單片機應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾解決方案

1． 引言

單片機應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容之一，抗干擾性能的好壞將決定系統(tǒng)能否在復(fù)雜的電磁環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作，從而決定了系統(tǒng)的實際使用價值。特別是在各種實時控制的遠距離系統(tǒng)中，由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，干擾因素較多，系統(tǒng)不可避免地要受到其他電磁設(shè)備的干擾，若僅按常規(guī)設(shè)計就很難保證系統(tǒng)的正常運行。因此，抗干擾問題是設(shè)計者必須充分考慮和解決的，下面從硬件和軟件兩個方面談?wù)効垢蓴_設(shè)計。

2． 硬件抗干擾設(shè)計

2．1 供電系統(tǒng)

為了防止從電源系統(tǒng)引入干擾，首先采用交流穩(wěn)壓器保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止電源的過壓和欠壓。其次，電源濾波和退耦是抑制電源干擾的主要方式，可將電源變壓器的初級隔離起來，使混入初級的噪聲干擾不致進入次級；使用隔離變壓器濾掉高頻噪聲，低通濾波器濾掉工頻干擾。

當(dāng)系統(tǒng)中使用繼電器、磁帶等電感設(shè)備時，數(shù)據(jù)采集的供電電路應(yīng)與繼電器的供電電路分開，以避免在供電線路之間的干擾，即如圖1所示。

對單片機系統(tǒng)的主機部分使用單獨的穩(wěn)壓電路，必要時輸入、輸出供電分別采用DC-DC模塊，避免各個部分之間的干擾。

2．2 印制電路板

① 注意合理布置印制電路板上的器件，遵循器件之間電氣干擾小和易于散熱的原則。

② 電路板要合理劃分，模擬電路區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、功率驅(qū)動區(qū)等要盡量分開，地線不能相混，要分別和電源端的地線相連。

③ 布線時盡量不要構(gòu)成環(huán)路，特別避免沿印制電路板周圍做成環(huán)路，不要出現(xiàn)長段的窄線并行，旁路電容的引線不能很長；單元電路的輸出和輸入應(yīng)當(dāng)用地線隔開；電源線和地線的走向盡量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢?，并加寬寬度提高電路板的抗干擾能力。

④ 原則上每個IC都要加去耦電容，并靠近IC的電源腳和接地腳。

2．3 輸入輸出干擾的抑制

輸入輸出信號加上光電耦合器隔離，可以將主機部分和前向、后向通道及其他部分切斷電路的聯(lián)系，有效地防止干擾進入主機系統(tǒng)。

在單片機實時系統(tǒng)信號的長線傳輸過程中，要注意使用雙絞線，提高系統(tǒng)的抗噪聲能力。同時對傳輸線要進行阻抗匹配，可以在傳輸線的始端串聯(lián)電阻、末端并聯(lián)電阻，以實現(xiàn)匹配，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3． 軟件抗干擾設(shè)計

為了提高測控系統(tǒng)的可靠性，僅靠硬件抗干擾措施是不夠的，還需采用適當(dāng)?shù)能浖垢蓴_技術(shù)，軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)輸入信號受干擾后去偽求真或系統(tǒng)受干擾后使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行的一種輔助方法。對抑制輸入信號的干擾主要采用數(shù)字濾波技術(shù)，通過軟件去除噪聲對數(shù)據(jù)采集結(jié)果的影響。系統(tǒng)受干擾后會使得程序失控，失控原因大都可以歸結(jié)為程序計數(shù)器PC的內(nèi)容發(fā)生變化，引起程序跑飛或陷入死循環(huán)，CPU執(zhí)行了一系列錯誤的指令從而導(dǎo)致系統(tǒng)失控，，可以采用軟件冗余、軟件陷阱和看門狗技術(shù)等使程序納入正規(guī)。

3．1 軟件冗余技術(shù)

MCS-51所有指令都不超過三個字節(jié)，且多為單字節(jié)指令，指令由操作碼和操作數(shù)組成，操作碼指明CPU完成什么樣的操作，單字節(jié)指令僅有操作碼，隱含操作數(shù)。CPU受到干擾后，PC內(nèi)容發(fā)生變化，當(dāng)程序彈飛到某一單字節(jié)指令時，便自動納入正規(guī)。當(dāng)跑飛到某一雙字節(jié)或三字節(jié)指令時，若恰恰在取指令時刻落到其操作數(shù)上，CPU就將操作數(shù)當(dāng)作操作碼來執(zhí)行，引起程序混亂。因此軟件設(shè)計應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方人為的插入一些單字節(jié)指令NOP，或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重寫，這稱作指令冗余。在實際軟件設(shè)計中，往往在雙字節(jié)和三字節(jié)指令之后插入兩個NOP指令，可以保證程序跑飛后其后面的指令不會拆散，后面的程序可以正常運行。在那些對程序流向起決定作用的指令，如RET、RETI、ACALL、LJMP、JZ、JNC等之前也插入2條NOP指令，可保證跑飛的程序迅速進入正確的控制軌道。