单片机自动控制中抗干扰相关问题研究

张崇武

摘要：随着科技发展变化的日新月异，集成了计算机、通信、自动控制等现代技术的单片机控制系统的发展速度也越来越快，并以它自身的便捷性、易控制和好扩展等优势在电力、化工和交通等各领域广泛应用，但在单片机自动控制系统的应用中，其抗干扰性一直是悬而未决的问题，对单片机的应用发展起到了一定的制约性影响。基于此，本文将从单片机自动控制系统应用中经常出现的干扰来源入手分析，结合笔者多年的实践工作经验，对如何提升单片机自动控制中的抗干扰方法提出了几点意见建议。

Abstract： With the rapid change of the development of science and technology， the development of single-chip microcomputer control systems integrating modern technologies such as computer， communication and automatic control is also growing faster and faster， with its own convenience， easy control and good expansion， it is widely used in various fields， such as power， chemical and transportation and so on. However， in the application of single-chip microcomputer automatic control system， its anti-interference has been an unresolved problem， which has a certain restrictive influence on the application development of single-chip microcomputer. Based on this， this paper starts from the analysis of the interference sources often appear in the application of single-chip automatic control system. Combining the author's years of practical work experience， this paper puts forward some suggestions on how to improve the anti-interference method in the automatic control of single-chip microcomputer.

關键词：单片机;自动控制;抗干扰;问题研究

Key words： single chip microcomputer;automatic control;anti-interference;problem research

中图分类号：TP273.5                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）33-0274-02

0  引言

单片机自动控制系统在应用实践中会受到周围工作环境的影响，如电场环境、磁场环境和周围的温度变化等因素都会给单片机自动控制系统的系统硬件造成干扰，继而出现运行不稳定或软件程序失控问题。基于这些方面的影响，如何提高单片机自动控制系统的抗干扰能力，是能够保证系统正常运行的重中之重。本文将对单片机自动控制中抗干扰相关问题展开如下研究。

1  单片机自动控制系统常见问题及干扰的来源分析

在工业生产中，单片机自动控制系统在实际生产中经常会出现下面这些情况，第一，上位机发出去的信息，下位机单片机经常出现信息漏接或无法接收的问题。第二，电机在启动之后，下位机单片机上所出现的数据是乱码，无法正常呈现。第三，单片机在对继电器进行驱动时出现失灵现象。第四，单片机显示屏上的显示器不能正常工作。第五，单片机无法正常启动，经常出现死机问题，只有点击复位按钮才能恢复到初始状态[1]。第六，系统被控对象在操作中出现失误。第七，单片机定时显示失准等。引发这些问题出现的干扰来源主要包括如下几个方面：

1.1 电源干扰  单片机控制系统中所应有的电源多是和工业系统电源共用的，当系统操作中需要进行电源开关、大电机的启动等操作时，都会造成电源电压的巨大波动，此操作中还会形成较强的干扰信号。此外，如果电源引线太长，在输电时也会产生一定的感应电动势，会对微机系统的正常运行带来干扰性影响。有权威统计显示：在计算机系统产生的各种干扰中，其中有七成的干扰均是由于电源发生耦合而造成的[2]。

1.2 空间电磁波干扰  单片机工业控制系统的所采用的多是低电平多录数据处理系统， 其信号电压通常为低电平电压，在几十毫伏以下。但在信号源和测量系统应用中，所需进行连接的电缆长度要求较高，少则几十米，多则几百米，当四周有较强的电磁设备运转时，极易受到干扰。此外，系统之间的连线、输入（出）线等的布线电容和电感也会给线路造成一定的干扰，其结果就是造成测量结果的不准确，严重的时候还会造成信号的彻底失真。

1.3 过程通道干扰  单片机应用系统里的模拟量输入/出和开关量的输入/出通道是必不可少的。在这些通道中，总是难免会有一些干扰信号侵入到单片机系统中，除了这些信号的干扰外，在各输入/出通道内还会因各种控制线和信号线的交错而形成各自的电磁感应干扰，进而造成单片机自动控制系统的程序失准，如不及时加以解决将会影响到整个系统的运行。

1.4 人为干扰  所谓人为干扰，指的是由于人的因素引起的直接或间接的干扰。其出现的形式主要包括机械振动、继电器触点抖动、可控硅通断、感性负载的投切、元器件安装及布线引发的电磁耦合、接插件接触不好、虚焊、放大器自激、电源纹波和附近工作的电焊机、电动机启动、通过的汽车等[3]。

2  抗干扰的硬件技术措施

根据前述问题，在对单片机自动控制系统进行硬件技术处理中，可通过如下技术措施来提升其抗干扰能力。

2.1 消除电源干扰的技术措施  在单片机系统中，要提高供电系统质量，减少乱入干扰，做好如下工作：第一，电源和设备的选择方面。尽可能选择有静电屏蔽功能和抗电磁干扰功能的隔离电源变压器，并将强电设备的动力电源与单片机的输入电源分离，将单片机的电源分离出去，独立供电。电源线、控制线和动力线也应各自配线，其中编程器、变压器和中央处理器等重要设备的电源线应优选导电性强的优质材料，以减少外界信号的干扰。第二，电源电压的稳定方面。为预防电压毛刺或畸变，要将+5V电源设置多级滤波处理器，电源线的布设还应保持平行，以此来减少电网波动及电源噪声问题。此外，为消除两级电压不稳问题，还可给系统配置集成稳压块，保持两者的平衡。第三，电源变频器方面。变频器的抗干扰方法中，可通过隔离变压器的方法来降低电源传导的干扰，滤波器的应用也是有效降低干扰的一种有效途径。

