实用抗干扰技术在单片机系统中的应用探究

2014-01-03秦亚丛李颖超

电子测试 2014年7期

关键词：元器件指令可靠性

秦亚丛,李颖超

（中国矿业大学,221116）

0 引言

随着电子技术的迅速发展及电子设备的广泛运用，必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不断增加。也就是说，电子设备不可避免地在电磁环境（EME）中工作，而影响应用系统可靠、安全运行的最主要的因素正是各种电磁干扰。

因此，为了保证设备能在实际应用中安全稳定地工作，必须从系统设计开始就充分考虑到其对系统抗干扰性能的要求。本文以实际应用中的单片机控制系统为例，从硬件和软件两个方面介绍单片机系统使用抗干扰设计的常用方法。

1 硬件抗干扰

硬件抗干扰技术是系统设计时首选的抗干扰措施,它能有效抑制干扰源,阻断干扰传输通道。这里主要介绍两点：

1.1 电子元器件的选用

元器件的可靠性是设备或系统可靠性的基础，可靠性指标已经成为元器件的重要的质量指标之一。研究电子元器件的可靠性就在于掌握元器件失效的客观规律，分析产品的失效原因，以便进一步提高元器件的可靠性。因此在选用时要遵循以下原则：

（1）元器件的技术条件、技术性能、质量等级等均应满足装备的要求；

（2）优先选择经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件，不允许选用淘汰品种和禁用的元器件；

（3）优先选用有良好的技术服务、供货及时、价格合理的生产厂家的元器件。对关键元器件要进行用户对生产方面的质量认定；

（4）综合分析系统所工作的环境的温度、湿度、振动、冲击和电磁环境等因素，选择适用的电子元器件。

1.2 印制板电路合理布线

印制电路板（PCB）是提供电路元件和器件之间的电气连接的支撑件，如下图所示。

随着单片机系统功能的不断扩大,PCB 的密度越来越高，而PCB 设计的合理与否对整体抗干扰能力影响很大。因此,在进行PCB 设计时,必须遵守PCB 设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求，其中最重要的为以下两点：

（1）关键器件的放置：与其它逻辑电路一样,在器件布置方面应尽量把相关的器件放的近些,目的是获得较好的抗噪声效果。

（2）要特别注意地线的正确连接,否则干扰影响将很严重。例如D/A、A/D 芯片以及采样芯片都提供了数字地和模拟地,分别有相对应的管脚，连接时要格外注意。

2 软件抗干扰

由于实际应用中干扰信号产生的原因有很多，并且具有不确定性，因此即使我们采取了一系列硬件抗干扰措施，也很难保证系统完全不受干扰。所以我们往往在硬件抗干扰措施的基础上，加以软件抗干扰技术，来作为硬件抗干扰的补充手段。这里着重介绍以下3 种方法：

2.1 指令冗余技术

采用冗余技术目的就是使程序纳入正确轨道，它能起作用的条件是：PC 必须指向程序运行区，并且执行到冗余指令。本文着重介绍其中NOP 指令的使用。

如果在双字节指令和3 字节指令之后插入两个单字节NOP指令，则该指令就不会被前面的失控程序所影响，而会得到正确的运行。通常我们在一些对程序流向控制起着重要作用的指令前（例如ACALL、LCALL、SJMP、LJMP、JB、JBC、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ、CJNCRET、RETI 等），以及在某些对系统至关重要的指令前（例如：SETB、EA 等），插入两条NOP 指令，以确保程序的运行。同时，在一个程序中“指令冗余”不能过多，否则会降低程序的快速性。

2.2 软件陷阱技术

当程序失控引致到非程序区时，软件冗余就起不上作用了，此时我们可在非程序区拦截，使程序进入设置好的陷阱中，同时设计一段用于程序失控处理的程序强制其执行，这种方法就叫做软件陷阱技术。软件陷阱可以采用3 种形式：

形式一为：LJMP 0000H

形式二为：LJMP 0202H

形式三为：LJMP ERR

使程序纳入正轨，指定运行到预定位置。

2.3 程序监视定时器

在工业环境中，单片机会因为干扰的存在引起PC 错误，导致程序的失控，或陷入死循环，此时，指令冗余技术、软件陷阱技术都无能为力了，这是可以采用程序监视定时器（WATCHDAG，WDT），俗称“看门狗”措施。WDT 通过不断监视程序每周期的运行事件是否超过正常状态下所需的时间，从而判断程序是否进入了“死循环”，并对系统进行复位。

下图为内部WDT 电路