張志

摘要：針對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)在日常應(yīng)用中的受到干擾因素進(jìn)行分析，介紹了影響單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的干擾源，最后得出通過硬件和軟件兩個(gè)方面提高單機(jī)片系統(tǒng)抗干擾性的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)螜C(jī)片；干擾；抗干擾技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）06-0214-02

單片機(jī)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中，并且其具有價(jià)格低、體積小、功能靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此其在生產(chǎn)過程中、工業(yè)自動(dòng)化以及儀器領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大對(duì)其可靠性提出了更高的要求，其中抗干擾是一項(xiàng)重要內(nèi)容，因此在單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用過程中必須要做好抗干擾研究，確保單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 抗干擾技術(shù)的重要性

微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)常需要在惡劣的環(huán)境下工作，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用要注意對(duì)安全性和可靠性問題的研究。微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中必須能可靠、長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行，否則在運(yùn)行過程中很有可能因?yàn)榭刂粕铣霈F(xiàn)誤差，影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，情況嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失控，造成嚴(yán)重的后果。測(cè)控系統(tǒng)在受到干擾后，引起的后果主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）采集到的數(shù)據(jù)的誤差擴(kuò)大，干擾侵入到微機(jī)系統(tǒng)測(cè)量單元的內(nèi)部，對(duì)輸出通道的信號(hào)進(jìn)行模擬，模擬信號(hào)會(huì)與有用信號(hào)發(fā)生疊加，這將會(huì)導(dǎo)致采集到的信號(hào)誤差進(jìn)一步擴(kuò)大，尤其是傳感器所傳輸?shù)男盘?hào)較弱時(shí)，干擾將會(huì)變得更加嚴(yán)重，對(duì)系統(tǒng)的影響也會(huì)進(jìn)一步加劇。

2）由于受到干擾，數(shù)據(jù)發(fā)生變化，單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用的RAM存儲(chǔ)其不僅是可讀的，同時(shí)也可寫，因此在應(yīng)用過程中，一旦遭受到干擾，RAM中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不僅會(huì)泄漏，并且面臨著被篡改的風(fēng)險(xiǎn)。

3）程序無法正常運(yùn)行，存在于單機(jī)片系統(tǒng)中的程序計(jì)數(shù)器，其正常運(yùn)行是維護(hù)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵。如果單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中遭受到干擾，PC值將會(huì)發(fā)生變化，遭受干擾后的PC值會(huì)的無法估量的，因此十分容易導(dǎo)致程序出現(xiàn)混亂，程序無法正常運(yùn)行。

4）控制失靈，干擾會(huì)使單片機(jī)系統(tǒng)的輸出無法進(jìn)一步加大，導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)受到外界因素的影響，最終將會(huì)使系統(tǒng)失去控制。

5）損壞硬件，單片機(jī)在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障，情況不嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量造成影響，情況嚴(yán)重時(shí)將會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞，引發(fā)生產(chǎn)事故。

2 影響單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的干擾源

1）單片機(jī)系統(tǒng)自身干擾

單片機(jī)系統(tǒng)自身存在干擾源的主要原因是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)其中的一些問題考慮不周全。例如，電路工作不可靠、布局存在問題，或元器件本身質(zhì)量存在問題，在應(yīng)用過程中，產(chǎn)生半導(dǎo)體散粒噪聲干擾、過程通道干擾、接觸噪音干擾等。出現(xiàn)的這些干擾現(xiàn)象隨著流動(dòng)元器件電流的增加會(huì)變得更加明顯，噪聲電流通過系統(tǒng)電路將會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響，造成的主要后果是導(dǎo)致控制精準(zhǔn)度下降。

2）電磁干擾

現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)存在許多電磁干擾源，不同類型的干擾源都會(huì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用造成影響。例如，動(dòng)力斷路器斷弧過程中出現(xiàn)了多次復(fù)燃的情況，電容諧振、電磁線圈電感的分布、工頻輸電線周圍存在功能強(qiáng)大的磁場(chǎng)和變電場(chǎng)以及來自太陽(yáng)等自然天體所釋放出的輻射的電磁波和地球本身存在的磁場(chǎng)都可以歸納為電磁干擾。電磁干擾過程中，干擾信號(hào)通過回路之間互感耦合或信號(hào)所通過的導(dǎo)線進(jìn)入到控制系統(tǒng)中。單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中如果受到電磁干擾，輕則使控制系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)誤差，重則將會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)無法運(yùn)行，一切的生產(chǎn)工作都必須停止。

