如何提高MCU抗干擾能力？

前言

隨著單片機的發展，單片機在家用電器、工業自動化、生產過程控制、智能儀器儀表等領域的應用越來越廣泛。

然而處于同一電力系統中的各種電氣設備通過電或磁的聯系彼此緊密相連，相互影響，由于運行方式的改變、故障、開關操作等引起的電磁振蕩會波及很多電氣設備。

這對我們單片機系統的可靠性與安全性構成了極大的威脅。單片機測控系統必須長期穩定、可靠運行，否則將導致控制誤差加大，嚴重時會使系統失靈，甚至造成巨大損失。

因此單片機的抗干擾問題已經成為不容忽視的問題。

干擾對單片機應用系統的影響

· 測量數據誤差加大

干擾侵入單片機系統測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在測量信號上，會使數據采集誤差加大。特別是檢測一些微弱信號，干擾信號甚至淹沒測量信號。

· 控制系統失靈

單片機輸出的控制信號通常依賴于某些條件的狀態輸入信號和對這些信號的邏輯處理結果。若這些輸入的狀態信號受到干擾，引入虛假狀態信息，將導致輸出控制誤差加大，甚至控制失靈。

· 影響單片機RAM存儲器/E2PROM等

在單片機系統中，程序及表格、數據存在程序存儲器EPROM或FLASH中，避免了這些數據受干擾破壞。但是，對于片內RAM、外擴RAM、E2PROM中的數據都有可能受到外界干擾而變化。

· 程序運行失常

外界的干擾有時導致機器頻繁復位而影響程序的正常運行。若外界干擾導致單片機程序計數器PC值的改變，則破壞了程序的正常運行。

由于受干擾后的PC值是隨機的，程序將執行一系列毫無意義的指令，最后進入“死循環”，這將使輸出嚴重混亂或死機。

如何提高設備的抗干擾能力

· 解決來自電源端的干擾

單片機系統中的各個單元都需要使用直流電源，而直流電源一般是市電電網的交流電經過變壓、整流、濾波、穩壓后產生的，因此電源上的各種干擾便會引入系統。

除此之外，由于交流電源共用，各電子設備之間通過電源也會產生相互干擾，因此抑制電源干擾尤其重要。電源干擾主要有兩類 —— 這二種方法都需要在系統接地良好的情況下進行，濾波器、接口濾波電路都必須良好的接地，這樣才能有效的將干擾泄放。

1. 電源線中的高頻干擾（傳導騷擾）：供電電力線相當于一個接收天線，能把雷電、電弧、廣播電臺等輻射的高頻干擾信號通過電源變壓器初級耦合到次級，形成對單片機系統的干擾；解決這種干擾，一般通過接口防護；在接口增加濾波器、或者使用隔離電源模塊解決。

2. 感性負載產生的瞬變噪音（EFT）：切斷大容量感性負載時，能產生很大的電流和電壓變化率，從而形成瞬變噪音干擾，成為電磁干擾的主要形式；解決這種干擾，一般通過屏蔽線與雙膠線，或在電源接口、信號接口進行濾波處理。

模擬信號采樣抗干擾技術

單片機應用系統中通常要對一個或多個模擬信號進行采樣，并將其通過A/D轉換成數字信號進行處理。

為了提高測量精度和穩定性：要保證傳感器本身的轉換精度；傳感器供電電源的穩定；測量放大器的穩定；A/D轉換基準電壓的穩定；要防止外部電磁感應噪聲的影響；如果處理不當，微弱的有用信號可能完全被無用的噪音信號淹沒。

在實際工作中，可以采用具有差動輸入的測量放大器，采用屏蔽雙膠線傳輸測量信號，或將電壓信號改變為電流信號，以及采用阻容濾波等技術。

數字信號傳輸通道的抗干擾技術

數字輸出信號可作為系統被控設備的驅動信號（如繼電器等），數字輸入信號可作為設備的響應回答和指令信號（如行程開關、啟動按鈕等）。

數字信號接口部分是外界干擾進入單片機系統的主要通道之一。

在工程設計中，對數字信號的輸入/輸出過程采取的抗干擾措施有：傳輸線的屏蔽技術，如采用屏蔽線、雙膠線等；采用信號隔離措施；合理接地，由于數字信號在電平轉換過程中形成公共阻抗干擾，選擇合適的接地點可以有效抑制地線噪聲。

硬件監控電路

在單片機系統中，為了保證系統可靠、穩定地運行，增強抗干擾能力，需要配置硬件監控電路，硬件監控電路從功能上包括以下幾個方面：

1. 上電復位：保證系統加電時能正確地啟動；

2. 掉電復位：當電源失效或電壓降到某一電壓值以下時，產生復位信號對系統進行復位；

3. 電源監測：供電電壓出現異常時，給出報警指示信號或中斷請求信號；

4. 硬件看門狗：當處理器遇到干擾或程序運行混亂產生“死鎖”時，對系統進行復位。

PCB電路合理布線

PCB板設計的好壞對抗干擾能力影響很大。因此，在進行PCB設計時，必須遵守PCB設計的一般原則，并應符合抗干擾設計的要求。下面著重說明兩點：

· 關鍵器件放置

在器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應把相互有關的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。