2.2 对布线结构进行优化调整  在单片机自动控制系统中，如布线布局和结构是科学合理的，则会在系统应用中有效发挥抗干扰能力。在布线过程中，应注意以下几方面的结构优化调整：第一，注意强弱电的分离，特别是交流电布设过程中，最好采取分槽走线的布设方法，并通过对直流线和交流线的独立捆绑，拉大两者之间的距离，减少其对双方的信号干扰。第二，信号地和模拟地应保持分离状态，接地处理中应尽可能的使其处于单点接地状态。在应用屏蔽线的过程中，应尽可能的将其应用在处于大范围铜覆盖的电路板和信号连接线路上，地线尽可能选用加粗的，通过这种对布线结构和材料的优化调整，能有效提升单片机自动控制系统的抗干扰防御性能。

2.3 接地抗干扰提升措施  单片机的自动控制系统里的模拟地和电网相连，因而容易形成电网干扰，数字地区域内受电磁辐射和高次谐波的干扰影响严重，极易造成单片机自动控制系统数据的失准，为提升系统应用的安全性，减少接地干扰，在系统设计中可通过完善接地系统的方法来减少干扰。鉴于单片机系统的接地形式的差异考量，當信号频率处于1-10MHz之间时，通常选用单点接地的方式，把所有地线端子与最近位置的接地点相连;当信号频率为10MHz之上时，则采用多点接地的方式;当信号频率处于1MHz以下时，接地选用单点接地的方式，地线应为专用地线，其电阻≤100Ω，截面积>2mm2[4]。

3  抗干扰的软件技术措施

在单片机自动控制系统的抗干扰设计过程中，除了硬件技术措施的应用外，还应重视软件抗干扰设计的辅助作用，当前，较为常见的抗干扰软件技术措施主要包括：

3.1 软件数字滤波技术措施  软件滤波算法，能将单片机自动控制系统中的绝大多数因输入信号干扰引发的输出控制错误过滤出去。在单片机系统的输入通道内，所包含的干扰源非常多，数字滤波算法能将测控结果的准确性大大提高。其应用原理为：将一组根据序列进行运算的输入信号，转成另外一组输出数字蓄力的装置。其数字滤波处理流程图如图1所示。

3.2 软件陷阱技术措施  软件陷阱，即我们所说的拦截技术，是把显示错误和处于乱飞状态的程序捕获抓取出来，并将所抓取内容强行送入出错处理程序内的一种技术方法。通常情况下，我们会对利用软件陷阱的方法拦截乱飞程序，然后再通过设计合理陷阱的方法进行恰当的处置。

软件陷阱的布设通常在尚未使用的中断向量区（0003H-002FH）、未使用的大片ROM空间、表格和程序的中裂点区域，如跳转指令和返回指令之后，这部分区域在正常程序的执行过程中属于执行死角，无法监控到，因而在对程序的执行效率方面并不会产生影响。如在程序内设计一部分容错程序，我们假设它的入口标号是ERROR，我们可以在其内存空间里设置相应的软件陷阱，例如NOP NOP LJMP ERROR，然后把在系统内捕获到的失控程序送入容错程序中进行强行处理。然后以标志位为依据将修正后的程序送入正轨中。在这里，应需要特别注意的是软件陷阱的设置区域的选取。

3.3 “看门狗”技术措施  “看门狗”技术指的是对处于循环运行趋势的程序进行不间断的监视，当发现时间超出的已知循环的设定时间时，则认定其已经进入了死循环阶段，系统将通过强迫执行的方式将程序返回到0000H入口处，并对错误的处理程序进行识别处理，使系统复位，进入到运行正轨中去[5]。“看门狗”技术的特征包括：第一，具有独立完成工作的能力，对CPU没有依赖性。第二，CPU在特定时间间隔内会和这套系统接触一次，即我们常说的“喂一次狗”，该接触表明单片机自动控制系统运行的“正常性”。第三，如CPU出现进入死循环现象，这项“看门狗”技术能第一时间发现系统故障，并快速处理使其复位。

3.4 其他技术措施  在采用其他技术措施对单片机抗干扰进行处理时，主要是针对单片机的中断情况采取的一种有效措施。抗干扰的方法主要包括：第一，重复读取信号。当对外部中断信号时进行的采集经常会出现瞬间干扰问题，若任其发展不做处理的话，极有可能会造成对中断程序的错误执行。在干扰信号出现时，其瞬间波动时间非常短，因而可通过重复读取信号的方法来消除这一问题。第二，将未使用的空间及时关闭。关闭未使用中断空间的方法，能将进入空间的错误程序及时关闭，并安全退出，以减少干扰。

4  结束语

众所周知，单片机自动控制系统的干扰源来自其周围工作环境的方方面面，单片机系统在自动控制中的抗干扰设计作为一项综合性设计，在采取硬件系统的优化调整措施的过程中，在提升单片机系统的抗干扰性方面效果显著。然而，一旦在系统中应用较多的抗干扰硬件系统，则可能会使系统的可靠性降低。而软件系统的改进，对硬件系统是一种有效补充，大大提升了单片机自动控制系统运行的安全性和可靠性，为系统的长期、稳定运行提供了基础保证。

参考文献：

[1]黄启锋，郭丽花，林有希，等.单片机控制系统软件抗干扰方法的研究[J].中国农机化学报，2016，37（2）：214-217，222.

[2]张楠.单片机控制系统的抗干扰设计探析[J].信息通信，2014（1）：36.

[3]何忠悦，于淑芳.单片机抗干扰技术实践应用探析[J].机电信息，2012（120）：112-113.

[4]桑毅，姚晔.单片机系统抗干扰问题研究[J].计算机光盘软件与应用，2011（20）：87-88.

[5]林金忠.单片机自动控制中抗干扰研究[J].长江大学学报，2009（9）：251-252.