達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 岳曉禮

1.引言

單片機(jī)作為電子技術(shù)工作人員手中的一種可編程的“智能”元件，已經(jīng)在工業(yè)自動(dòng)化、智能化儀表、生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制等領(lǐng)域得到了廣泛深入的運(yùn)用。但是由于單片機(jī)系統(tǒng)的工作現(xiàn)場非常復(fù)雜，存在來自系統(tǒng)內(nèi)部與外部的各種電氣干擾，除此以外還受到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝、元器件的選擇與安裝的影響，這些都是單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素，對系統(tǒng)的可靠性和安全性構(gòu)成了極大的威脅。單片機(jī)系統(tǒng)必須長期穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，否則將影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)失靈，甚至造成事故和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這就要求我們在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場情況，在硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及線路板設(shè)計(jì)等方面來采取相應(yīng)的抗干擾措施。

2.干擾的種類和主要來源

工業(yè)環(huán)境中干擾是以脈沖的形式竄入單片機(jī)系統(tǒng)的，是通過三種途徑影響系統(tǒng)的正常工作的，即空間干擾，供電系統(tǒng)干擾和過程通道干擾?？臻g干擾主要發(fā)生在高電壓、大電流和高頻電磁場附近，通過靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等方式竄入系統(tǒng)；供電系統(tǒng)干擾主要由電源的噪聲干擾引起；過程通道干擾主要是干擾通過前向通道與后向通道進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部。另外接地裝置的不可靠，也是產(chǎn)生干擾的重要原因；各種類型的傳感器，輸入和輸出線路的絕緣損壞都有可能引入系統(tǒng)干擾。

干擾如果進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，將會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生如：數(shù)據(jù)采集誤差的加大，程序運(yùn)行失常，系統(tǒng)被控對象誤操作，被控對象狀態(tài)不穩(wěn)定，定時(shí)不準(zhǔn)，數(shù)據(jù)發(fā)生變化等后果。因此必須對單片機(jī)系統(tǒng)采取抗干擾措施。

3.對電源干擾采取的措施

對于單片機(jī)系統(tǒng)供電系統(tǒng)的干擾最為嚴(yán)重，絕大多數(shù)單片機(jī)系統(tǒng)的直流電源都是由市電經(jīng)過整流、穩(wěn)壓和濾波后得到的，而電網(wǎng)電壓受到電氣設(shè)備的通斷、跳閘等影響，都會(huì)造成電源干擾。

3.1 提高供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量

提高供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量是非常重要的一步，可以采用圖一所示的供電結(jié)構(gòu)。電源分別給系統(tǒng)各個(gè)功能模塊供電，從而減少了公共電源與公共阻抗之間的相互耦合，從而提高了電源的抗干擾性。

圖一 單片機(jī)供電結(jié)構(gòu)

3.2 利用壓敏電阻抑制尖峰、浪涌

利用壓敏電阻兩端的電壓超過其限定值時(shí)，電流會(huì)迅速增大，呈短路狀態(tài)的特點(diǎn)，用它吸收瞬間的尖峰和浪涌電壓。把壓敏電阻并聯(lián)在電源變壓器的初極與次級，加入壓敏電阻后，電源干擾造成單片機(jī)程序失控的可能性將大大減小。壓敏電壓的計(jì)算公式為：VIMA＝1．56×32×V～(V～：交流電壓有效值)。

3.3 利用濾波器抑制高頻干擾

市電中含有多種高次諧波，它們很容易由電源進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，這些干擾以“共?！被颉安钅！狈绞酱嬖凇D二為電源EMI濾波器電路，它是由參數(shù)元件構(gòu)成的無源低通網(wǎng)絡(luò)，L1和L2是繞在同一磁環(huán)上的兩只獨(dú)立線圈，繞匝數(shù)相同、繞向相反，稱為共模線圈，L3和L4是獨(dú)立的差模線圈。由L1和Cy，L2和Cy就分別構(gòu)成兩對獨(dú)立端口間的低通濾波器，用來抑制電源線上的共模EMI信號；由(L1-L2)形成差模電感，它與L3、L4形成的獨(dú)立差模線圈與Cx電容器又組成一只低通濾波器，用來抑制電源線上的差模EMI信號。此外單片機(jī)控制系統(tǒng)還需要有完備的電源保護(hù)電路，其具有在電源啟停、瞬時(shí)短路、瞬間降壓時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號，當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常后，復(fù)位信號會(huì)自動(dòng)解除。

