單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)應(yīng)用方案

1、單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)應(yīng)用方案周遐，金瑞，鐘思佳（昆明冶金高等?？茖W(xué)校，昆明 650033）摘 要：在工業(yè)控制系統(tǒng)、教學(xué)實驗設(shè)備和我們的生活中，單片機(jī)都得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)控制系統(tǒng)中，極易出現(xiàn)干擾問題，且干擾的來源比較廣泛，這會導(dǎo)致單片機(jī)控制系統(tǒng)無法運(yùn)行或在工作過程中產(chǎn)生錯亂，嚴(yán)重的甚至引起事故。單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾問題比較難于解決，作者針對這一問題進(jìn)行了長期深入的分析和研究，通過大量實踐，為單片機(jī)系統(tǒng)的干擾問題提供了一套非常有實用價值的解決方案。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 控制系統(tǒng) 抗干擾 應(yīng)用方案中圖分類號：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 文章編號：Applied Scenario of Anti-ja

2、mming Technology in MCU Control SystemZHOU Xia ， JIN Rui ，CAO Yun-chuan ， ZHONG Si-jia（Kunming Metallurgy College , Kunming 650033，China）Abstracts：MCU is now widely used in industry control system, teaching experiment equipment and our daily life. The disturbance problem always happen in MCU control

3、 system, and there are many source of the disturbance which will cause the MCU control system could not run or have disorder when it is working, it will cause accident when the disturbance problem serious. To solve the disturbance problem is very difficult .With a large number of practice， and long

4、time and in-depth studying and analysis on the disturbance problem , the author has proposed a set of practical solution for the problem .Key words: MCU, Control System, Anti-jamming，Applied Scenario0 引言單片機(jī)（Single Chip Microcomputer或Micro Controller Unit）控制系統(tǒng)以其性價比高、編程靈活、體積小、功能強(qiáng)大等優(yōu)勢，在各行各業(yè)中得到了廣泛的運(yùn)用。單片

5、機(jī)控制系統(tǒng)中一直存在一個常見、關(guān)鍵而又難以解決的問題，這就是抗干擾問題。特別是在電氣控制系統(tǒng)中，單片機(jī)所控制的是繼電器線圈和電動機(jī)等感性負(fù)載，更使得這一問題尤為突出。很多程序在軟件調(diào)試（如使用Keil C51）時完全正常，但一旦把單片機(jī)接入電路，通電運(yùn)行，馬上產(chǎn)生程序錯亂，不能按預(yù)期設(shè)計工作，其主要原因就是干擾問題。經(jīng)過長期的分析、研究和實踐，我們對單片機(jī)控制系統(tǒng)干擾的來源以及相應(yīng)的解決方案做了比較深入的研究和探討，提出了行之有效的抗干擾方案。1 單片機(jī)控制系統(tǒng)干擾來源及產(chǎn)生的主要原因單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾來源主要有電源干擾、過程通道干擾和電磁波干擾等方面。其中最廣泛也是最嚴(yán)重的干擾是電源干擾。

6、由于單片機(jī)是高速運(yùn)行的數(shù)字運(yùn)算和處理器件，因此在運(yùn)行過程中，如果電源不穩(wěn)或受到前向通道、后向通道以及與單片機(jī)系統(tǒng)相連的其它器件和設(shè)備的各種干擾，極易使CPU的程序處理產(chǎn)生錯亂。另外，單片機(jī)工作頻率較高，會向周圍產(chǎn)生電磁輻射，也影響自身工作；同時，外部的電磁信號，特別是感性負(fù)載通斷時產(chǎn)生的電磁干擾，也會影響單片機(jī)控制系統(tǒng)的工作。2 單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)應(yīng)用方案解決干擾問題，可以使用硬件手段，也可采用軟件手段，通常是兩種手段配合使用。單片機(jī)的抗干擾技術(shù)有多種形式，除一些常規(guī)的抗干擾措施外，我們通過深入的研究和反復(fù)實踐，提出以下幾種行之有效的抗干擾技術(shù)應(yīng)用方案。2.1 在供電系統(tǒng)中采用DCDC模