3）供電系統(tǒng)干擾

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)存在許多運(yùn)行的設(shè)備，這些設(shè)備功率普遍較大，尤其是一些感性負(fù)載較大的設(shè)備在啟動(dòng)過程中，應(yīng)用電壓較大，電網(wǎng)和電壓會(huì)出現(xiàn)大幅度的下陷與浪涌，各別時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的欠壓、過壓、尖峰電壓等情況，這些故障很容易通過線路的方式完成傳輸，最終將會(huì)進(jìn)入到控制系統(tǒng)中，在以上干擾中，過壓干擾是造成后果最嚴(yán)重的一種干擾。

3 抗干擾的硬件技術(shù)與軟件技術(shù)

3.1 抗干擾的硬件技術(shù)

1） “看門狗”技術(shù)

“看門狗”技術(shù)就是利用CPU對(duì)定時(shí)器進(jìn)行控制，對(duì)軟件及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，“看門狗”可以分為Ⅰ級(jí)“看門狗”和Ⅱ級(jí)“看門狗”。

Ⅰ級(jí)“看門狗”定時(shí)器A的定時(shí)長(zhǎng)度為t1，主程序的一個(gè)循環(huán)周圍為T，針對(duì)t1和T進(jìn)行設(shè)計(jì)，T

Ⅱ級(jí)“看門狗”是一種相對(duì)比較完善的設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用可以使系統(tǒng)恢復(fù)到一個(gè)相對(duì)理想的狀態(tài)。在對(duì)Ⅱ級(jí)“看門狗”中使用的定時(shí)器B進(jìn)行定義時(shí)，時(shí)長(zhǎng)為t2，設(shè)計(jì)t2的大小為0t1>T，0

2） 遠(yuǎn)端強(qiáng)制復(fù)位技術(shù)

遠(yuǎn)端強(qiáng)制復(fù)位技術(shù)主要在單片機(jī)動(dòng)機(jī)通訊中應(yīng)用，主機(jī)幫助從機(jī)復(fù)位。該技術(shù)的應(yīng)用并會(huì)占用大量的系統(tǒng)資源，在設(shè)計(jì)程序過程中，也不會(huì)存在大量的多余語(yǔ)句。進(jìn)行一個(gè)電控電路設(shè)計(jì)，通過監(jiān)控主機(jī)向從機(jī)傳輸命令。對(duì)工作的時(shí)序進(jìn)行合理安排， 每隔一段時(shí)段，主機(jī)都會(huì)相從機(jī)發(fā)出各種命令，并且從機(jī)會(huì)予以相應(yīng)的相應(yīng)。如果單片機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，從機(jī)因?yàn)槭艿礁蓴_而失控，主機(jī)則可以通過應(yīng)答命令的具體情況進(jìn)行判斷，然后對(duì)其控制操作暫停一段時(shí)間。從機(jī)通道監(jiān)視電路無法接收到信號(hào)，控制復(fù)位電路在運(yùn)行過程中將會(huì)形成復(fù)位信號(hào)，從而使單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位。

以上是單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中比較常用的抗干擾硬件技術(shù)，此外，在實(shí)際操作過程中，還可以針對(duì)干擾單機(jī)片系統(tǒng)運(yùn)行的干擾源的不同，采取具有針對(duì)性的干擾措施。例如，針對(duì)電磁給系統(tǒng)運(yùn)行造成的干擾，在處理上可以通過對(duì)易遭受干擾設(shè)備或電路進(jìn)行屏蔽，或?qū)Ξa(chǎn)生干擾電磁的輻射源進(jìn)行屏蔽，起到抑制干擾的效果。針對(duì)工程通道所造成的干擾，在處理上可以通過采用雙絞線傳輸或光電耦合隔離發(fā)方式進(jìn)行抗干擾處理。而對(duì)于供電系統(tǒng)所引起的干擾，在處理上可以通過分立式供電、交流穩(wěn)壓器等方式。

3.2 抗干擾的軟件技術(shù)

單片機(jī)程序可以井然有序的進(jìn)行，但是要提高程序在運(yùn)行過程中的可靠性和安全性必須要以下內(nèi)容。第一，硬件的基礎(chǔ)必須安全可靠，硬件要具有足夠的能力承擔(dān)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的壓力。第二，系統(tǒng)中所使用軟件也必須安全可靠，軟件的可靠性主要體現(xiàn)初始化存儲(chǔ)器和足夠的容錯(cuò)設(shè)計(jì)。

