楊琳

摘要：現(xiàn)代微型計算機技術(shù)的普及應(yīng)用，使單片機在電氣控制系統(tǒng)中的運用更加廣泛，取代了傳統(tǒng)人工控制的作業(yè)模式，綜合提高了機械及電氣設(shè)備的自動化運行效率。硬件是單片機極為重要的組成部分，使用過程易受到多方面因素的干擾，加強單片機抗干擾設(shè)計是保證其功能正常發(fā)揮的前提條件。本文結(jié)合實際的工作經(jīng)驗，重點對單片機控制系統(tǒng)的硬件抗干擾進行分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：單片機;硬件;抗干擾

一、造成干擾的渠道和影響

影響單片機控制系統(tǒng)可靠運行的主要因素為各種電氣信號的干擾，并且受到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、安裝工藝、器件選擇、制造水平等影響。多種因素交織在一起經(jīng)常會使單片機系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定，輕則降低產(chǎn)品質(zhì)量，重則會造成事故。

（一）空間中的電磁干擾。單片機控制系統(tǒng)主要應(yīng)用在工業(yè)控制中，其實際工作的生產(chǎn)現(xiàn)場存在著許多干擾源，例如，閃電、電機、高頻率的時鐘等。這些電磁干擾信號有可能會進入測量單元的模擬信號輸入通道，使數(shù)據(jù)采集的誤差加大，甚至干擾信號掩蓋了正確的測量信號，從而帶來整個單片機控制系統(tǒng)的誤操作，對其正常工作造成極大的影響。

（二）測控通道中的干擾。測控通道是單片機控制系統(tǒng)與其他主機之間連通的橋梁。其傳輸線中的信號多為脈沖波，當(dāng)干擾信號進入系統(tǒng)的后向通道后，會出現(xiàn)延時，波形畸變、衰減等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生錯誤的操作指令和反饋信號，造成整個控制系統(tǒng)的故障。

（三）供電系統(tǒng)干擾。事實上在正常的50Hz正弦波上疊加有許多高電壓的尖峰脈沖信號，這些信號在不穩(wěn)定時有可能影響系統(tǒng)的正常工作，甚至燒毀一些器件。

二、硬件抗干擾設(shè)計的方法和原則

（一）合理設(shè)計電路板電路。電路板電路的設(shè)計對單片機控制系統(tǒng)是否抗干擾起著十分重要的作用。在設(shè)計過程中要注意盡量控制噪聲源、降低對外部噪聲的吸收和減小噪聲的傳播與耦合來進行布線。對模擬電路部分、數(shù)字電路部分以及驅(qū)動部分的電源線和地線要分別進行處理，噪音元件和非噪音元件要保持一定的距離。

在元器件的位置排列上盡量使相互關(guān)聯(lián)的器件布置在一起。將發(fā)熱量較大的部分，如存儲單元、時鐘發(fā)生器等放置在板子散熱條件較好的地方。為了消除電位差，降低干擾，可以將整流電路部分設(shè)計為網(wǎng)格狀。對于地線和電源線的走向上盡量與數(shù)據(jù)的傳輸方向一致，這樣有助于提高整個系統(tǒng)的抗噪聲能力。當(dāng)單片機控制系統(tǒng)中同時存在弱電信號和強電信號時，要在線路布局和走向上予以區(qū)別并保持一定的距離以降低相互間的干擾。同時為了降低電磁感應(yīng)對傳輸信號的影響，系統(tǒng)中的電源線、信號線等盡量采用雙絞線。

