單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾優(yōu)化設(shè)計

1、單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾優(yōu)化設(shè)計【摘要】：在單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中，不單要突出設(shè)備的自動化程度及智能性，另一方面也要重視控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。文章從系統(tǒng)受到干擾的主要原因和現(xiàn)象；系統(tǒng)可靠性設(shè)計的任務(wù)及方法等方面展開了說明及闡述。【關(guān)鍵詞】：單片機(jī);抗干擾;控制狀態(tài);冗余技術(shù)隨著電子技術(shù)和微型計算機(jī)的迅速開展，促進(jìn)了微型計算機(jī)控制技術(shù)的迅速開展和廣泛應(yīng)用。中小規(guī)模的單片機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)消費(fèi)及日常生活中的智能機(jī)電一體化產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用。在單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中，我們不單要突出設(shè)備的自動化程度及智能性，另一方面也要重視控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，否那么就無法表達(dá)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。1.系統(tǒng)

2、受到干擾的主要原因和現(xiàn)象由于單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復(fù)雜的，其應(yīng)用的可靠性、平安性就成為一個非常突出的問題。單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用必須長期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，否那么將導(dǎo)致控制誤差加大，嚴(yán)重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成宏大的損失。影響單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的可靠、平安運(yùn)行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)果設(shè)計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。這些因素對控制系統(tǒng)造成的干擾后果主要表如今下述幾個方面。1數(shù)據(jù)采集誤差加大。干擾侵入單片機(jī)控制系統(tǒng)測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號之上，會使數(shù)據(jù)采集誤差加大，特別是當(dāng)傳感器輸出弱信號時干擾更加嚴(yán)重。2控

3、制狀態(tài)失靈。微機(jī)輸出的控制信號常依賴某些條件的狀態(tài)輸入信號和這些信號的邏輯處理結(jié)果。假設(shè)這些輸入的狀態(tài)信號受到干擾，引入虛假狀態(tài)信號，將導(dǎo)致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。3數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。單片機(jī)控制系統(tǒng)中，由于ra存儲器是可以讀/寫的，故在干擾的損害下，ra中的數(shù)據(jù)有可能被竄改。在單片微機(jī)系統(tǒng)中，程序及表格、常數(shù)存于程序存儲器中，防止了這些數(shù)據(jù)受到干擾破壞，但對于內(nèi)ra、外擴(kuò)ra中的數(shù)據(jù)都有可能受到外界干擾而變化。根據(jù)干擾竄入的途徑、受干擾數(shù)據(jù)的性質(zhì)不同，系統(tǒng)受損壞的情況也不同有的造成數(shù)據(jù)誤差有的使控制失靈，有的改變程序狀態(tài)，有的改變某些部件如定時器/計數(shù)器，串行口等的工作狀態(tài)等。4程序

4、運(yùn)行失常。單片機(jī)控制系統(tǒng)中程序計數(shù)器的正常工作，是系統(tǒng)維持程序正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。假設(shè)外界干擾導(dǎo)致計數(shù)器的值改變，破壞了程序的正常運(yùn)行。由于受到干擾后計數(shù)器的值是隨機(jī)的，因此導(dǎo)致程序混亂。通常的情況是程序?qū)?zhí)行一系列毫無意義的指令，最后進(jìn)入死循環(huán)，這將使輸出嚴(yán)重混亂或系統(tǒng)失靈。2.系統(tǒng)可靠性設(shè)計的分析和方法單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性技術(shù)涉及到消費(fèi)過程的方方面面，不僅與設(shè)計、制造、檢驗(yàn)、安裝、維護(hù)有關(guān)，還與消費(fèi)管理、質(zhì)量監(jiān)控體系、使用人員的專業(yè)程度與素質(zhì)有關(guān)。這里主要是從技術(shù)角度分析進(jìn)步系統(tǒng)可靠性的最常用方法。導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的內(nèi)部因素主要有以下三點(diǎn)：1元器件本身的性能與可靠性。元器件是組成系

5、統(tǒng)的根本單元，其特性好壞與穩(wěn)定性直接影響整系統(tǒng)性能與可靠性。因此，在可靠性設(shè)計當(dāng)中，首要的工作是精選元器件，使其在長期穩(wěn)定性、精度等級方面滿足要求。隨著微電子技術(shù)的開展，電子元器件的可靠性不斷進(jìn)步，如今小功率晶體管及中小規(guī)模i芯片的實(shí)際故障大約為1010-9/h。這為進(jìn)步系統(tǒng)性能與可靠性提供了很好的基矗2系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計。包括硬件電路構(gòu)造和運(yùn)行軟件設(shè)計。電路設(shè)計中要求元器件或線路布局合理以消除元器件之間的電磁耦合互相干擾，優(yōu)化的電路設(shè)計也可以消除或削弱外部干擾對整個系統(tǒng)的影響，如去耦電路、平衡電路等。同時也可以采用冗余構(gòu)造，也稱容錯技術(shù)或故障掩蓋技術(shù)，它是通過增加完成同一功能的并聯(lián)或備用單元包括硬

