智能仪器仪表中单片机的抗干扰措施

赵 山，禹 俊，熊 钢

（四川红华实业有限公司，四川乐山 614200）

现阶段，在仪器仪表中单片机已经得到了广泛应用，不仅使性能得到了明显增强，同时降低了其自身的生产成本，但是在现场使用单片机时，很容易出现各种各样的干扰源。所以，若是单片机系统不具备抗干扰能力或缺乏较强的抗干扰能力，那么当出现干扰源时，便会导致单片机系统不能有序工作，从而也会直接影响仪器仪表产品的使用效果。为了加强单片机系统的抗干扰能力，尽量将因为单片机在工作中出现混乱而引发的部分不良后果减少，提高仪器仪表自身的产品质量，务必要尽量运用结合软硬件的抗干扰方式，以促进单片机系统自身的抗干扰能力有效加强。

1 常见的智能仪器仪表及功能

1.1 常见的智能仪器仪表

①智能毫伏表。相较于传统毫伏表，智能毫伏表最大的不同之处在于其运用了单片机，如此一来，针对高频率的正弦交流电压也能够进行测试，同时还可完成其他多项任务，包括对故障的自动诊断、自动换算单位、自动切换量程、超载自动报警等，特别是其体积小巧，质量更轻便，实用性很强。智能毫伏表在采用单片机后，基本上实现了RAM 和CPU 的库充，I/O 更先进。②智能万用表。其测量精度非常高，能够最大程度地减少误差。智能万用表芯片的工作方式为双斜率积分式，具有较强的抗干扰能力。③逻辑分析器。其作用是分析、处理部分无法预测的故障，这部分故障多产生于复杂电路中。通过对单片机的逻辑分析器予以采用，能第一时间把各个信号记录下来，实现储存的智能化，联系设备状态找出故障，以数据为基础展开分析，第一时间将故障有效解决。

1.2 智能仪器仪表功能

在智能仪器仪表中智能是重中之重，其灵活性通过强大的输出方式被充分体现出来。智能仪器仪表可以和打印记录仪等各种设备连接在一起，从而使多元化输出形式顺利实现。智能仪器仪表具有测量的功能，不仅可以高效控制、测量和处理运行，同时还可以对数据进行智能化处理，同时智能化存储信息。智能仪器仪表还可以对复杂的信号进行处理，健全仪器仪表功能，进而对故障进行自动诊断与检测，从而最大化降低测量误差，提高其精准度。此外，还能在固定时间对信号进行测定，保证多个参数检测的精确度。图1为以In-tel8031组成的系统的简略框图。

图1 智能仪器系统简图

2 单片机在智能仪器仪表中的应用特点和意义

2.1 单片机在智能仪器仪表中的应用特点

2.1.1 数据计算能力强

完善的计算机系统在数据计算方面具有很强的能力，可以实现准确、高速计算，而单片机在智能仪器仪表中应用也不例外。正常情况下，智能仪器仪表不超过0.6 s 就能够计算与完成一个操作周期，有时甚至更短，只需0.1 s，但若是遇到一些带有函数计算等具有较高难度、复杂性较强的计算，则对单片机的功能提出了较高的要求。因此，在保证计算能力精确性方面，单片机的抗干扰发挥了非常关键的作用。

2.1.2 控制功能强大

在计算机系统中，最重要的一个部分就是单片机，将其运用到智能仪器仪表中，由于其控制能力很强，便能够精准监控诸多参数，避免设备发生运行故障。负责测量的微机，简化了诸多数字电路以及开关，通过对二进制方式予以采用，顺利实现了包括启动控制位和完成检测位在内的状态位。同时，随着单片机运用越来越广泛，其种类也日益丰富，以MCS-51的单片机为例，其不仅具有原有功能（布尔处理功能），且还能够对指令的输入输出进行处理，如此便让其被较多地应用到智能仪器仪表中。

2.2 I/O功能强大

智能仪器仪表内部结构复杂性较强，主要由功能多样的部件构成，而单片机微机中的接口芯片则能够确保其各功能部件长期处于一个稳定的运行状态，并顺利进行协调运转。正是因为单片机的功能十分强大，所以简化了智能仪器仪表的设备，如此便降低了设备制造的成本。而要想最大化发挥出强大的I/O 功能，就要求把更多的精力放在单片机的抗干扰措施上。

