单片机控制系统的抗干扰措施研究

曾海鹏

摘 要 结合既往研究经验来看，在单片机系统应用开发过程中，实验室调试正常的单片机投入工业现场使用后短期内频繁出现各种问题。导致这一问题的最主要原因是在单片机控制系统设计过程中没有充分评估外部环境对单片机控制系统所产生的干扰与影响，在环境温度差异、电磁波以及机械振动等一系列因素作用下，电控单元的正常运行受到影响，单片机控制功能无法正常发挥。针对这一问题，文章在识别单片機控制系统主要干扰源的基础之上，分别从硬件与软件两个方面，研究单片机控制系统的抗干扰措施，望能够提高单片机控制系统的抗干扰能力，确保其在工业现场中应用的安全性与可靠性。

关键词 单片机；控制系统；抗干扰

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）213-0127-02

基于单片机所构成控制系统灵敏度高，但也意味着整个系统极易受到干扰因素的影响。在强噪音背景作用下，被测量信号容易被淹没，对测量作业的持续性产生不良影响。尤其对于工业现场而言，干扰源众多且构成关系复杂，以多种不同方式对计算机测量控制系统产生影响，干扰系统正常运行，还有可能造成系统性能指标与设计要求相偏离，造成结果异常。从这一角度上来说，单片机控制系统运行过程中应当重视对干扰因素来源的分析，并从硬件以及软件两个模块，研究单片机控制系统可采取的抗干扰措施。

1 单片机控制系统干扰源分析

单片机作为工业生产运行系统中非常重要的构成部分之一，由单片机所构成的控制系统必须具备较高的灵敏度。但同时，灵敏度越高，则意味着系统可能引入干扰因素越多。特别在强噪声环境下，被测信号可能被淹没，影响测量效果的实现。工业现场应用中，存在大量且多类型的干扰源，这些干扰源以一种或多种方式对计算机测控系统产生 影响，导致整个控制系统性能指标无法满足设计要求，进而对测量控制结果的可靠性产生不良影响，必须引起高度重视。结合单片机控制系统的实际运行情况来看，在单片机控制系统工业现场应用中，所承受干扰以电磁能量干扰为主。

具体而言，单片机控制系统内外部干扰源主要包括以下几个方面：第一是无线电设施所产生射频干扰；第二是发动机装置上高压点火线圈向外辐射磁场强度大且频带宽的电磁波信号干扰；第三是单片机内部晶振电路干扰；第四是外部交流电路系统中所产生工频信号干扰；第五是数字电路本身门电路频繁的导通、截止造成电源地线电流变化因素作用下所产生高频电磁干扰。

2 单片机控制系统硬件抗干扰措施

针对单片机控制系统的硬件抗干扰设计是系统设计过程中首选的抗干扰措施，能够通过对滤波技术、屏蔽技术、去耦技术、以及接地技术等一系列技术措施的综合应用，在抑制干扰源对单片机控制系统影响的同时，阻断干扰源的传输渠道。具体措施包括如下。

2.1 电源电路设计

在单片机控制系统当中，可以通过分离逻辑电路电源装置以及模拟电路电源装置的方式，以达到硬件抗干扰的效果。通过此项措施，一方面能够避免传感器装置在电源耦合作用下对电子控制单元产生影响，另一方面还能够有效剔除模拟电路受电源耦合逻辑电路影响所产生干扰。在这一方案作用下，功能模块的供电系统结构中均选用7805以及7812三端稳压集成芯片装置，以独立方式为单片机电源装置提供负压差保护。根据这一方式，能够避免整个系统电路受其中某一稳压电源装置影响而产生故障。同时，单片机控制系统电源电路中可通过使用低通滤波装置的方式有效剔除高次谐波信号对控制系统运行产生的干扰，并促进电源波形的合理改善，并且对电源波形也有良好的调整与优化效果。

2.2 屏蔽技术

在单片机控制系统抗干扰设计过程中，可以通过应用屏蔽技术的方式预防电子设备向外部辐射干扰电磁波，同时还可以有效控制电子设备受电磁干扰源的影响。尤其针对单片机控制系统当中噪声源较大的开关电源装置，可通过双重屏蔽的方式，同步屏蔽单片机控制系统开关电源内部扼流圈以及高压变频器，以同步屏蔽的方式最大限度确保开关电源屏蔽保护的抗干扰效果。