圖二 EMI濾波器電路

4.印制電路板采用抗干擾設(shè)計(jì)

印制電路板（PCB）是電路元件和器件的支撐件，它提供單片機(jī)系統(tǒng)中的電路元件和器件之間的電氣連接，是系統(tǒng)中元器件、信號、電源線的高密度集合體，印制電路板設(shè)計(jì)的好壞對抗干擾能力影響很大，因此印制電路板應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。主要有：

①采用接地抑制干擾的方法。低頻電路的地線盡量用單點(diǎn)并聯(lián)接地，高頻電路盡量用多點(diǎn)串聯(lián)接地。應(yīng)加粗接地線條，使它能通過3倍于印刷電路板上的允許電流，同時(shí)使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。盡量使用45°折線而不使用90°折線，用以減少高頻信號對外的發(fā)射與耦合，減少互感振蕩。電源線與地線應(yīng)盡量靠近走線從而減少所包圍的環(huán)路面積，因而可以減少外界磁場對環(huán)路切割而產(chǎn)生的電場干擾，同時(shí)也可以減少環(huán)路對外電磁輻射。

②對于單片機(jī)系統(tǒng)中的CPU、RAM、ROM等主芯片以及VCC、GND之間接電解電容和瓷片電容。石英晶體振蕩器的外殼接地而不要走信號線，并且要適當(dāng)加大接地面積。時(shí)鐘線要盡量的短，并用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來，使周圍電場盡可能地減小。

③對于獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)減少接插件與連線；輸入輸出驅(qū)動(dòng)器件、功率放大器件應(yīng)盡量的靠近線路板邊的引出接插件。集成塊與插座接觸要可靠，使用雙簧插座，最好集成塊直接焊在印制板上，要防止器件接觸不良。信號的輸入、輸出端盡量使用光電隔離，這樣既可以防止外圍器件動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的回流沖擊系統(tǒng)，又可以使輸入端的干擾信號沒有足夠的功率去干擾發(fā)光二極管的正常工作。

④在印刷電路板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置去耦電容。原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)安置一個(gè)0．01μF的瓷片電容排除射頻耦合干擾，電容引線不要太長，應(yīng)緊靠芯片的電源線和地線。如果印刷電路空間狹小時(shí)，可以每4～10個(gè)芯片安置一個(gè)1～10μF限噪聲鉭電容。線路板布局時(shí)，應(yīng)盡量使單片機(jī)的振蕩晶體放在單片機(jī)兩引腳近端。

5.采用軟件抗干擾措施

當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)的CPU部位受到干擾信號的作用時(shí)，將使系統(tǒng)失控。典型的故障是破壞程序計(jì)數(shù)器PC的狀態(tài)值，進(jìn)而導(dǎo)致程序在地址空間內(nèi)"亂飛"，或者陷入死循環(huán)。對這種情況的主要有指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)、睡眠抗干擾技術(shù)、“看門狗”技術(shù)。

5.1 在程序中插入空操作指令(指令冗余)

指令是由操作碼和操作數(shù)組成，操作碼指明CPU要完成怎樣的操作，而操作數(shù)是操作碼的對象。在程序執(zhí)行過程中，CPU受到干擾后可能會(huì)將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂，但只要PC指針落在單字節(jié)指令上時(shí)程序就可納入正軌。因而在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在一些關(guān)鍵地方插入NOP指令（如在雙字節(jié)、三字節(jié)指令后面插入2條NOP指令），另外在一些對程序流向起決定作用的指令之前也插入兩條NOP指令(如JNC，JB，JNB，JBC，RETI，RET，JC，ACALL，LCALL，SJMP，AJMP，LJMP，JZ，JNZ，DJNZ，CJNE)以保證彈飛的程序迅速納入程序軌道，或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重寫，這就是指令冗余技術(shù)。

