于高频电路,尽量用多点串联接地。同时,加粗接地线条,使通过印刷电路板上的允许电流达到3倍,与此同时,使数据传递的方向与电源线及地线的走向保持一致,可以增强抗噪声的能力。尽量使用45度的折线,不使用90度折线,以此减少高频信号对外的发射及耦合,减少互感的振荡。

(二)屏蔽。使用金属盒、金属网或者金属板构成的屏蔽体,可以有效对付电磁波的干扰。屏蔽体通过反射及吸收的方式削弱电磁波,形成对电磁波的屏蔽。选用高导磁材料做成的屏蔽体防止低频电磁波的干扰,这样当电磁波经屏蔽体的低磁阻磁路通过,不会影响到屏蔽体内的电路。一般采用铜、铝、钢等材料作屏蔽体来屏蔽电场或辐射场,选择坡莫合金、磁钢等材料作屏蔽体,屏蔽低频磁场,选择铜、铝等导电率高的材料来屏蔽高频磁场。另外,还要注意屏蔽体的一点接地问题。

(三)隔离。隔离主要包括物理和光电隔离两种方式。物理隔离是指对小信号低电平的隔离,其信号连线要尽量远离高电平大功率的导线。在同一设备内部时,要将这两类导线分开走线。当远距离走线时,要把功率电缆和信号电缆分开,保持一定的距离,甚至可以使用钢管把它们分别套起来,以此增加屏蔽的效果。

(四)滤波。利用电容、电感等储能元件可以抑制因负载变化而产生的噪声电压,可在电源线的接入端并联两只50μF和0.01μF的电容,大电容用来抑制电源噪声中的低频分量,小电容用来抑制电源噪声中的高频分量,为了取得更好的效果可在电容的前面加上一个电感。

(五)抑制反电势。在单片机系统中,对于负载较大电感量的元件或设备,为抑制其产生的反电势,可以在线圈的两端并联电容、电阻、稳压管和二极管。线圈通直流电的时候,可以并联二极管和稳压管或者电容和电阻组成的旁路;当线圈通交流电的时候,可以并联电阻和电容组成的旁路。

三、软件抗干扰的对策

(一)开机自检。开机自检程序通常包括对RAM、ROM、I/O接口状态等的检测。在程序编制中,可将RAM或ROM区中重要内容分区存放,在程序运行的初始或中间过程中经常对这些数据进行比较检查,如发现数据出错,则重写这些数据。

(二)软件陷阱。在程序存储器的未使用区域中,加上若干条空操作和无条件跳转指令,无条件跳转指令指向复位入口地址。如果程序跳转到这些未用区域,就通过强行执行无条件跳转指令,转到复位入口地址。

(三)指令冗余。指令冗余的一般做法是在十几条正常的指令后填充2-3个NOP空指令,尤其是在一些跳转和子程序调用指令的前面,加上几条NOP空指令可以对程序的正确流向起到一定的保护作用。

(四)软件滤波。为了提高系统对数据采集的精度,可使用软件滤波的方法。此方法可以减少系统随机干扰对数据采集的影响,减少错误的概率,对周期性的干扰有比较好的效果。

(五)软件看门狗。软件看门狗一般要占用单片机系统中的定时器。在主程序中,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,使程序从头执行。

(六)数据备份。为了提高系统的可靠性,可以采用数据备份的方法。输入单片机中的重要数据,可使用掉电保护的措施,但这些数据仍受到干扰的影响,不排除个别数据造成破坏。此时,可对重要数据进行备份,实行自我检查和恢复。

四、结束语

单片机应用系统中,系统的可靠性越来越受到关注。在实际应用中,要结合各种类型的单片机控制系统的特点、被控的对象的性质以及现场工业环境,充分考虑各种因素的影响,在设计中采取必要的硬件和软件抗干扰措施,使系统既满足既定的要求,也能保证其长期、稳定、可靠的工作。

参考文献:

[1]秦臻,田宏伟.单片机应用系统电磁干扰技术研究[J].机械管理开发,2011,5

[2]魏泽鼎,韩提文.单片机系统干扰研究[J].机械与电子,2008,5