2.3 模拟电路干扰设计

在单片机控制系统硬件电路模块中，对模拟电路的设计是非常重要的。在工业现场实际运行工况中，发动机工作环境温度会呈现出较为明显的差异性，因此在模块部件选型中应当优先选用温漂系数相对偏低的集成放大器装置。同时，考虑到电路板会在很大程度上受到模拟电路共模信号的影响，故应当将差动放大电路装置引入模拟电路系统内，以确保两端输出信号的稳定性。

在信号接收过程中，双端信号被转换为单端信号，以发挥对共模信号的抑制效果，剔除其对模拟电路稳定性的影响。除此以外，若电路系统中输出信号存在较大波动，则为了避免器件发生损坏，应在比较器装置或房贷器装置前增加输入端保护电路，以确保整个单片机控制系统硬件运行的安全性与可靠性。

2.4 去耦电路设计

在单片机控制系统运行期间，受到数字信号影响，信号在电平转换过程中会对整个单片机控制系统产生非常明显的冲击电力干扰，将影响扩大至传输线路以及供应电源内部电阻上，造成压降水平的增加，所形成的干扰是非常明显的。

为了在硬件设计的过程中抑制该干扰因素，可以尝试将去耦电容装置合理配置于单片机控制系统电源电路、数字电路以及信号处理电路当中，以设计构成去耦电路，达到旁路集成电路所产生干扰源的效果。

3 单片机控制系统软件抗干扰措施

在单片机控制系统硬件抗干扰措施实施的基础之上，考虑到干扰信号产生原因较为复杂并且单片机控制系统所承受干扰源的类型较为随机，因此还必须配合应用软件抗干扰设计措施，在数字滤波、指令冗余以及看门狗等一系列技术的辅助下达到控制干扰问题的目的。具体而言，单片机控制系统中的软件抗干扰措施包括以下几个方面。

3.1 数字滤波技术

当单片机控制系统输入信道模拟信号受到干扰因素影响时，可能导致较大的数据误差，尤其在信号较为微弱时，数据误差问题更为明显。为了消除这一误差，确保单片机控制系统的正常运行，可根据信号以及干扰规律，在算术平均法、比较去设法、或一阶滞后法的辅助下，最优化设计，以通过数字滤波器的方式，对输入信号干扰所致输出控制错误问题进行科学有效的控制。

3.2 指令冗余与看门狗技术

单片机受强干扰会造成程序计数器Pc值改变和破坏程序正常运行。为了应对这一问题，可以在抗干扰过程中将单字节指令或者引导指令插入关键部位，受到干扰因素影响而乱飞的程序可以在JMP MAlN操作指令的辅助下自动被捕获并进入复位入口地址当中，以免程序受到乱飞影响而进入死循环状态，影响系统结构运行的稳定性。

除此以外，看门狗技术同样对应对程序乱飞问题有重要意义。此项技术针对程序运行时间进行动态监视，一旦出现故障会导致计数器溢出，并控制系统进行复位后重新进入正常运行状态。

3.3 提高开关量输入输出抗干扰能力

单片机系统中，若一系列离散尖脉冲信号覆盖于控制量有效信号上，则会导致信号受到严重干扰，难以通过硬件设置的方式予以控制，针对该问题可以通过应用软件重复性检测技术的方式，提高开关量输入输出接口的抗干扰能力。

4 结论

综合以上分析可见，单片机控制系统在正常运行过程中其内外部存在大量干扰源。为了积极应对这些干扰源，必须做好对单片机硬软件系统的抗干扰设计工作，相关抗干扰设计措施的选择与实施将直接对整个单片机控制系统的运行质量与效果产生重要影响。本文在识别单片机控制系统主要干扰源的基础之上，分别从硬件与软件两个方面，研究单片机控制系统的抗干扰措施，望能够提高单片机控制系统的抗干扰能力，确保其在工业现场中应用的安全性与可靠性。

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