5.2 采用軟件陷阱

當(dāng)CPU受干擾，造成程序彈飛到非程序區(qū)是，指令冗余技術(shù)無能為力，可在非程序區(qū)采取攔截措施，使程序進(jìn)人陷阱，強(qiáng)迫程序進(jìn)入一個(gè)指定的地址去執(zhí)行如下的指令：

NOP

NOP

LJMP ERR

此程序是專門對程序出錯(cuò)進(jìn)行處理（其中ERR為指定地址）的。軟件陷阱主要安排在未使用的中斷區(qū)、未使用的EPROM空間及非EPROM空間、程序運(yùn)行區(qū)及中斷服務(wù)程序區(qū)。

①在未使用的中斷區(qū)，可以按照如下的方式寫中斷服務(wù)程序：

NOP

NOP

POP D1；將原來的錯(cuò)誤斷點(diǎn)彈出

POP D2；將原來的錯(cuò)誤斷點(diǎn)彈出

PUSH 00H

PUSH 00H；將斷點(diǎn)地址重寫為0000H

RETI

②在未使用的EPROM區(qū)，可在未用的區(qū)域里填充上020000數(shù)據(jù)，這樣當(dāng)程序飛入其中時(shí)就會(huì)很快的走入正軌，這條指令就是“LJMP 0000H”的機(jī)器碼。

③在非EPROM空間，當(dāng)CPU讀程序存儲器的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PSEN信號，可利用這個(gè)信號，再加上一個(gè)非EPROM區(qū)的地址譯碼信號，構(gòu)成一個(gè)選通信號來起動(dòng)一個(gè)空閑的中斷，再用軟件陷井的方法從中斷程序中把程序?qū)胝墶?/p>

5.3 采用睡眠抗干擾

某些單片機(jī)具有睡眠狀態(tài)，在睡眠狀態(tài)下只有定時(shí)/計(jì)數(shù)系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)處在工作狀態(tài)，此時(shí)CPU對系統(tǒng)三總線上出現(xiàn)的干擾不會(huì)作出反應(yīng)，從而降低系統(tǒng)對干擾的敏感度。因此可以讓CPU在非正常工作的時(shí)候休眠，必要時(shí)由中斷系統(tǒng)喚醒它，工作完后再進(jìn)入休眠狀態(tài)。這種安排，CPU可以在60%以上的時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，從而使CPU受到隨機(jī)干擾的威脅降低，與此同時(shí)也降低了CPU的功耗。

5.4 “看門狗”技術(shù)

當(dāng)程序飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)或PC指針落到程序存儲器芯片地址之外時(shí)，冗余指令和軟件陷阱對此毫無辦法，系統(tǒng)將完全癱瘓。在這種情況下，只有復(fù)位。因此“看門狗”技術(shù)，就是一個(gè)能發(fā)出“復(fù)位”信號的計(jì)數(shù)器或定時(shí)器電路?！翱撮T狗”技術(shù)可已由硬件實(shí)現(xiàn)，也可已由軟件實(shí)現(xiàn)。在單片機(jī)系統(tǒng)中，嚴(yán)重的干擾有時(shí)會(huì)破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷，此時(shí)系統(tǒng)無法定時(shí)“喂狗”，硬件看門狗電路失效，但是軟件“看門狗”可有效地解決這類問題。實(shí)際應(yīng)用中，可以采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)（如：用定時(shí)器T0監(jiān)視定時(shí)器T1，用定時(shí)器T1監(jiān)視主程序，主程序監(jiān)視定時(shí)器T0），采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能，有效的提高了系統(tǒng)的可靠性。對于需經(jīng)常使用T1定時(shí)器進(jìn)行串口通訊的測控系統(tǒng)，則定時(shí)器T1不能進(jìn)行中斷，可改由串口中斷進(jìn)行監(jiān)控。

6.結(jié)束語

抗干擾是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的內(nèi)容。硬件抗干擾是主動(dòng)的，軟件抗干擾是被動(dòng)的。由于干擾環(huán)境不同，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況，選用針對性的抗干擾措施。

[1]王豐,欒學(xué)德.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2007.

[2]何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1990.

[3]馬洪連.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4]李朝青.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[5]趙新民.智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[6]侯大年.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.