7、塊單片機(jī)工作時需要高質(zhì)量的供電電源，既使采用了一般的開關(guān)穩(wěn)壓電源，也難以杜絕干擾問題。通過反復(fù)實踐，如果在供電電路中加入DCDC模塊，可起到很好的抗干擾作用，保證單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作。DCDC模塊內(nèi)部是一個直流變換電路，是將輸入的直流電變換為高品質(zhì)符合要求的另一直流電輸出的電路，在變換過程中能很好地濾除電源系統(tǒng)中帶來的干擾。在實踐過程中，瑞士TRACO公司的TEM2系列電源DCDC供電模塊是比較理想的產(chǎn)品，電壓等級多，使用方便。TEM2系列電源模塊可根據(jù)需要輸出5V、12V和15V等不同數(shù)值的高質(zhì)量直流電壓。在單片機(jī)供電系統(tǒng)中使用最多的是TEM22411模塊，該模塊輸入為24V直流，輸出為5V

8、直流，符合大多數(shù)單片機(jī)的供電要求。其外觀和引腳功能如圖1所示。通過反復(fù)實踐，在供電系統(tǒng)中采用了DCDC模塊，并在供電電路中多次加入濾波電容，能起到很好的抗干擾作用，既使在一些干擾比較嚴(yán)重的場合，例如由單片機(jī)控制的電氣系統(tǒng)中，也能使系統(tǒng)不受干擾的影響，保持正常的工作狀態(tài)。2.2 解決好“退耦”問題由于供電線路的相互影響，容易在系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾信號通過地線耦合的情況，造成自激振蕩，引起系統(tǒng)錯亂或不能正常各種。解決的方法主要是加入由電容構(gòu)成的退耦電路。在單片機(jī)控制系統(tǒng)的如下部位加入退（a）TEM2系列模塊外觀 （b）TEM2-2411模塊引腳排列和功能圖1 TEM2-2411電源DCDC供電模塊外觀和

9、引腳功能耦電路，可起到很好的抗干擾效果。（1） 在單片機(jī)直流電源的輸入端接入100F左右的鋁電解電容，以濾除低頻干擾；（2） 在單片機(jī)和系統(tǒng)中其它主要集成電路芯片的電源正極引腳與地之間接入退耦電容，以消除高頻噪聲。退耦電容采用容量為0.1F左右的無極性電容，最好選用品質(zhì)較好的聚丙烯電容器。接入退耦電容時應(yīng)注意：電容要盡量靠近單片機(jī)和其它芯片的電源正極引腳，與地之間的連接線要盡可能短，以免產(chǎn)生附加的電容和電感效應(yīng)。2.3 線路較長時采用雙絞線來進(jìn)行信號傳輸與單片機(jī)輸入、輸出口相連的引線較長時，可使用雙絞線來進(jìn)行信號傳輸，并配合光電耦合器，可以很好地解決長傳輸線的干擾問題，如圖2所示。雙絞線的抗共

10、模噪聲干擾的能力比較強(qiáng)，能夠使各個小環(huán)路的感應(yīng)干擾相互抵消，而且雙絞線的分布電容可達(dá)到幾十pF左右，能起到一定的積分作用，因此對于抑制干擾信號也有很好的作用。在圖2中，在光電耦合器旁邊還加上了由電阻R2和電容C構(gòu)成的干擾吸收電路，能更有效地增強(qiáng)系統(tǒng)抗振蕩和噪聲的能力。經(jīng)過測試，輸入信號頻率達(dá)到560KHz左右時，輸入引線在5m以上，也能起到很好的抗干擾效果。圖2 采用雙絞線配合光電耦合器的方式來消除長傳輸線干擾2.4 在軟件設(shè)計中采用延時抗干擾環(huán)節(jié)在感性負(fù)載、大功率器件、電源通斷時，可采用延時抗干擾環(huán)節(jié)，利用軟件延時，避開干擾。程序設(shè)計流程如下：單片機(jī)發(fā)出設(shè)備通斷指令延時等待繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)程序當(dāng)

