浅谈单片机控制系统抗干扰设计

【摘要】单片机控制系统自身干扰源主要包括了散粒噪声、热噪声、常模噪声、共模噪声以及接触噪声等几方面内容。散粒噪声是由于晶体管基区内的载流子发生随即扩散，与电子空穴发生复合反应而形成的，其主要存在于半导体原件...

摘 要 本文将结合笔者实践经验，对单片机控制系统的主要干扰源进行分析，并提出单片机控制系统抗干扰的具体设计策略，希望能起到抛砖引玉的作用。

【关键词】单片机 控制系统 抗干扰 设计

单片机控制系统是集通信技术、计算机技术以及自动化控制技术于一体的工业通用自动控制系统，其不但操作便捷、扩展性能好，而且还具有较强的控制功能，目前已在我国电力、化工、交通以及冶金等行业得到广泛的应用。但由于工业作业环境较为恶劣，使得单片机容易被电源波形畸变、电磁设备启停等影响而受到干扰，使得信号接收能力大大下降，进而对测量的质量与效率造成了影响，严重的还会对单片机的软件、硬件造成损坏，使其难以正常运作。所以，加强单片机控制系统的抗干扰设计，正确掌握其干扰源，并采取针对性的改进措施来提高其抗干扰能力，对单片机控制系统功能的正常发挥有着重要的作用。

1 单片机控制系统的主要干扰源

1.1 单片机控制系统自身干扰源

单片机控制系统自身干扰源主要包括了散粒噪声、热噪声、常模噪声、共模噪声以及接触噪声等几方面内容。散粒噪声是由于晶体管基区内的载流子发生随即扩散，与电子空穴发生复合反应而形成的，其主要存在于半导体原件内部；热噪声是指在没有连接电源的情况下，仍然有微弱电压存在于电阻两端，电阻两端出现电子热运动而形成的噪音电压；常模噪声即线间感应噪声或对称噪声，往往难以将其完全消除；共模噪声恰好与常模噪声相反，其指的是地感应噪声、不对称噪声或是纵向噪声，该类噪声可以进行消除，但也可由共模噪声转变为常模噪声；接触噪声通常是由于两种材料进行不完全接触，使得电导率出现变化而产生的，常出现在导体连接部位。

1.2 现场环境的干扰源

现场环境的干扰源主要指的是电磁干扰，其往往是通过场进入测控系统，以电场或磁场的形式来传递干扰源能量到控制系统中。通常可将电磁干扰划分为传导与辐射两类。传导干扰通常是通过金属、电容、变压器以及电感来进行传播；而辐射干扰主要是向外传播，其传播方式较为多元化。而在吸收干扰时，可以将传导干扰与辐射干扰互相转化。

2 单片机控制系统抗干扰设计策略

2.1 软件抗干扰

2.1.1 应用软件滤波算法

软件滤波算法主要包括了比较舍取法、中值法、算术平均值法以及一阶递推的数字滤波法等方面内容。其原理主要在于，依照被测信号特征，在不影响系统效率基础上，将多次采集而得的数据信息的最小值与最大值去掉，并算出平均值，从而大幅提升了数据信息的可靠性。通常采用软件滤波算法可以过滤大多数由于干扰输入信号而导致的采集错误。

2.1.2 指令冗余技术

如果单片机受到干扰源的干扰，PC、系统程序的寄存器并未依照正常程序取操作码，而取操作数的程序指向错误字节，把操作数来当做操作码，则会出现程序错误的现象。此时，必须添加数个单字节指令在双字节指令以及3字节指令后面，或是对单字节指令进行重新、正确的编写，就能够正确控制PC值。通常空指令是单字节指令，如若其中某一字节指令跑飞，则可以防止把操作数当做执行指令的操作错误出现，确保指令的正确性与可靠性。

2.2 硬件抗干扰设计

2.2.1 抑制电源干扰

首先，应尽可能选用优质的电源设备，并分别对电源线、控制线以及动力线进行配线；其次，应平行架设电源线，且多级的滤波处理器需采用+5V的电源；再者，使用双绞线作为电源变压器的输出线与输入线，并设计良好的接地屏蔽来抗共模干扰。或是将LC滤波电路串接到电源输入的一端，并增设变比为1：1，且带有屏蔽层的隔离变压器；此外，选用隔离变压来对电源传导干扰进行阻隔，或是选用滤波器来降低设备干扰传导，并对尖峰电压进行吸收。

2.2.2 优化布线结构

在设计布线结构时，需分开强电与弱电，尤其是交流电，务必要采取分槽走线的方式，将直流线与交流线分开捆扎。此外，需保证模拟地与分离信号地单点接地，尽可能采用屏蔽线放置于信号连接线路或大面积的铜覆盖电路板中。不仅如此，还应尽可能加粗底线，以全面提升抗干扰的能力。

2.3 正确选择接地点

正确选择接地点不但能够提高单片机控制系统的安全性，避免偶然发生的电压冲击，而且还能有效抑制干扰。在进行单片机控制系统抗干扰设计，可选择以下几种接地形式：

（1）电源地，即直流电源的地。

（2）交流地，即交流供电电源的N线。

（3）信号地，即输入端信号元件的地。

（4）保护地，把设备内独立器件的外壳或是机器设备的外壳接地，以避免出现设备漏电的现象，从而对人身安全起到保护作用。

（5）屏蔽地，设置金属丝网或外壳来放置磁场与经典感应，并把专门的铜导线接入地下。为了更好的抑制电源输出端以及输入端的附加干扰，必须做好单片机控制系统的接地设计。通常而言，信号频率和节点方式有关，如若频率不大于1MHz时，则采用单点接地；如若大于10MHz时，则进行多点接地；如若大于1MHz且小于10MHz时，可将单片机控制系统进行单点接地，并把全部地线端子连接到最近接地点，以提高其抗干扰能力。

2.4 扩展存储器的抗干扰设计

（1）应尽可能控制数据线、地址线以及控制线的长度，降低对地电容。

（2）如果开关噪声较为严重，则可将去耦电容连接在存储器芯片和电源入口部分之间。

（3）如若负载电流过大，则需要尽可能将电源线以及底线加粗，并控制其长度。

（4）应加拉电阻于中线的始端和终端，以增加噪声容限，提高抗干扰能力。

3 结束语

总而言之，单片机控制系统抗干扰是一个较为复杂的过程，在进行设计过程中，应当正确掌握干扰源，并对各方面因素进行综合考虑，采取科学合理的设计方法来抑制系统干扰，从而保证单片机控制系统的正常运作。

参考文献

[1]黄启锋，郭丽花，林有希等.单片机控制系统软件抗干扰方法的研究[J].中国农机化学报，2016，37（2）：214-217.

[2]王伟.软件抗干扰在单片机控制系统中的应用研究[J].机械管理开发，2010， 25（03）：203-204.

[3]赵小龙.单片机控制系统的硬件抗干扰设计[J].消费电子，2014（02）：249-249.

作者单位

阜新矿务局职工大学 辽宁省阜新市 123000