1）初始化存儲(chǔ)器

在單片系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)信息，并且要處理大量的存儲(chǔ)問題。因此，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。在單片機(jī)剛通電時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行都會(huì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，如果在運(yùn)行過程中對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行直接應(yīng)用，需要注重對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器初始化對(duì)比，提高軟件可靠性。

2）足夠的容錯(cuò)設(shè)計(jì)

盡管單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在許多抗干擾機(jī)制，但是由于其應(yīng)用的環(huán)境復(fù)雜程度高，環(huán)境惡劣，因此在對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用中，采取必要的抗干擾措施是必要的。除了外界因素對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)造成干擾外，一些硬件因素和人為因素也會(huì)對(duì)其運(yùn)行造成不同程度的干擾。例如，硬件出錯(cuò)，操作出錯(cuò)等原因。因此，軟件設(shè)計(jì)過程中，要保留足夠的容錯(cuò)設(shè)計(jì)空間，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，如果遭受到了非正常激勵(lì)信號(hào)，足夠的容錯(cuò)設(shè)計(jì)可以屏蔽掉大量的非正常激勵(lì)信號(hào)，對(duì)于沒有屏蔽掉的非正常激勵(lì)信號(hào)，利用軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)可以進(jìn)行優(yōu)化處理，從而使單片機(jī)在遭受到非正常激勵(lì)信號(hào)干擾時(shí)，仍然能夠保持正常運(yùn)行，并且足夠的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，可以大幅度降低干擾對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)所造成的不良影響。

3）設(shè)計(jì)軟件陷阱技術(shù)

目前使用設(shè)置軟件陷阱的方法對(duì)紊亂程序進(jìn)行攔截，將計(jì)數(shù)器引向一個(gè)指定的位置，然后在對(duì)程序執(zhí)行過程中的錯(cuò)誤進(jìn)行處理。下面，針對(duì)為陷阱設(shè)計(jì)的一般運(yùn)用方案。ERROR是指定位置，在對(duì)出錯(cuò)程序軟件陷進(jìn)進(jìn)行處理時(shí)，可以將其安排在以下幾個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。①未使用的中斷向量區(qū)，當(dāng)干擾程序?qū)ξ词褂玫闹袛嚅_放去進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，對(duì)這些中斷進(jìn)行激活，通常會(huì)導(dǎo)致程序的運(yùn)行發(fā)生紊亂，及時(shí)完成對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行捕捉的方法就是將軟件陷阱設(shè)置在中斷位置。②軟件程序數(shù)據(jù)區(qū)，對(duì)紊亂程序的解決通過指令冗余技術(shù)完成，也可進(jìn)行軟件陷阱設(shè)計(jì)，避免程序發(fā)生紊亂。單片機(jī)程序通常都采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)需要通過一系列指令完成，因此不能在指令中隨意設(shè)置陷阱，通常將陷阱處理軟件分布在不同應(yīng)用模塊的空余數(shù)據(jù)單元中。正常運(yùn)行的程序不會(huì)執(zhí)行存缺陷對(duì)軟件指令，如果程序因?yàn)槲蓙y而進(jìn)入陷阱區(qū)，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)將程序引入到正確的計(jì)數(shù)器上，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4）監(jiān)視跟蹤定時(shí)器

如果程序在運(yùn)行過程中進(jìn)入了死循環(huán)狀態(tài)，上述所有的方法都無法解決該情況，此時(shí)應(yīng)當(dāng)應(yīng)用監(jiān)視跟蹤定時(shí)器對(duì)遇到的問題進(jìn)行解決，該技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是對(duì)程序的循環(huán)時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視，如果時(shí)間間隔已經(jīng)超出了循環(huán)所設(shè)定的固定的時(shí)間間隔，則可以判斷程序已經(jīng)進(jìn)入了死程序中，跳轉(zhuǎn)指令，完成對(duì)相關(guān)出錯(cuò)處理指令的添加，從而使系統(tǒng)的運(yùn)行恢復(fù)正常。

4 總結(jié)

抗干擾技術(shù)是單片系統(tǒng)運(yùn)行過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在對(duì)抗干擾技術(shù)的分析上要合理地將硬件和軟將桿干擾技術(shù)合理的結(jié)合在一起，針對(duì)不同的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所遭受的干擾，采取針對(duì)性的處理措施，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

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