单片机应用中的抗干扰技术与方法

宋 芳

(河南工业贸易职业学院，郑州 451100)

0 引言

单片机应用系统通常在实验室内部进行仿真测试及质量检验，所以此时的单片机具有稳定的性能水准。然而单片机在日常使用过程中，由于外部环境和仪器设备存在诸多不确定因素导致单片机运作时存在复杂的干扰，这极大地影响设备及单片机的使用，对后续的运行产生巨大影响。目前，影响单片机安全运行及可靠性的主要因素分为系统内部因素及外部因素，主要受到系统结构设计的影响、关键零部件的选型、安装及制造工艺的影响，这些都会对单片机产生一定的干扰，轻则影响单片机的正常运行，重则会产生一些事故，造成巨大的人员伤害与经济损失。形成单片机干扰的基本因素包括：干扰源(是指产生干扰的零部件、相关设备或信号等，如打雷、闪电、高频电机或脉冲信号等都可以对单片机造成干扰成为干扰源)、传播路径(是指干扰源到单片机的主要传播途径与媒介，如导线传导或辐射)、敏感零件(是指容易受到干扰的关键零部件，如单片机中的变换器、信号放大器等)。

要想提升单片机的应用水平和控制质量，势必需要探究单片机在应用过程中的干扰因素和后果，制定针对性方案和措施，防微杜渐，杜绝干扰因素影响。因此，针对不同类型的干扰因素制定对应的技术，促进单片机应用与发展的多向化实践[1]。

1 单片机的应用概述

单片机作为未来智能制造和智能服务的基础技术，具有集成度高、可控力强、适应度高、功耗低、扩展灵活等优势。目前，我国的单片机技术主要应用在六大领域，仪器仪表应用、工业控制、家用电器、计算机与互联网通信、医疗器械设备及大型电气的模块化应用。随着科技的发展和进步，单片机也在无人机制造、智能机器人等新兴高科技领域拥有巨大的发展潜力，为我国的电子工业建设发展提供助力。

2 单片机在应用过程中的干扰因素和影响

2.1 单片机在应用过程中的干扰因素

2.1.1 工业区域的电磁干扰

在单片机的六大应用领域中，工业控制是普及程度最高、应用场景也是最多的领域，正因如此单片机会受到巨大的干扰。工业生产中对电力的消耗是巨大的，在电力的传输与使用过程中，输电线、大型变压器及接触终端都因电流产生强大的磁场，这极大地干扰单片机的正常工作，严重时可导致单片机失灵进而导致设备故障。

2.1.2 单片机系统的供电干扰

单片机是靠电力进行运作的，但是在实际生产过程当中，电力的供应却不能始终保持稳定。在生产制造时机器设备电压变化幅度较大，产生过压、欠压甚至短路的现象，这种波动将破坏单片机的保护机制，严重影响单片机的运行和稳定。

2.1.3 其他干扰因素

除较大的电磁干扰和供电干扰外，工厂生产过程当中影响单片机稳定性的因素还有很多。例如，温度、湿度的环境因素，还有设备的振动、噪音，单片机内部元器件布局等人为操作影响。

2.2 单片机受干扰时产生的影响

2.2.1 数据收集的精准度下降

单片机受到干扰的主要途径如图1所示，当设备的单片机受到干扰以后，数据收集系统将会受影响，收集的数据会与其他信号重合从而产生数据杂质，因此数据收集的精确度难以得到保障。尤其是在复杂的环境下，干扰程度越大，原有的数据信号将被覆盖，收集的数据数量、准确性将大打折扣。

1.空间感应；2.过程通道的干扰；3.电源系统的干扰；4.电位波动的干扰；5.反射波的干扰

2.2.2 控制系统失效

在单片机控制状态下，仪器足以高质量确保数据收集、传输、编码及信息的传出均为可控。当受到干扰时，由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等构成单片机控制器，传出信息的内容会出现偏差，表达的指令变得难以约束，执行端操作也将变得毫无意义，整个系统各部分之间的运作不再协调。

2.2.3 数据破坏

在单片机的内部，运算器、控制器、寄存器之间是相互连接的，由控制器向各部分发布操作命令，运算器接到命令后进行相应运算，并将运算后结果存入相应的寄存器中。目前，单片机内部的寄存器主要有ROM、RAM、累加器 A、数据寄存器 DR、指令寄存器 IR、指令译码器 ID、程序计数器 PC、地址寄存器 AR 等。其中ROM、RAM的构造极不稳定，当单片机受到外部干扰时，运算后的结果难以储存到对应的寄存器中，造成数据丢失，严重时，内含运行算法的寄存器失效进而导致单片机的彻底损坏。

3 单片机系统的抗干扰技术

单片机的运行受多种干扰因素影响，要想提升单片机运用体系的稳定性能就是需要想方设法抑制住干扰。抗干扰技术主要分为硬件抗干扰技术、软件抗干扰技术两大类型。硬件抗干扰技术主要通过单片机上的零部件通过物理特性抵抗绝大多数来自系统之外的干扰；软件抗干扰技术通过指令与算法保护单片机内部的运算器、控制器、寄存器。硬、软抗干扰技术成为保护单片机的两道大闸[2]。

