在井下使用单片机进行系统管理的抗干扰性能探讨

李多友,王震生

（唐山工业职业技术学院,河北唐山,063020）

1 煤矿作业的干扰源、干扰的方式以及其产生的后果

1.1 煤矿作业中的干扰源及干扰方式

在煤矿行业中，大量采用一些大功率的设备作业，这些大功率的设备往往会产生诸如电磁干扰以及电网污染之类的干扰源，大致可分为以下几种：1）、配电装置。矿井中的配电装置，其触点在断开时比较容易放电，从而形成了放电噪声。2）、一些大型设备上变频器及逆变器等。这些设备在工作时容易产生比较高频率的震荡噪声，产生辐射干扰。3）、电动机的启动电流。电动机在启动的时候容易形成电流涌流的现象，进而造成浪涌噪声。4）、单片机系统的设计原因，本身的抗干扰能力不足、没有采取可靠的屏蔽保护措施、元件质量比较低。在现场实际操作中，干扰是不可避免的，它们降低了系统的工作准确性，甚至于破坏了系统的可靠性，严重的会使系统失去控制。对于这些影响单片机测控系统正常工作的干扰源，必须及时处理解决，维护煤矿作业的正常安全开展。

1.2 这些干扰因素造成的后果

影响单片机系统正常进行工作的主要原因有来自系统外部及内部的电气干扰，系统的设计也有原因，在元器件的选取、安装制造工艺以及其工作的外部环境上都有一定得影响。这些因素对单片机系统的干扰影响非常容易造成以下一些后果：1）、单片机的测控系统内部模拟量通道如果被干扰,其采集的数据就容易偏大或偏小, 使得数据采集的最终结果误差加大。2）、单片机测控系统的输出与输入存在着既定的逻辑关系, 干扰引起虚假状态的输入必然导致系统输出的偏差甚至于错误, 导致控制状态失灵。3）、那些干扰如果入侵到RAM 中的话，就有可能会篡改测控系统中的数据，使得系统工作的状态发生改变。4）、系统的程序计数器如果受到干扰会产生随机的PC 值，系统的运行混乱，导致系统不能正常的工作运转。

1.3 我们把单片机系统出现的一些出错现象及原因简单列表表达出来，更清晰

2 抗干扰措施

单片机系统的工作能正常运转与其抗干扰的能力有着密切的关系，我们要采取各种措施来阻止这些干扰，从根源上杜绝，来提高系统的稳定性。一般来说我们的抗干扰措施都是从硬件和软件这两方面入手。

2.1 硬件抗干扰措施

单片机系统中抗干扰设计比较重要的手段就是硬件抗干扰。

（1）电源干扰。我们可以采用一些必要的措施，减小电源的噪声。针对电源对单片机的干扰，我们可以采取以下手段：使用开关电源供电，并且在开关电源前采取增加滤波模块，用来过滤由大功率设备运行产生的脉冲干扰。

（2）对电磁辐射进行屏蔽隔离。单片机系统在煤矿井下运行环境有着电动机、继电器组等这些大型设备，这些设备在运行启动及断开时均会因电流巨大的变化产生比较强的电磁辐射。模拟信号也会引起变形，甚至比较严重，容易发生程序运行故障。我们可以加大这些设备与控制系统之间的距离，把电磁辐射对单片机系统的影响降至最小。同时，控制器要采用金属材质的壳体来进行屏蔽，并且接地处理，这样也能把电磁辐射对单片机系统的影响减小。

（3）布线合理并且设计改进电路板。电路板对单片机测控系统也有很大的作用，它的设计能影响系统的抗干扰能力。电路板布线时我们应注意下面几点：1）、把强电、弱电分开印制在不同的电路板上，避免交流干扰以及因高压产生的放电现象，2）、为增加其屏蔽效果，采用多层印刷的电路板，3）、尽量的加粗接地线，4）、模拟地、信号地各自接地，5）、使用各种屏蔽措施来提高系统抗干扰能力。

