单片机嵌入式系统的可靠性分析

朱志明

摘 要：影响单片机嵌入式系统稳定性的因素主要为各类干扰源，包括元件、设备本身和外部环境等。如果系统中存在尖峰或脉冲，就说明系统存在干扰。要想提升系统运行的稳定性，就必须尽可能地消除这些干扰。分析了干扰源的类型，并提出了提升系统可靠性的方法。

关键词：单片机；嵌入式系统；干扰源；电磁波

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.097

单片机嵌入式系统通常被应用于工业生产中，其工作环境恶劣，容易受到各种干扰。这就对系统的稳定性提出了很高的要求，只有有效抑制干扰，系统的价值才能发挥出来。单片机嵌入式系统的干扰源较多，要求工作人员将环境因素和系统因素综合起来考虑，采用有效措施消除这些干扰，从而进一步扩大系统的应用范围。

1 单片机嵌入式系统的干扰源类型

1.1 电源干扰

电源干扰主要是由供电系统稳定性较差造成的。如果供电系统中存在过压现象或供电突然中断，系统内就会产生瞬时浪涌电压，其主要存在形式为纹波。此时，系统就会受到干扰。电源干扰是系统中最常见，也是最严重的一种干扰。另外，浪涌电压虽然不会在系统中存在太长时间，但系统功能会因此而紊乱，即使系统没有遭到严重破坏，也无法正常运行。

1.2 传输通道干扰

输通道干扰是指信息传输过程中出现的干扰。这类干扰产生的原因有很多，可能来源于外部设备，也可能来源于驱动器、变压器的输入部件和输出部件。如果系统中的设备存在漏电现象，或者传感器测量部件的绝缘性较差，又或是接地系统存在漏洞，差模电压、共模电压就会串入到通信通道中，对系统产生干扰。如果同一根电缆中包含很多通道的传输线，各个通道之间就会在分布电感的作用下相互干扰。

1.3 系统自身的干扰

系统的控制对象在发生变化时会产生噪声叠加现象，直接对信号源产生干扰。噪声叠加现象与信号源一同经过处理以后，后级电路就会遭到严重干扰。

1.4 空间磁场干扰

由于单片机嵌入式系统的运行环境恶劣，其设备在运行过程中不可避免地会产生电磁辐射，控制系统极易受到这些电磁辐射的影响，包括发射天线所产生的电磁波、焊机所产生的噪声和辐射等。

2 提升单片机嵌入式系统可靠性的方法

2.1 避免电源干扰的方法

避免电源干扰的方法主要有以下几种：①使用滤波器消除高频干扰。由于高次谐波在电力系统中是非常常见的，其会将电源作为传输介质进入到单片机嵌入式系统中。高次谐波主要有两种存在方式，即共模和差模。使用滤波器可以有效消除高频干扰，既能抑制共模噪声，也能抑制差模噪声。②对于尖峰干扰和浪涌干扰来说，可以借助压敏电阻来消除。如果压敏电阻两端的电压超出额定范围，电阻中通过的电流就会在短时间内迅速增大，发生短路现象。此时，可以利用压敏电阻的这一特性来吸收尖峰电压和浪涌电压。一般情况下，可将压敏电阻与初级电源和次级电源并联起来。③变压器是影响电源稳定性的重要因素，可以对其采用双隔离方式，将初级线圈屏蔽层和次级线圈屏蔽层与中心点接地，而次级外屏蔽层接抑制板地，以此降低高频和低频脉冲干扰。④系统电路分为两种类型，即数字电路和模拟电路。为了避免各个电路之间相互干扰，可以对这两种电路独立供电。这样，这两种电路就不会直接连接，实现独立运行、互不干扰。⑤将监视电路运用于系统中主要用来监视系统中的瞬时电压和瞬时电流等，及时发现异常并明确导致异常的原因，同时，将复位信号和中断信号及时传输出去。

2.2 避免传输通道干扰的方法

避免传输通道干扰的方法主要有以下几种：①可以在传感器周边安装一个增益放大器，最好选择差动输入方式，以有效避免共模干扰混入系统中。②为了减少信号在传输过程中的感应，可以将屏蔽线作为传输线，并将屏蔽层接地。③在长线的传输过程中，需要对其进行阻抗匹配，避免因阻抗不匹配而导致信号失真。④要对传输线进行合理布局，将强电线与信号线分开，不允许二者混扎在一起；信号强的传输线与信号弱的传输线要分开，二者最好保持垂直。⑤单片机与输入电路、输出电路之间最好用光电耦合器隔离。这样就能有效防止干扰信号对系统造成干扰，同时，系统本身的噪声也不会传播出去，避免其对外界电力设备造成干扰。⑥如果输入线或输出线的长度在80 cm以上，可以适当增大传输电压值和电流值，否则很可能导致信号失真。将MC1488安装在传送端。这样，电平就可以达到12 V。将MC1489安装在接收端，电平就会恢复到5 V。

2.3 避免系统自身干扰的方法

在系统运行中，传感器需要完成的一项重要工作就是采样。采样会受到工作环境的直接影响——环境变化时，电路参数随之波动，控制精度就会受到影响。为了避免这种现象，一般采取以下措施：①要保证控制环境的稳定性，将环境因素的变化控制在合理范围内；②在选择器件时，尽量不选择容易受到环境影响的器件；③为了进一步提升传感器的稳定性，可以将补偿装置加入其中，也可以连接一条抑制漂移的电路。

2.4 避免空间磁场干扰的方法

避免空间磁场干扰主要有两种方法，即屏蔽和接地。要做好这两项工作，就需要注意以下几点：①在选择信号线时，要求其具备屏蔽功能，最好选择绞线型；屏蔽层必须单独接地，不允许将其当作信号线使用。②为了消除静电干扰，可以对感应体作接地处理，并且要避免其形成接地环路。③需要作接地处理的电路有两种类型，即强电流电路和弱电流电路。为了避免接地以后两种电路相互干扰，要将二者的接地地点分开，将粗铜线作为地线，然后将其与箱底地线连接。

3 总结

单片机嵌入式系统处于不同的工作环境下，其所表现出的稳定性是不同的。为了提升系统的适应能力，有效对抗外界干扰，需要进一步提升其稳定性。本文主要分析了系统的干扰源类型，并从电源干扰、传输通道干扰、系统本身干扰和空间磁场干扰几个角度分析了抗干扰的方法。

〔编辑：刘晓芳〕