1 引 言

近年來，微機(jī)測控系統(tǒng)，特別是單片機(jī)在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程控制、智能化儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越深入和廣泛，有效地提高了生產(chǎn)效率，大大提高了控制質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益。但是，測控系統(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、安全性就成為一個非常突出的問題。許多應(yīng)用系統(tǒng)在進(jìn)行仿真調(diào)試和實驗室內(nèi)的聯(lián)機(jī)試運行時都是成功的，然而一進(jìn)入現(xiàn)場使用，系統(tǒng)則會產(chǎn)生預(yù)料之外的誤動作或誤顯示，嚴(yán)重時導(dǎo)致系統(tǒng)失靈，甚至導(dǎo)致巨大的損失。

影響測控系統(tǒng)可靠、安全運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)構(gòu)設(shè)計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。

系統(tǒng)自身及應(yīng)用環(huán)境產(chǎn)生的各種電磁噪聲仍是普遍的干擾因素，產(chǎn)生的原因主要有：放電噪聲、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。干擾源產(chǎn)生的干擾是通過耦合通道對微機(jī)測控系統(tǒng)發(fā)生電磁干擾作用，噪聲的傳遞幾乎都是通過導(dǎo)線或者通過空間和大地傳遞的。

2 干擾的主要耦合方式

（1）直接耦合方式

電導(dǎo)性耦合最普遍的方式是干擾信號經(jīng)過導(dǎo)線直接傳導(dǎo)到被擾電路中而造成對電路的干擾。在微機(jī)測控系統(tǒng)中，干擾噪聲經(jīng)過電源線耦合進(jìn)入計算機(jī)線路是最常見的直接耦合現(xiàn)象。

（2）公共阻抗耦合方式

當(dāng)一個電源電路對幾個電路供電時，如果電源不是內(nèi)阻抗為零的理想電壓源，則其內(nèi)阻抗就成為接受供電的幾個電路的公共阻抗，只要其中某一個電路的電流發(fā)生變化，便會使其他電路的供電電壓發(fā)生變化，形成公共阻抗耦合。

（3）電容耦合方式

這是指電位變化在干擾源與干擾對象之間引起的靜電感應(yīng)，又稱靜電耦合或電場耦合。

（4）電磁感應(yīng)耦合方式

在任何載流導(dǎo)體周圍空間中都會產(chǎn)生磁場，若磁場是交變的，則對周圍閉合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢，在設(shè)備內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁是一個很大的干擾，設(shè)備外部，當(dāng)2根導(dǎo)線在很長的一段區(qū)間架設(shè)時，也會產(chǎn)生干擾。

（5）輻射耦合方式

當(dāng)高頻電流流經(jīng)導(dǎo)體時，在該導(dǎo)體周圍便產(chǎn)生電力線和磁力線，并發(fā)生高頻變化，從而形成一種在空間傳播的電磁波，處于電磁波中的導(dǎo)體便會感應(yīng)出相應(yīng)頻率的電動勢。電磁場輻射干擾是一種無規(guī)則的干擾，這種干擾很容易通過電源線傳到系統(tǒng)中去，此外，波，稱為天線效應(yīng)。

（6）漏電耦合方式

漏電耦合是電阻性耦合方式，當(dāng)相鄰的元件和導(dǎo)線間的絕緣電阻降低時，有些電信號便通過這個降低了的絕緣電阻耦合到邏輯元件的輸入端而形成干擾。

3 單片機(jī)系統(tǒng)中的主要抗干擾手段

干擾的抑制方法，一般分為硬件抗干擾和軟件抗干擾。筆者在開發(fā)研制自動化儀表和智能測控系統(tǒng)實踐中，針對單片機(jī)系統(tǒng)的干擾及其抑制方法進(jìn)行了分析、研究，并在實際運用中收到了良好的效果。

3．1 硬件抗干擾

為便于理解，干擾的來源可籠統(tǒng)地概括為：電源干擾、口線干擾和空間干擾。其相應(yīng)的抗干擾措施分別為：
 
（1）電源隔離

單片機(jī)工作電路的電源要采取獨立的供電回路，其電源變壓器同其他大功率電路的電源變壓器要分別使用。單片機(jī)電源電路的地線與其他大功率電路的地線不相連接。在兩電路的電氣連接處，可使用光電耦合器、光可控硅等器件加以隔離。

（2）口線隔離

單片機(jī)的輸入、輸出口線，特別是參與控制大功率電路的口線，在其與外電路的電氣連接處都要通過光電耦合器進(jìn)行隔離。

隔離電路如圖1所示，電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

（3）空間隔離

單片機(jī)控制回路與其他大功率回路之間能夠分開放置的，盡量不要放置在同一空間中，如果二者必須在同一空間中的，要盡量加大二者的電氣距離，盡可能減小空間的電磁感應(yīng)耦合和輻射耦合，或者將單片機(jī)控制電路放在由金屬網(wǎng)或金屬盒構(gòu)成的屏蔽體內(nèi)。 此外，還有其他一些輔助性抗干擾措施，如：晶振的外殼接地、中央處理器的電源端及各口線附近對地加去耦電容等。

3．2　軟件抗干擾方法

除了硬件抗干擾途徑外，采用相應(yīng)的軟件抑制及補(bǔ)償措施，也可以起到有效的抗干擾作用。

（1）單片機(jī)各部分對干擾信號的反應(yīng)