11、單片機(jī)發(fā)出設(shè)備通斷指令后，可編寫延時程序使系統(tǒng)等待一段時間，延時時間可根據(jù)系統(tǒng)情況和干擾強(qiáng)度來具體確定，一般在50ms500ms之間，具體應(yīng)用時可通過實際測試來確定。在編寫延時程序時，可采用多條空操作（NOP）指令來做為延時程序主體，這樣通斷設(shè)備產(chǎn)生的干擾不會對延時程序本身產(chǎn)生太大影響。這樣，利用這個延時過程，就避免了設(shè)備通斷時產(chǎn)生的干擾對系統(tǒng)的影響。經(jīng)過一段延時，待干擾過去后，單片機(jī)系統(tǒng)再執(zhí)行后續(xù)的指令。2.5 在軟件設(shè)計中設(shè)置“軟件陷阱”在軟件設(shè)計時，可在用戶程序的空隙處或轉(zhuǎn)移指令后設(shè)置“軟件陷阱”，即當(dāng)單片機(jī)受到干擾而導(dǎo)致程序錯亂，執(zhí)行到軟件陷阱時，會引導(dǎo)程序回復(fù)到初始化程序地址或特定地

12、址，重新開始正常執(zhí)行程序。在單片機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計時，可將軟件陷阱程序分散地放置在各應(yīng)用功能模塊之間空余的存儲器單元里。當(dāng)用戶程序正常運(yùn)行時，這些軟件陷阱程序段并不會執(zhí)行，而當(dāng)單片機(jī)受到干擾而失控時，程序計數(shù)器PC指針一旦落入這些陷阱區(qū)，就能馬上將跑飛的程序拉回到正常程序段或初始地址。例如可使用如下程序構(gòu)成軟件陷阱：NOPNOPLJMP 0000H當(dāng)單片機(jī)受到干擾而進(jìn)入軟件陷阱時，就可將程序重新引導(dǎo)回初始程序。當(dāng)程序中存在中斷時，可修改“LJMP 0000H”指令中的跳轉(zhuǎn)地址，指向特定的地址，以關(guān)閉中斷。又如可使用LJMP 0000H指令填滿所有非程序區(qū)，這樣若程序失控后到達(dá)非程序區(qū)，就能很快使系

13、統(tǒng)很快復(fù)位。另外，軟件看門狗(soltware watchdog)程序，實際上也是軟件陷阱的一種特殊應(yīng)用。除以上抗干擾技術(shù)外，在單片機(jī)系統(tǒng)中還有很多常規(guī)的抗干擾措施，例如采用光電耦合器和固態(tài)繼電器、OC門輸出時在總線上加入上拉電阻、對系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽、合理設(shè)計印刷電路板、采用“看門狗”電路和定時對輸出端進(jìn)行刷新等。3 結(jié)論單片機(jī)系統(tǒng)的干擾問題來源比較廣泛，在實際工作和應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，找到干擾的主要來源，并采用相應(yīng)的方法來進(jìn)行解決。對于一些干擾源難于判斷或比較復(fù)雜的場合，對以上抗干擾措施可綜合使用。經(jīng)過實踐檢驗，使用以上解決方案可收到很好的抗干擾效果。單片機(jī)的抗干擾問題解決好了，就可以充分發(fā)揮出其功能強(qiáng)大、控制靈活和性價比高等方面的優(yōu)勢，能更好地應(yīng)用在我們生產(chǎn)和生活中的各個領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)： 1 趙佩華. 單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用 M . 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2003. 2 陳文智. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理與實踐 M . 北京：清華大學(xué)出版社，2005. 3 王宜懷. 嵌入式應(yīng)用技術(shù)基