6、件單元或軟件單元數(shù)目來進(jìn)步系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計方法。當(dāng)某些元器件發(fā)生故障時也不影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行。對于消減外部電磁干擾，可采用電磁兼容設(shè)計，目的是進(jìn)步單片機(jī)系統(tǒng)在電磁環(huán)境中的適應(yīng)性，即能保持完成規(guī)定功能的才能。常用的抗電磁干擾的硬件措施有濾波技術(shù)、去耦電路、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)等。軟件是微機(jī)系統(tǒng)區(qū)別于其它通用電子設(shè)備的獨(dú)到之處，通過合理編制軟件可以進(jìn)一步進(jìn)步系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。常用的軟件措施主要有：一是信息冗余技術(shù)，對單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用而言，保持信號信息和重要數(shù)據(jù)是進(jìn)步可靠性的主要方面。為防止系統(tǒng)故障等原因此喪失信息，常將重要數(shù)據(jù)或文件多重化，復(fù)制一份或多份拷貝，并存于不同空間，一旦某一區(qū)間或某一

7、備份被破壞，那么自動從其它部分重新復(fù)制，使信息得以恢復(fù)。二是時間冗余技術(shù)，為進(jìn)步單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性，可采用重復(fù)執(zhí)行某一操作或某一程序，并將執(zhí)行結(jié)果與前一次結(jié)果進(jìn)展比較對照來確認(rèn)系統(tǒng)工作是否正常。只有當(dāng)兩次結(jié)果一樣時，才被認(rèn)可，并進(jìn)展下一步操作。假設(shè)兩次結(jié)果不一樣，可再次重復(fù)執(zhí)行一次，當(dāng)?shù)谌谓Y(jié)果與前兩次之中的一次一樣時，那么認(rèn)為另一結(jié)果是偶然故障引起的，應(yīng)剔除。假設(shè)三次結(jié)果均不一樣，那么初步斷定為硬件永久性故障，需進(jìn)一步檢查。這種方法是用時間為代價來換取可靠性，稱為時間冗余技術(shù)，也稱為重復(fù)檢測技術(shù)。三是故障自動檢測與診斷技術(shù)，對于復(fù)雜系統(tǒng)，為了保證能及時檢測出有故障裝置或單元模塊，以便

8、及時把有用單元交換上去，就需要對系統(tǒng)進(jìn)展在線測試與診斷。這樣做的目的有兩個：一是為了斷定動作或功能的正常性；二是為了及時指出故障部位，縮短維修時間。四是軟件可靠性技術(shù)：單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行軟件是系統(tǒng)要實(shí)行的各項(xiàng)功能的詳細(xì)反映。軟件的可靠性主要標(biāo)志是軟件是否真實(shí)而準(zhǔn)確地描繪了要實(shí)現(xiàn)的各種功能。因此對消費(fèi)工藝過程的理解程度直接關(guān)系到軟件的編寫質(zhì)量。進(jìn)步軟件可靠性的前提條件是設(shè)計人員對消費(fèi)工藝過程的深化理解，并且使軟件易讀、易測和易修改。五是失效保險技術(shù)：有些重要系統(tǒng)，一但發(fā)生故障時希望整個系統(tǒng)應(yīng)處于平安或保險狀態(tài)。此外，還有常見的數(shù)字濾波、程序運(yùn)行監(jiān)視及故障自動恢復(fù)技術(shù)等。3安裝與調(diào)試。元器件與整個

9、系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，是保證系統(tǒng)運(yùn)行與可靠性的重要措施。盡管元器件選擇嚴(yán)格，系統(tǒng)整體設(shè)計合理，但安裝工藝粗糙，調(diào)試不嚴(yán)格，仍然達(dá)不到預(yù)期的效果。導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的外因是指單片機(jī)控制系統(tǒng)所處工作環(huán)境中的外部設(shè)備或空間條件導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的不可靠因素，主要包括以下幾點(diǎn)：一是外部電氣條件，如電源電壓的穩(wěn)定性、強(qiáng)電場與磁場等的影響；二是外部空間條件，如溫度、濕度，空氣清潔度等；三是外部機(jī)械條件，如振動、沖擊等。為保證系統(tǒng)可靠工作，必須創(chuàng)造一個良好的外部環(huán)境。例如：采取屏蔽措施、遠(yuǎn)離產(chǎn)生強(qiáng)電場干擾的設(shè)備；加強(qiáng)通風(fēng)以降低環(huán)境溫度；安裝緊固以防振動等。元器件的選擇是根本，合理安裝調(diào)試是根底，系統(tǒng)設(shè)計是手段，外部環(huán)境是保證，這是可靠性設(shè)計遵循的根本準(zhǔn)那么，并貫穿于系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試、運(yùn)行的全過程。為實(shí)現(xiàn)這些準(zhǔn)那么，必須采取相應(yīng)的硬件或軟件方面的措施，這是可靠性設(shè)計的根本任務(wù)。中小規(guī)模的單片機(jī)控制系統(tǒng)在開發(fā)過程中，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的工作環(huán)境，采用以上的系統(tǒng)抗干擾優(yōu)化設(shè)計的措施與方法，根本能有效地進(jìn)步單片機(jī)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，充分地表達(dá)單片機(jī)控制系統(tǒng)在不增加控制本錢的情況進(jìn)步機(jī)電設(shè)備的自動化性能與智能性的優(yōu)越所在。參考文獻(xiàn)1胡連柱,姜