①中央處理器CPU

CPU屬于高速數(shù)字器件，易受干擾的有運算器、控制器和控制寄存器。當(dāng)電磁干擾信號竄入時，CPU將錯誤地執(zhí)行指令，引起誤動作或者錯誤的結(jié)果；控制寄存器中的信息如果被噪聲修改，將導(dǎo)致初始化錯誤、尋址失敗乃至系統(tǒng)癱瘓。試驗表明，干擾信號大多數(shù)由總線導(dǎo)入CPU內(nèi)；其中與外界聯(lián)系最頻繁、因而最容易受干擾的是程序指針PC，這種干擾往往引發(fā)致命錯誤，屬于重點防范和重點糾錯的對象。

②特殊功能寄存器SFR

SFR包括各種 I／O端口的寄存器、各種片內(nèi)部件的工作方式寄存器，以及堆棧指針、數(shù)據(jù)指針等等，其特點是傳遞數(shù)據(jù)的速度高，能夠與CPU的運行密切配合。如果某個 SFR被干擾信號改寫，則意味著運行的結(jié)果異常，輕者改變單片機(jī)內(nèi)各部件的操作控制，重則導(dǎo)致整個系統(tǒng)的輸出紊亂，引發(fā)故障或安全事故。因此，對于與程序有關(guān)的內(nèi)容必須提供及時有效的保護(hù)。

（2）軟件補(bǔ)償措施

對于已經(jīng)侵入微處理機(jī)的噪聲，必須采取能夠維持系統(tǒng)功能的對應(yīng)措施，以免出現(xiàn)意外停機(jī)或意外啟動，甚至引起意外事故。對CPU的誤動作和各種存儲器內(nèi)容的誤修改，在應(yīng)用軟件中插入相應(yīng)的程序模塊，進(jìn)行主動補(bǔ)償是一種簡便而可靠的方法。

①主動初始化

這里的“初始化”泛指在各段程序中，對單片機(jī)及片外擴(kuò)展器件的各種功能、端口或者方式、狀態(tài)等采取的永久性的或者臨時的設(shè)置。我們不僅要保證上電或復(fù)位后軟件能夠正確的實現(xiàn)各種級別的初始化，而且在程序中每次使用某種功能前，都要再一次對相應(yīng)的控制寄存器設(shè)定動作模式。實踐證明，這一措施可以大大提高系統(tǒng)對于入侵干擾的自恢復(fù)性能。

②重復(fù)執(zhí)行

程序指令在執(zhí)行的過程中或者保持之后，都有可能被噪聲修改，而導(dǎo)致控制失效乃至引發(fā)事故，為此應(yīng)當(dāng)盡量增加重要指令的執(zhí)行次數(shù)以糾正干擾造成的錯誤。對于頻率較低的傳感器數(shù)據(jù)，建議在有效時間內(nèi)多次采集并比較；對于控制外部設(shè)備的指令，則需要多次重復(fù)執(zhí)行以確保有關(guān)信號的可靠性。為達(dá)此目的，可把重要的指令設(shè)計成定時掃描模塊，使其在整個程序的循環(huán)運行過程中反復(fù)執(zhí)行。如此，即使干擾信號改寫了指令內(nèi)容，也能在受控設(shè)備的反應(yīng)時間內(nèi)自動恢復(fù)正常。

③重要數(shù)據(jù)的保護(hù)和恢復(fù)

編寫專門的數(shù)據(jù)保護(hù)子程序，是提高工控微機(jī)系統(tǒng)可靠性的有效途徑。在編寫程序的過程中，對于由指令改變結(jié)果性質(zhì)的數(shù)據(jù)，可以考慮在每次改變后都盡可能地保護(hù)起來，以便在需要時能夠恢復(fù)正確值。若數(shù)據(jù)的保護(hù)量較大，建議擴(kuò)展非易失性的SRAM作為片外數(shù)據(jù)存儲器，這種新型芯片具有很高的抗干擾性能，其缺點是目前的價位較高。

（3）片內(nèi)WDT控制

“看門狗”（WDT）已經(jīng)成為工控微機(jī)必不可少的成員之一，他可以防止程序“跑飛”或者出現(xiàn)“死循環(huán)”。有的單片機(jī)如PIC系列單片機(jī)片內(nèi)就帶有 WDT監(jiān)視定時器，通過軟件，定時清WDT監(jiān)視定時器的值，當(dāng)出現(xiàn)“死循環(huán)”或程序“跑飛”現(xiàn)象時，WDT監(jiān)視定時器內(nèi)的值計滿溢出，從而強(qiáng)迫程序復(fù)位，從頭開始。不帶片內(nèi)WDT監(jiān)視定時器的單片機(jī)，也可以利用微處理機(jī)內(nèi)部閑置的定時／計數(shù)器，配合以適當(dāng)?shù)某绦蚓涂梢苑奖愕貥?gòu)成WDT。

參考文獻(xiàn)
［1］　何立民．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000．
［2］　楊華舒，褚福濤．單片計算機(jī)系統(tǒng)抗干擾的軟件途徑［J］．電子技術(shù)應(yīng)用,2001(3):20-22.