王泉 丁偉民 衛(wèi)凱龍 李建和 王浚宇 王海建

摘 要：單片機嵌入式系統(tǒng)是一種基于計算機系統(tǒng)的技術(shù)，在實際工作中經(jīng)常容易受到一些因素干擾而影響到其正常的工作以及運行。關(guān)于單片機嵌入式系統(tǒng)受到的干擾因素主要包括：空間干擾，通道干擾以及電源干擾。這些干擾會在一定程度上對單片機嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響，導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集錯誤，定時不正確，誤操作被控對象以及狀態(tài)的不穩(wěn)定。因此，有必要采用某些抗干擾的相關(guān)技術(shù)對這些不利的后果進行避免，本文將會從軟件與硬件兩方面對實現(xiàn)抗干擾的相關(guān)技術(shù)進行介紹和研究。

關(guān)鍵詞：單片機技術(shù);嵌入式系統(tǒng);抗干擾;可靠性

引言

單片機嵌入式系統(tǒng)作為一個專用的計算機系統(tǒng)，可以在有限的功耗、體積和成本下最大發(fā)揮其應(yīng)用功能。然而，隨著應(yīng)用需求的增長，單片機的工作環(huán)境已變得越來越復(fù)雜和惡劣。因此，為了確保單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在單片機嵌入式系統(tǒng)設(shè)計之初，便要考慮系統(tǒng)的抗干擾能力，否則一旦技術(shù)應(yīng)用不當(dāng)或受環(huán)境影響便會導(dǎo)致誤差增加，從而系統(tǒng)無法正常運作，嚴(yán)重時造成設(shè)備裝置失靈，出現(xiàn)重大損失。因此，利用抗干擾技術(shù)優(yōu)化單片機嵌入式系統(tǒng)，保證指令快速、正確地執(zhí)行是本文接下來重點研究與介紹的。

1單片機嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)及主要干擾因素

單片機嵌入式系統(tǒng)是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，以技術(shù)應(yīng)用為中心，以硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能為支撐，形成一個應(yīng)用系統(tǒng)控制運行的功能耗損和穩(wěn)定性的專業(yè)化計算機系統(tǒng)，也可以簡單地說是一種在應(yīng)用系統(tǒng)和高端的設(shè)備中嵌入用戶看不到的計算機系統(tǒng)。單片機嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)在運行中，往往會受到一些因素的干擾，其運行干擾因素主要有三種，第一種干擾因素是供電干擾，當(dāng)電能在線圈中流過時會產(chǎn)生磁場，這種磁場對單片機嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的電氣信號有著比較大的干擾作用;第二種干擾因素是空間干擾，由于空間狹小，相互之間產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生干擾作用;第三種干擾因素是過程通道干擾，進入系統(tǒng)的前向通道、后向通道以及與系統(tǒng)相連的其他通道的信號受到干擾，而產(chǎn)生信號衰減或消失。

2單片機嵌入式系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)

2.1優(yōu)化供電設(shè)計

在很多情況下，單片機嵌入式系統(tǒng)連接的相關(guān)電氣設(shè)備遭到干擾，其中很大一部分原因來源于電能供應(yīng)的不穩(wěn)定性，因此，要想實現(xiàn)單片機嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，首先要對于相關(guān)的供電系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。為了達到穩(wěn)定電能的作用，防止因為電源的電壓過高或者過低造成的電能不穩(wěn)定現(xiàn)象，可以在電能系統(tǒng)中使用交流穩(wěn)壓器來進行穩(wěn)壓。此外，可以借助隔離變壓器和低通變壓器對于工頻噪聲和高頻噪聲進行處理，保證系統(tǒng)的主機的電能供應(yīng)和其他部位的電能供應(yīng)區(qū)分開，運用獨立安裝連接的穩(wěn)壓器來防止其他的設(shè)備電能使用可能帶來的電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.2去耦技術(shù)

去耦技術(shù)指的是在單片機嵌入式的相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計過程中進行去耦電容的設(shè)置，從而形成去耦電路。原則上，是在單片機的相關(guān)嵌入式系統(tǒng)中的每個集成電路的相關(guān)以及地之間加入一個去耦電容器。采用這種方法的主要功能體現(xiàn)在兩個方面：一是可以減少旁路的高頻噪聲，另一個是集成電路的存儲電容器，提供和吸收集成電路打開和關(guān)閉時的充電和放電能量。此外，通過該過程，可以在很大程度上減小由于沖擊電流的原因?qū)е碌膫鬏斁€路和供應(yīng)系統(tǒng)的相關(guān)電源內(nèi)阻造成的壓降，從而降低造成對單片機嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)干擾。