2.3 单片机在智能仪器仪表中的应用意义

相较于计算机，单片机只是没有I/O 设备，所以就功能作用来说，二者的差别很小。但通过对其他方面（体积、结构）进行比较能够发现，单片机未有较大的体积，具有安装、携带方便的优点。现阶段，电子信息技术得到了迅猛发展，多种现代技术的融合发展已经成为一个主要趋势，今后，单片机技术势必会被更多地应用到电子产品领域。通过把单片机应用到智能仪器仪表中意义重大，具体体现在：①在智能仪器仪表中应用单片机，可为电子设备提供有效的技术支持，使之顺利实现创新发展。比如，CPU 控制系统就属于单片机的范畴，其能够完成对海量数据的采集，而随机存储器RAM 技术的作用主要体现在能够进一步增大智能仪器仪表在数据分析和存储方面的容量，有效优化和提高智能仪器仪表的数据计算和处理功能。②应用单片机，可以降低智能化仪器仪表的操作难度。单片机拥有完善的按位操作系统，针对智能仪器仪表部分特殊功能寄存器的某位，其能够起到很好的处理效果，还可借助部分功能（清零、传送等），更轻松地操作智能仪器仪表。

3 智能仪器仪表中单片机的抗干扰措施

3.1 硬件抗干扰措施

单片机在智能仪器仪表中受到了最大干扰来自于电源。瞬时短路、电源通断、电网串进来的干扰脉冲导致在所有干扰中，单片机的误动作占比超过九成。在消除电源干扰方面，过去所采取的措施多是利用低通电源滤波器、加交流稳压器，又或是发挥隔离变压器的作用，将不间断电源（UPS）利用起来，这些措施只能起到一定效果，根本不能完全消除干扰。比如，UPS 可以确保在干扰期间不会丢失RAM 中的数据，但却无法让反应时间一致于微秒级的干扰脉冲，最终破坏了CPU 的正常运行。若是运用电源电压监视器，则可很好地解决了上述问题。其能够自动监测到系统电压的瞬态脉冲和瞬态欠压干扰，并及时将复位脉冲发给单片机系统，让单片机能够可靠复位，与此同时，还可以保护外部RAM 存储器，以免丢失信息。现阶段所采用的电源电压监视器，不仅能够很好地监视电源电压，且还可以自动转换备用电池，同时也具有掉电检测以及“看门狗”功能。在设计过程中应尽量选择使用此类性能高的芯片，如此便可以让电路设计得到简化，并促进系统可靠性增强。

3.2 监视定时器

监视定时器主要应用于程序运行中，经常以“看门狗”来称呼它，最近几年其使用日益广泛。使用此类电路，可以在非常短的时间内拉出走飞或陷入死循环的单片机，让其可以进入到正常程序之中。同时还有部分系列的单片机，比如8098，就专门配备了这一设备，当系统处于运行状态时，只需将其启动，那么当计算机出现溢出时，便可以把其中存在的RESET引脚拉至低电平，使之以最快的速度恢复原位。针对8031、8032等目前使用频率较高的单片机（MCS-51系列），由于其内部未对监视定时器予以采用，因而就必须将硬件的“看门狗”电路由外部接入进来。不仅如此，为了让程序在出现失控和“跑飞”后迅速恢复正常，便可利用软件抗干扰技术。

3.3 光电隔离

智能仪器仪表设备中涉及负责输出以及输入的通道，通道和单片机系统之间，应通过光电进行隔离，如此才可以真正起到抗干扰的作用。与此同时，能够隔离单片机系统和外界，确保电流不会干扰系统，促进单片机抗干扰能力的提高。就数字信号而言，光电隔离十分简单，直接运用光电耦合器即可。就模拟信号而言，其要展开的隔离复杂性较强，差分放大器、隔离放大器以及V/F 转换光电隔离电路等的应用频率高，具体运用过程中需结合具体状况进行选择。通过实践证实，光电耦合适用于抑制尖峰脉冲以及各类噪声干扰中。如图2所示，此类电路所具备的抗干扰能力明显高于普通电路。