（4）光电隔离。光电隔离技术是通过光电耦合器将信号输入通道或信号输出通道与中央处理单元进行隔离，光电耦合器将输入信号通过内部发光二极管变成光信号，然后再由内部光敏三极管转变成电信号，将输入与输出完全实现了电隔离，因而也就完全隔离了输入和输出间的各种干扰。它是一种比较常用并且效果比较好的抗干扰措施。

2.2 软件抗干扰

如果单独依靠硬件抗干扰措施是不能完全消除单片机系统的干扰难题，对软件进行抗干扰措施也是预防及消除故障的一个重要手段。

（1）软件陷阱。它采用引导指令，把捕捉的乱飞程序引导到复位入口地址，并且有专门的程序来处理出错的程序，帮助程序的正常运行。我们可以在程序的存储器末端使用区域，用引导指令将扑获到的乱飞程序引导到复位入口地址。

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（2）指令冗余。与软件陷阱有区别的是，它的指令在程序区。如果CPU 受到外界干扰时，容易错误的将多字指令当成操作码。为避免这一现象的发生，我们在程序中尽量使用单字节，如果不能使用单字节，可以在多字节指令后面添加两个单字节的空指令，这样就能引导程序入轨。

（3）睡眠抗干扰。它主要是用在有睡眠状态的单片机抗干扰设计。睡眠指的是CPU 对外界干扰的敏感度比较低，在一定程度上杜绝了干扰。CPU 处在运行状态时，对外界一些影响因素非常敏感，但是系统工作不仅仅是要求运行CPU，所以在不需要CPU运行时，可以让CPU 休眠，来降低外界因素对CPU 的干扰。

（4）掉电保护。硬件电路检测到掉电信号后, 单片机的外部中断输入端收到信号再由CPU 发出软件中断指令将掉电中断规定为高级中断, 使系统及时对掉电做出反应。

3 煤层注水流量测控仪中的抗干扰措施

煤层注水流量测控仪是基于80C552 单片机的测控系统。它实现了煤层注水孔流量、显示注水流量和累积注水量的实时数据、监测数据的上传，监测新的注水孔时累积注水量的清零等功能；通过分析采集的数据, 判断注水管道泄漏与否,以便及时控制。

3.1 硬件抗干扰方面

1）、选取合理的电源。我们根据煤层注水流量测控仪的实际需求，选用了4NIC 系列电源。4NIC 电源的电路采用集成芯片，能降低噪声的干扰，其外壳为金属材料，对电磁辐射有一定屏蔽作用。壳内为组成部件, 采用环氧树脂实体封装, 实现集成化和一体化,体积小且性能也不错。2）、印制电路板及元器件组装设计。对于单片机测控系统来说，设备中元器件质量的好坏强烈影响其抗干扰的能力。组装设备之前，工作人员就要对电子元件等元器件进行全面测试，不达标严禁使用；同时，焊接电子元件时，尽量减小接触电阻，并且焊接牢固；为达到双层屏蔽的效果，该设备内部电路板采用的是浮接方式。此外，采用光电隔离技术通过光信号把有用信号进行正常的传输，能很好的抗干扰，屏蔽线也能使得输入通道的信号避免静电感应的干扰。还要采用粗一些的接地线，用来减少共阻抗噪声的干扰。

3.2 软件抗干扰措施

（1）保证系统软件的稳定运行，为使得测控仪软件能正常并且稳定运行，必须要选择有成熟技术的系统设计软件，经过长期的运用，已经能避免一些问题的出现，我们通过对指令设计的完善，能保证单片机的系统软件的抗干扰性达到一个新的高度。（2）在煤层注水流量测控仪中主要选取指令冗余的措施来提高系统软件的抗干扰能力。

4 结语

单片机在煤矿的工作系统中，我们对其的各种抗干扰措施都是为了其系统的正常运行，相对来说，硬件的抗干扰措施是主动的，软件与之相反，是被动的。我们在实际的操作使用中，应该把这些技术都灵活的运用到系统中去，多种抗干扰措施相结合，能对系统的运行带来很大便利，使得单片机能在多种环境中正常运行、稳定运行，最终帮助我们取得巨大的经济效益。

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