2.3優(yōu)化印制電路板布線和工藝

要確保單片機系統(tǒng)的抗干擾能力，要合理選擇使用電路板，一般情況下，多層電路板是單片機嵌入式系統(tǒng)中的有效電路板選擇對象。相對于單層電路板來說，這種電路板的性能更好，將這種多層電路板接入系統(tǒng)中，能夠防止原件之間相互耦合和電位差的現(xiàn)象發(fā)生，保證單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在印刷電路板時，要注意嚴(yán)謹(jǐn)性，進行合理的分區(qū)處理，確保數(shù)字電路、模擬電路之間不會靠的太近，防止相互電路之間的干擾，進行清晰的分區(qū)處理，尤其要做到對于地線的區(qū)分使用，確保地線和各自的電源端有效連接。在進行走線方式的制定時，要考慮到焊接面和元件面中的走向不能出現(xiàn)平行的連接，可以進行適當(dāng)?shù)膹澢托苯?。?dǎo)線與導(dǎo)線之間要做好相互之間的平行程度控制，做到盡可能縮小平行長度。對于信號線的布局應(yīng)該堅持距離的盡可能拉大來進行布線。在印制電路板的相關(guān)操作中，還要注重送電方式要符合相關(guān)的規(guī)則，做好單點接線和接地工作。不同的分區(qū)中，要確保地線和電源的分離，且都需要用粗線進行布線，將元器件按照有噪音產(chǎn)生和無噪音產(chǎn)生進行區(qū)分。

3單片機嵌入式系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)

3.1指令冗余技術(shù)

單片機嵌入式系統(tǒng)在工作過程中會產(chǎn)生很多的干擾信號，由于干擾機理十分復(fù)雜，干擾因素也比較多，會存在很多的偶然性與隨機性。受干擾因素影響，單片機系統(tǒng)非常容易出現(xiàn)程序跑飛的情況，尤其當(dāng)單片機嵌入式系統(tǒng)在工作的過程中如果跑飛的程序在ROM區(qū)中工作的時候，此時可以采用指令冗余技術(shù)進行調(diào)整。由于程序跑飛是指系統(tǒng)受干擾后指針的值偏離后導(dǎo)致堆棧被破壞，因此可以可以在程序中插入幾個單字節(jié)的空操作指令NOP，或是對關(guān)鍵指令在后面進行重復(fù)編寫，以此保證后續(xù)指令不被拆散，使跑飛的程序回歸正軌。該指令在程序中是冗余的，主要是起保護作用，不會對系統(tǒng)運行造成影響，但卻有效避免了干擾因素的影響，大大提高了系統(tǒng)可靠性。

3.2數(shù)字濾波技術(shù)

在數(shù)據(jù)采集中其系統(tǒng)通道中會產(chǎn)生一些干擾信號，那么就需要數(shù)字濾波技術(shù)對信號進行濾波處理。數(shù)字濾波是單片機嵌入式系統(tǒng)利用數(shù)學(xué)公式信號進行處理，增加有用信號在所有信號輸送的比重，保證信號的真實性和正確性。單片機嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾數(shù)字濾波技術(shù)有：中值濾波方法，程序判斷濾波方法，復(fù)合數(shù)字濾波方法，算術(shù)平均濾波方法以及加權(quán)平均濾波方法等。通常，這種抗干擾的技術(shù)主要是對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道中的干擾具有針對性，通過對數(shù)字濾波技術(shù)的使用，可以更好的保證信號的可靠性，并且可以很好的避免對有用信號的干擾及影響。此外，這種技術(shù)對硬件的設(shè)備要求不高，不需要增加設(shè)備，只要編輯一個濾波的有關(guān)軟件程序就可以達到目的，它的優(yōu)點就是穩(wěn)定性高，修改方便，可以降低抗干擾的技術(shù)成本支出。

結(jié)語

目前，嵌入式單片機日益得到廣泛應(yīng)用，為了保證設(shè)備的可靠性，在分析干擾源的基礎(chǔ)上，一方面可以強化抗干擾技術(shù)，為嵌入式單片機的有效運行提供可靠的保障，另一方面則可以通過結(jié)合硬件與軟件的抗干擾技術(shù)來提升抗干擾能力，設(shè)計出可靠性高的嵌入式系統(tǒng)，確保設(shè)備能夠正常穩(wěn)定地工作。

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