图2 用光电耦合的双稳态电路

3.4 软件相关抗干扰措施

对于硬件抗干扰措施而言，能够加强单片机系统所具备的抗干扰性能，但使其作用仍有限，需要重视单片机系统中软件系统的研究以及设计。

3.4.1 设置自检程序

软件自检系统是首要防范手段，在系统开机后，可以借助软件的形式，将系统硬件和运行状况反映出来，立足于软件反馈的系统状况，能够明确硬件涉及到的问题以及故障，同时可以帮助技术人员第一时间排除故障。系统在实际运转的过程中，可以持续地进行动态扫描，查看系统硬件是否存在异常问题。借助此方式可以第一时间发现和解决问题。此外，第一时间发现问题还能更好地总结问题，以及发现、记录问题。

3.4.2 设计软件陷阱

针对非程序区而言，应涉及部分陷阱，程序在正常运转时不会进入到非程序区中，但在程序走飞之时很容易遇到这些设置的陷阱，同时在陷阱位置强制性让程序复位，如此，涉及走飞程序，能够顺利地回到最初状态，且避免“死机”等相关问题的出现。比如，MCS-51系统运用到的单片机，针对非程序去，可采取0200000002000000……把其填满。如此，无论是PC 失控后会指向哪种字节，最终均能将程序拉到最原始的复位状态。

3.4.3 软件保护输出

软件保护输出表现为通过软件防止硬件产生干扰的状况，如经常出现的电源干扰，采集电源接通和通电过程中会产生的干扰状况，设置相应的程序清除产生的影响，引导系统恢复正确状态。如此，就算单片机自身受到干扰，对控制寄存器之中的内容进行改变，但由于指令上出现重复执行的问题，所以可以及时地对错误输出状态进行提示和改变，进而维持在正确的输出状态之中。此种软件保护形式能够减少复杂的流程，同时使故障发生率显著降低。但需要专业的人员展开操作，从总体上而言促进了系统稳定性增强，保证其可以在不影响硬件正常工作的状况下，保护系统的具体运行状态，风险系数较低，高效且难度小，应用价值很高。

3.4.4 数据和程序彼此展开的冗余设计

系统保持运行状态之时，若是借助监视的定时器或监视器等可以让其出现复位的情况，此时需要精确判断系统自身能否可以继续将实时的测控完成。一般情况下，需要结合系统在RAM 区中运行中是否出现损坏的情况进行判断。若是这些相关数据已遭受破坏，就务必马上停止运行，然后再次进行冷启动。要想顺利地加强其抵抗干扰的相关能力，可对运行参数实施冗余设计，将全部参数放在RAM 区中会靠近、但不相互的单元中。若是某单元的数据发生了改变，而其他几个单元中的数据完好无损，那么则可以有效保障系统自身运行的稳定性。就部分子程序或主要的程序段，也可以运用一些冗余设计，如此便能防止其导致系统作出不正确的动作。比如借助I/O 输出主要信号时，可以间歇或连续地对相对命令进行处理，从而确保此信号准确。

4 运用数字滤波技术

在采集数据的过程中，可以使用软件展开某种数学处理，以防止受到采样干扰的影响。其主要是采用中值法、算术平均法、一阶低通滤波器法。通过相关实践证实：对于数字滤波而言，能够消除数据收集过程中出现的误差，但需要结合信号变化规律，对具体的方式进行选择。

5 结语

现阶段，我国科学技术发展速度日益加快，在此形势下，智能仪器仪表的应用日益广泛，人们越来越依赖智能仪器仪表设备。在智能仪器仪表中，抗干扰能力强的单片机系统需要将软硬件技术作为重点。硬件可以对诸多干扰信号进行检测，同时达到隔离和滤除的效果，软件可以就一些强干扰导致的不良后果，第一时间进行补救，如此便使智能仪器仪表更加安全、可靠。总而言之，借助运用单片机，使单片机的抗干扰性能增强，可以确保数据更加有效、准确，尽量减少错误信息带给智能仪器仪表的不良影响，夯实社会稳定、正常发展的基础。