單片機(jī)控制系統(tǒng)干擾因素

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一、干擾的傳輸途徑

前向通道單片機(jī)主機(jī)輸入口之前的部分電路就是前向通道，概括的說(shuō)就是被測(cè)電信號(hào)的輸入通道。一般情況下，由于被測(cè)目標(biāo)的狀態(tài)參數(shù)常常是一種信號(hào)較小的非電物理量，前向通道通常主要是用于信號(hào)放大的A/D轉(zhuǎn)換電路和運(yùn)放電路。當(dāng)有干擾源進(jìn)入前向通道時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸入的信號(hào)受到干擾，發(fā)生失真，出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而使誤差變大，疊加到各種控制信息或者條件狀態(tài)的信號(hào)上，會(huì)使單片機(jī)控制系統(tǒng)輸出信號(hào)失常，最終導(dǎo)致整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。3.2CPU內(nèi)核CPU內(nèi)核途徑的干擾可使單片機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)核總線上的信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致一系列難以預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤。當(dāng)有干擾進(jìn)入CPU內(nèi)核后，程序可能會(huì)脫離正常軌道，導(dǎo)致死循環(huán)、失控或者飛跑，進(jìn)而影響后向通道輸出的信號(hào)，破壞單片機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。后向通道后向通道一般是指單片機(jī)控制系統(tǒng)輸出口以后的電路。這部分電路往往具有比較高的電平，不易受到干擾，但需要注意它對(duì)其它元件的干擾。

二、干擾因素對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的影響

測(cè)量數(shù)據(jù)誤差加大當(dāng)單片機(jī)控制系統(tǒng)的測(cè)量元件收到干擾時(shí)，會(huì)疊加到測(cè)量信號(hào)上，使測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差增大，嚴(yán)重的時(shí)候可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)被掩蓋，尤其是在測(cè)量信號(hào)較為微弱的時(shí)候。控制系統(tǒng)失靈單片機(jī)控制系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)是以依條件狀態(tài)輸入的信號(hào)為基礎(chǔ)的，然后通過(guò)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，再輸出信號(hào)。當(dāng)輸入的狀態(tài)信號(hào)受到干擾時(shí)，源頭上的誤差，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)放大，會(huì)使輸出的控制信號(hào)誤差更大，嚴(yán)重的時(shí)候?qū)е驴刂葡到y(tǒng)失靈。破壞RAM和E2PROM的數(shù)據(jù)單片機(jī)控制系統(tǒng)的程序及表格數(shù)據(jù)一般存放程序存儲(chǔ)器EPROM或FLASH中，以避免這些重要數(shù)據(jù)遭受干擾破壞。但是外擴(kuò)RAM、片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)有可能會(huì)受到干擾，倒是數(shù)據(jù)受到破壞。序運(yùn)行失常干擾因素有時(shí)會(huì)使正常程序難以正常運(yùn)行。例如，當(dāng)干擾因素導(dǎo)致計(jì)數(shù)器PC值的改變，那么程序就會(huì)運(yùn)算一系列沒(méi)有意義的指令，導(dǎo)致最后進(jìn)入“死循環(huán)”，使輸出信號(hào)嚴(yán)重混亂，甚至死機(jī)。

三、控制干擾因素的措施

1.硬件措施接地對(duì)于單片機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)信號(hào)電流和電壓的大小,以及電源的類別等條件，統(tǒng)籌考慮，設(shè)計(jì)接地。弱信號(hào)接地。要把單片機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)較弱的回路、邏輯電路、控制回路以及和它們相連的直流電源綁定在一定，共同接地。這種接地實(shí)際上就是工作地。功率接地.要將單片機(jī)控制系統(tǒng)中的電磁閥及其驅(qū)動(dòng)電源等電路功率較大的元件組合在一起構(gòu)成功率接地，因?yàn)樗鼈儗?duì)于弱信號(hào)回路的干擾比較大。切忌將弱信號(hào)接地同功率接地混在一起。變壓器屏蔽層接地。當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈設(shè)置有屏蔽層的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)將所設(shè)置的屏蔽層和變壓器本身的初級(jí)繞組交流零線連接在一起；而在變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈都設(shè)置了屏蔽層的情況，應(yīng)當(dāng)把初級(jí)繞組屏蔽層同中間屏蔽層連接在一起。同軸電纜或雙絞線接地。輸入進(jìn)單片機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)線路采用同軸電纜或雙絞線能夠減少信號(hào)回路的電磁干擾。當(dāng)選用帶屏蔽的雙絞線時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證屏蔽部件和工作地在唯一的一個(gè)接地點(diǎn)上良好的連接。安裝屏蔽結(jié)構(gòu)采用金屬網(wǎng)、板、盒等屏蔽結(jié)構(gòu)能夠較好的控制電磁干擾對(duì)于單片機(jī)控制系統(tǒng)的影響。屏蔽結(jié)構(gòu)一般通過(guò)反射和吸收兩種方式來(lái)減小電磁波的實(shí)際影響能量，產(chǎn)生對(duì)電磁干擾的屏蔽作用。可以選用鋁、銅、鋼等材料制作電場(chǎng)或輻射場(chǎng)的屏蔽結(jié)構(gòu)。對(duì)于低頻磁場(chǎng)，要選用磁鋼、坡莫合金等材料來(lái)制作屏蔽結(jié)構(gòu)；而屏蔽高頻磁場(chǎng)則應(yīng)選用鋁、銅等導(dǎo)電率相對(duì)較高的材料。屏蔽低頻電磁波，應(yīng)當(dāng)選用高導(dǎo)磁材料來(lái)制作屏蔽結(jié)構(gòu)。另外，還有一點(diǎn)需要注意的就是屏蔽結(jié)構(gòu)的“一點(diǎn)接地”問(wèn)題。隔離隔離主要包括光電隔離和物理隔離兩種方式。其中物理隔離是較為常用的，它一般用于隔離小信號(hào)低電平，確保其信號(hào)連線與高電平大功率導(dǎo)線之間的距離。同一設(shè)備內(nèi)，這兩類信號(hào)的導(dǎo)線要保證分開走線。走線距離較遠(yuǎn)時(shí)，要把功率電纜同信號(hào)電纜分開，并且要保持一定的距離，有條件的話，可以把它們分別套上鋼管，提高隔離效果。