（二）降低供電系統(tǒng)的電源干擾。（1）為確保單片機供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)欠壓和過壓，應(yīng)在電源接入端采用交流穩(wěn)壓器件;（2）電源系統(tǒng)中的干擾部分大多是高次諧波，因此可以采用在交流端添加電感電容濾波，從而改善電源波形。例如，可以使用磁珠和電容組成π形濾波電路，如果條件要求不是很苛刻時磁珠可以用1000電阻替代，從而可以消除干擾脈沖;（3）在一些情況下也可以采用系統(tǒng)模塊獨立供電的方法進行供電。在每個功能模塊上采用三端穩(wěn)壓集成模塊組成穩(wěn)壓電源，如7805等。這樣不僅可以提高供電的可靠性，也可以減少公共阻抗和公共電源的相互耦合，有助于電源的散熱。

（三）增強敏感元件的抗干擾能力。（1）對于按鈕等部件在實際操作時出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，須用RC電路予以處理;（2）在對電路板進行布線時，電源線和地線要設(shè)計的盡量粗些。這樣不僅可以減小壓降，還可以有效降低耦合噪聲;（3）對于單片機中空閑的I/O口，須盡量避免其懸空，在不影響系統(tǒng)功能和邏輯的前提下對其接地或接電源以降低干擾源進行系統(tǒng);（4）為提高整體系統(tǒng)的抗干擾能力，需要對單片機電路進行優(yōu)化，例如采用電源監(jiān)控、看門狗電路等;（5）在采用低速芯片可以滿足條件的前提下盡量避免使用高速芯片;（6）單片機控制系統(tǒng)的復(fù)位電路在受到干擾的情況下可能出現(xiàn)誤復(fù)位操作，因此需要在復(fù)位端接入去耦電容;（7）時鐘發(fā)生器盡量靠近使用到該時鐘的器件，同時要注意將石英晶體振蕩器的外殼接地。

（四）隔離和屏蔽設(shè)計。對單片機控制系統(tǒng)的進行隔離和屏蔽設(shè)計是硬件抗干擾的常用措施。隔離的目的是將電路上的干擾源和系統(tǒng)中易受到干擾部分進行分離，從而切斷干擾通道，保證監(jiān)控裝置與現(xiàn)場僅僅保持正常的信號聯(lián)系。常見的隔離方式主要有布線隔離、繼電器隔離和光電隔離等。其中光電隔離是比較典型的信號隔離，其作用是將單片機的輸入端和輸出端隔離開，從而可以使干擾信號進入不了單片機系統(tǒng)，也可以確保系統(tǒng)本身的噪聲不會向外傳播。屏蔽主要是針對噪聲相對大的部件來，如開關(guān)電源等，可以用金屬外殼的罩子進行封閉，降低噪聲源對單片機的干擾。

（五）其他常用的抗干擾措施。（1）電路板布線時盡量避免線路出現(xiàn)90度折線，以便降低高頻噪聲;（2）電路板在設(shè)計中要合理布局，盡量降低強電信號、弱電信號、數(shù)字信號和模擬信號之間的相互影響，保證干擾源與敏感元件之間距離;（3）對于系統(tǒng)中的大功率器件盡量布置在電路板的邊緣，同時要將單片機和其接地獨立開，在提高散熱的同時降低相互干擾;（4）在單片機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵地方使用抗干擾器件，如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩等;（5）對變壓器采用雙隔離措施是硬件抗干擾的重要手段之一。即將串聯(lián)電容接入變壓器初級輸入端，初、次級線圈間屏蔽層與初級間電容中心接點接大地，次級外屏蔽層接印制板地。同時為了吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓可以在次級加低通濾波器;（6）為了降低信號的誤差，A/D轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場轉(zhuǎn)換的方式。

三、結(jié)束語

單片機控制系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計與系統(tǒng)的使用環(huán)境、具體電路以及相應(yīng)的軟件設(shè)計等有著密切的關(guān)系。因此，在具體設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實際情況具體分析，在可靠的實現(xiàn)需求功能的基礎(chǔ)上提高整體性能和降低設(shè)計成本。同時要注意抗干擾設(shè)計理論與實踐的結(jié)合，不斷積累經(jīng)驗，才能設(shè)計中運行穩(wěn)定的單片機控制系統(tǒng)。

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