单片机控制系统抗干扰设计

2018-07-16李晓亮

电子技术与软件工程 2018年10期

文/李晓亮

在这里简单介绍一下单片机控制系统，一般来讲单片机系统拥有计算机技术、通信技术和自动化控制技术的优点，可以是实现对事物的自动化控制，其具有很多的优点：

（1）该系统利于人工操作，简单方便；

（2）单片机系统可以为很多领域提供方便的控制系统，例如在我国的矿产行业、电力发电行业以及交通运输行业等工业领域中都得到了广泛使用。

但是，在这些工业领域中其工作环境往往比较恶劣，工作条件比较复杂，这就会很大程度上使得单片机很受到电磁设备启停等的影响，致使接收信号不清晰，最终导致在对相关的数据进行测量时出现偏差甚至错误，影响工作的效率，此外，还可能会出现更为严重的情况，破坏单片机的软件、硬件，使机器完全不能工作。因此，对单片机控制系统的抗干扰设计需要进一步研究，找出干扰源，根据干扰源，制定相应的应对策略来增强其抗干扰能力，能够有效地降低外界环境对系统的影响，进而保证单片机控制系统正常运行。

1　单片机控制系统的主要干扰源

1.1　单片机控制系统的内部干扰源

在单片机控制系统中往往会因为其本身的特点而对其控制效果造成影响，通常来讲单片机控制系统的内部干扰源可以分为下面两个部分：如散粒噪声、热噪声等。散粒噪声的形成原理：晶体管区域里的载流子出现不规律的扩散，扩散出来的载流子在遇到电子空穴后两者之间进行反应。该种噪声大多数存在于半导体原件自身内部；热噪声的形成原理：在未与电源连通的情形下，半导体的两端可能存在一个电压值较小的电压，该电压就会导致半导体内部的电子发生热运动，而电子在运动过程中就会形成噪音电压。

1.2　现场环境的干扰源

电磁是单片机控制系统的现场环境干扰源，该干扰源通常情况下凭借场传播进入测控系统，通过电场或磁场两种方式对系统进行干扰。一般情况下，电磁干扰可以分为两种，一种是传导，另外一种是辐射。传导干扰的传播介质主要有金属、电容等；辐射干扰主要是从辐射源向外界传播，并且其在传播过程中的形式拥有很多种。

表1：单片机控制系统抗干扰设计的几种接地形式

2　单片机控制系统抗干扰设计策略

2.1　利用软件防止干扰

2.1.1使用滤波算法

一般来讲，在软件层面进行的滤波算法很多，我们比较常见的为比较舍取法、中值法、算术平均值法。这些算法虽然具体对数据的处理方式不一样，但其最终的目的还是让排除数据的波动和外界的影响。其中算术平均法的原理为：根据所需要检测的信号的特性，在对单片机控制系统不会造成任何影响的情况下，通过对多组所测的数据信息进行筛选，舍去最小值与最大值，最终计算得出平均值，这样能够有效地增加了采集数据的真实性和有效性，从而提升系统的可靠性。通常情况下都可以利用软件滤波算法来排除外界干扰信号对数据带来的影响，进而保证数据的有效性和控制效果的高效性。

2.1.2指令冗余技术

如果在单片机控制系统正常运行的时候收到外界的干扰，此时单片机的一些寄存器中的值可能发生变化，而此时如果提取变化以后的操作码，势必会对整个系统的性能造成影响，严重时还可能导致程序跑飞和系统奔溃。为此，就需要在编程过程中采用一定的技术来防止这种现象的发生，通常可以在双字节程序和三字节程序之间增加几组单字节程序指令，或者是需要对该程序进行重新编写。

2.2　硬件抗干扰的设计

2.2.1抑制电源干扰

最为重要的是选取设备，一定要选取质量优质的电源设备，还需要对以下3种线路实施配线：电源线、控制线和动力线；其次，在架设电源线时要确保平行；再次，对电源变压器的输出与输入两线一定要采用双绞线；最后，选取滤波器减小设备干扰传导。

2.2.2优化布线结构

在进行布线结构的设计时，一定要区分电流的强弱，在这里特别要强调的是交流电，在进行结构布线时，必须使用分槽走线的形式，直流线和交流线不能够捆在一起，一定要确保这两种线分开布置。此外，在进行电路板的设计过程中，PCB板上的模拟地的信号线和数字地的信号线分离且分别接地，同时还要使可以对PCB板进行覆铜，这样既可以提高电路板的硬度，还可以在一定程度上防止各信号之间的干扰。

2.3　正确选择接地点

在单片机控制系统中接地点的选择是至关重要的，其不仅对单片机控制系统的安全性能有所影响，而且正确的接地点还能够降低干扰源的干扰。在对单片机控制系统采取抗干扰设计时，通常情况下有下面几种方式，具体如表1所示。

要使电源输出端和输入端的其他附带的干扰得到减小，就需要在单片机控制系统的接地设计过程中采取正确的方式，从而保证质量。一般情况下，接地的方式与频率关系十分密切，当频率低于1兆赫兹时，所使用的接地方式是单点接地；当频率高于10兆赫兹时，所采用的接地方式是多点接地；当频率处于1兆赫兹和10兆赫兹之间时，可将单片机控制系统进行单点接地。