2.濾波利用濾波電容等儲(chǔ)能元件來(lái)削弱因負(fù)載變化而產(chǎn)生的干擾因素。可在電源線的輸入端并聯(lián)兩只0.01μF和50μF的濾波電容，0.01μF的用來(lái)削弱電源噪聲中的高頻分量，50μF用來(lái)削弱電源噪聲中的低頻分量。同時(shí)，可在電容的前面再添加一個(gè)電感，可以更好的提高濾波效果。控制反電勢(shì)在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，具有較大電感量的元器件容易產(chǎn)生反電勢(shì)，這種反電勢(shì)往往產(chǎn)生較大的危害，可以在其線圈的兩端并聯(lián)上穩(wěn)壓器、二極管、電容以及電阻等元件，來(lái)控制反電勢(shì)。線圈通入交流電時(shí)，并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成的旁路；線圈通入直流電時(shí)，并聯(lián)電阻和電容或者二極管和穩(wěn)壓管或者純電阻構(gòu)成的旁路。軟件措施攔截技術(shù)程序的“亂飛”問(wèn)題以及程序進(jìn)入死循環(huán)問(wèn)題，可以通過(guò)軟件攔截技術(shù)來(lái)控制和解決。具體的來(lái)說(shuō)，在程序中多使用一些單字節(jié)指令（NOP），也可以將一些有效單字節(jié)指令重復(fù)書寫，形成指令冗余；在雙字節(jié)和三字節(jié)指令后插入兩條單字節(jié)指令，這樣可以確保后面的指令不會(huì)被拆開，或者是說(shuō)在某些指令前插入兩條單字節(jié)指令，可以確保這些指令就不會(huì)被之前沖下來(lái)的失控程序拆開，依然能夠被完整執(zhí)行。但是，這種冗余指令也不能過(guò)度添加，因?yàn)檫^(guò)多的冗余指令會(huì)增大程序的運(yùn)行時(shí)間，降低整個(gè)控制系統(tǒng)的效率。因此，這種通過(guò)多寫入一些單字節(jié)指令，來(lái)形成冗余指令來(lái)控制“亂飛”、死循環(huán)等問(wèn)題的做法常常使用在一些對(duì)于整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)非常重要的指令或者對(duì)程序流向起到至關(guān)重要作用的指令上，以保證出現(xiàn)問(wèn)題的程序能夠正確的回歸到控制軌道上來(lái)。此類指令主要包括RETI、SJMP、RET、JZ、LCALL、CJNE等。看門狗技術(shù)當(dāng)軟件攔截技術(shù)不能夠使失控的“亂飛”程序、死循環(huán)回歸正常的時(shí)候，通常都采用程序監(jiān)視技術(shù)（WDT），又稱看門狗技術(shù)，來(lái)解決“亂飛”或者死循環(huán)等問(wèn)題。程序監(jiān)視技術(shù)是一種軟、硬件結(jié)合的抗干擾措施，其硬件部分一般是一個(gè)用以產(chǎn)生定時(shí)t的單穩(wěn)或者計(jì)數(shù)器，該部分通常是獨(dú)立運(yùn)行的，輸出端接至CPU的復(fù)位線上，由CPU控制其周期性的清零，防止定時(shí)溢出。

四、總結(jié)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾因素越來(lái)越多，也越來(lái)越復(fù)雜，因此在實(shí)際的生產(chǎn)生活中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)具體分析。本文從單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾因素出發(fā)，系統(tǒng)分析了其種類、途徑和危害，并從硬件和軟件兩個(gè)方面分別提出了可行的控制措施。以上措施仍然需要在不斷的實(shí)踐中來(lái)完善，只有這樣單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾的性能才能不斷的得到提升，才能真正適應(yīng)日新月異的信息技術(shù)，讓單片機(jī)控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定應(yīng)用于各行各業(yè)。

作者：鄧咸陽(yáng)