時鐘發生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產生噪聲，要相互靠近些；CPU復位電路、硬件看門狗電路要盡量靠近CPU相應引腳；易產生噪聲的器件、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路。

· D/A、A/D轉換電路地線的正確連接

D/A、A/D芯片及采樣芯片均提供了數字地和模擬地，分別有相應的管腳。

在線路設計中，必須將所有器件的數字地和模擬地分別相連，但數字地與模擬地僅在一點上相連。另外，也可以采用屏蔽保護，屏蔽可用來隔離空間輻射。

對噪聲特別大的部件（如變頻電源、開關電源）可以用金屬盒罩起來以減少噪聲源對單片機的干擾，對容易受干擾的部分，可以增加屏蔽罩并接地，使干擾信號被短路接地。

軟件抗干擾原理及方法

盡管我們采取了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號產生的原因錯綜復雜，且具有很大的隨機性，很難保證系統完全不受干擾。

因此，往往在硬件抗干擾措施的基礎上，采取軟件抗干擾技術加以補充，作為硬件措施的輔助手段。軟件抗干擾方法具有簡單、靈活方便、耗費低等特點，在系統中被廣泛應用。

· 數字濾波方法

數字濾波是在對模擬信號多次采樣的基礎上，通過軟件算法提取最逼近真值數據的過程。數字濾波的的算法靈活，可選擇權限參數，其效果往往是硬件濾波電路無法達到的。

· 輸入信號重復檢測方法

輸入信號的干擾是疊加在有效電平信號上的一系列離散尖脈沖，作用時間很短。

當控制系統存在輸入干擾，又不能用硬件加以有效抑制時，可用軟件重復檢測的方法，達到“去偽存真”的目的，直到連續兩次或連續兩次以上的采集結果完全一致時方為有效。

若信號總是變化不定，在達到最高次數限額時，則可給出報警信號。對于來自各類開關型傳感器的信號，如限位開關、行程開關、操作按鈕等，都可采用這種輸入方式。

如果在連續采集數據之間插入延時，則能夠對付較寬的干擾。

· 輸出端口數據刷新方法

開關量輸出軟件抗干擾設計，主要是采取重復輸出的方法，這是一種提高輸出接口抗干擾性能的有效措施。對于那些用鎖存器輸出的控制信號，這些措施很有必要。

在盡可能短的周期內，將數據重復輸出，受干擾影響的設備在還沒有來得及響應時，正確的信息又到來，這樣就可以及時防止誤動作的產生。在程序結構的安排上，可為輸出數據建立一個數據緩沖區，在程序的周期性循環體內將數據輸出。

對于增量控制型設備不能這樣重復送數，只有通過檢測通道，從設備的反饋信息中判斷數據傳輸的正確與否。在執行重復輸出功能時，對于可編程接口芯片，工作方式控制字與輸出狀態字一并重復設置，使輸出模塊可靠地工作。

· 軟件攔截技術

當竄入單片機系統的干擾作用在CPU部位時，后果更加嚴重，將使系統失靈。

最典型的故障是破壞程序計數器PC的狀態，導致程序從一個區域跳轉到另一個區域，或者程序在地址空間內“亂飛”，或者陷入“死循環”。

使用軟件攔截技術可以攔截“亂飛”的程序或者使程序擺脫“死循環”，并將運行程序納入正軌，轉到指定的程序入口。

·  “軟件看門狗”技術

PC受到干擾而失控，引起程序“亂飛”，也可能使程序陷入“死循環”。當軟件攔截技術不能使失控的程序擺脫“死循環”的困境時，通常采用程序監視技術WDT TIMER（WDT），又稱看門狗技術，使程序脫離“死循環”。

WDT是一種軟、硬件結合的抗程序跑飛措施，其硬件主體是一個用于產生定時T的計數器或單穩，該計數器或單穩基本獨立運行，其定時輸出端接至CPU的復位線，而其定時清零則由CPU控制。

在正常情況下，程序啟動WDT后，CPU周期性的將WDT清零，這樣WDT的定時溢出就不會發生，如同睡眠一般不起任何作用。在受到干擾的異常情況下，CPU時序邏輯被破壞，程序執行混亂，不可能周期性的將WDT清零，這樣當WDT的定時溢出時，其輸出使系統復位，避免CPU因一時干擾而陷入癱瘓的狀態。

總結

隨著單片機系統的廣泛應用和技術的進步，電磁干擾問題越來越突出，推廣現有的、成熟的抗干擾技術，研究抗干擾的新技術、新方向是單片機應用技術的當務之急。

在單片機應用系統設計及應用中，只要充分考慮設備的電磁兼容性，并通過各種技術措施來消除干擾，就可以大大提高設備的穩定性和可靠性。