3.1 硬件抗干扰技术

3.1.1 搭配合理的元器件

通过硬件进行单片机抗干扰保护，首先需要进行合理的元器件选择，使整体工作性能达到最优，保障合理运行的前提下选择控制功能强、扩展灵活、微型化、使用方便和功耗低的元器件。

3.1.2 电力供给技术

电力供给保障技术则是为电力传输、转换、消耗提供保障。利用交流稳压器最大程度上确保电力供应过程中的电路通畅，避免设备出现过压、低压的问题，进而减少对其他环节单片机干扰的发生概率[3]。利用将压敏电阻并联在电源变压器的初级、次级，加入压敏电阻后，对线路瞬间的尖峰、浪潮电压进行有效吸收，电源干扰造成单片机程序失控的可能性减小。

3.1.3 接地技术

在单片机设备的使用过程中，接地技术作为最基本的防干扰措施，也是最实用的技术。目前，应用最广的有三种接地方式，第一，保护接地，设备的金属壳体与大地直接连接，形成一个安全的人—机安全带；第二，系统接地，为单片机系统的各部分提供稳定的基准电位；第三，屏蔽接地，将电力传输的电缆、变压器等屏蔽层接地，抑制电磁干扰。

3.1.4 隔离抗干扰

所谓隔离抗干扰是指通过元器件对数据信号进行隔离处理。高频信息杂质和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频信息杂质的传播，有时也可加装隔离光耦来解决。除此之外，需要对电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源 (如电机、继电器)与敏感元件(如单片机)远离。

3.2 软件抗干扰技术

单片机抗干扰及系统恢复流程如图2所示。

图2 单片机抗干扰及系统恢复流程图

3.2.1 数字过滤技术

数字滤波技术是指在计算机软件系统中，对实时采集到的数据信息进行电磁兼容消除干扰处理，在传统抗干扰技术的基础上，进一步消除信息数据中的各种干扰信号，确保传感器实时采集到的数据更加接近实际生产情况。目前应用最为广泛的数字滤波技术主要为中值滤波技术、低通滤波技术及滑动滤波技术。数字过滤技术的原理是在单片机正常的信息获取过程当中，自身也会产生电磁干扰噪声。要想在众多数据信息里去除杂质，获取有用的信息，这就要求在后期处理过程当中，利用算法和程序对信号源进行编译和解码。特别是周期性且不规律性的干扰噪声，单片机内部的运行程序通过判断和计算排除干扰信号，从而达到 “取其精华”目的。目前，单片机的数字过滤算法主要为限幅平均滤波法、加权递推平均滤波法、消抖滤波法、限幅消抖滤波法。此外，由于现实的单片机应用情况具有多元化，故根据实际情况对数字过滤的算法进行参数设定和调整，以期达到最佳的算法效果[4]。

3.2.2 软件看门狗技术

当单片机内部的算法程序出现故障，进入一种死循环状态时，一般的抗干扰技术都无法解决。因此利用软件看门狗技术(图3)，实现对程序算法的运行状态和稳定性的实时监控，一旦发现程序循环错误或者循环超过规定循环时间，软件看门狗技术则会调用应急错误处理程序，对算法进行“检修”从而维持正常运行[5]。软件看门狗技术作为单片机抗干扰技术的辅助技术，主要目的是防患于未然，将外部的干扰因素程度降到最低，实现单片机的正常运行。总的来看，软件抗干扰技术对于单片机的具体应用和推广具有保障功能。

图3 单片机看门狗软件电路示意图

3.3 隔离与屏蔽技术

隔离与屏蔽技术是指用一些隔离器将单片机的输入端和输出端隔离，阻断干扰信号的传播途径，一方面是使干扰信号不得进入单片机内部，另一方面是使干扰信号不会以传导的方式传播。例如，开关电源、用金属隔离器罩起来等，可以有效地减少干扰信号对单片机系统的影响。

3.4 切断干扰传播途径

按照干扰传播途径可以分为信号传导干扰与辐射干扰。传导干扰是指通过导线连接的灵敏元件受到外界干扰，目前最有效的方式是通过隔离光耦来切断传播途径。在日常生活中，可以通过磁珠和电容组成π形滤波电路提高单片机的抗干扰能力；在单片机和大功率零部件的地线应该单独进行接地，减少干扰信号的互相传播；在单片机的电路接线等关键地方使用抗干扰元件提高整体的抗干扰性能。

3.5 其他抗干扰技术

目前，常用的其他抗干扰技术主要包括去除高频低频干扰脉冲、对变压器采用双隔离措施、采用直流稳压电源、单片机外壳接大地，可以有效解决外界磁场干扰问题。采用光纤隔离干扰信号、单片机电源线加粗、各个零部件采用独立结构等，减少插件与连线等。

4 总结

综上所述，单片机在实际生产过程中存在诸多干扰因素，要想去除这些干扰的影响，势必完善单片机应用中的抗干扰技术与方法，有效地为单片机应用水平提升奠定基础。通过对硬件、软件两个方面的控制，推动方法实施核心转变。利用“软硬兼施”，使单片机体系运行过程中的各类干扰现象降到最小。