2.干扰对单片机应用系统的影响，从软、硬两个方面给出

近年来，单片机在工业自动化、生产过程控制、智能仪表等领域的应用越来越广泛，极大地提高了产品质量，有效提高了生产效率。然而，测控系统的工作环境往往复杂而恶劣，尤其是系统周围的电磁环境，对系统的可靠性和安全性构成很大威胁。单片机测控系统必须长期稳定可靠地运行。否则会增加控制误差，严重时系统会失效，甚至造成巨大损失。下面重点分析干扰对单片机应用系统的影响，

2. 干扰对单片机应用系统的影响

影响应用系统可靠安全运行的主要因素来自于系统内外的各种电磁干扰，以及系统结构设计、部件安装、加工工艺和外部电磁环境条件等。这些因素对单片机系统的干扰后果主要表现在以下几个方面：

(1) 测量数据误差增加

干扰侵入单片机系统测量单元的模拟信号输入通道，叠加在测量信号上，会增加数据采集误差，甚至会被干扰信号淹没测量信号，尤其是检测一些微弱的信号。信号，例如人体的生物电信号。

(2) 影响 MCU RAM 内存和 E2PROM 等。

在单片机系统中，程序、表格和数据存储在程序存储器EPROM或FLASH中，避免了这些数据的干扰和破坏。但是，片上 RAM、外部 RAM 和 E2PROM 中的数据可能会因外部干扰而改变。

(3) 控制系统故障

微控制器输出的控制信号通常取决于一定条件下的状态输入信号以及这些信号的逻辑处理结果。如果这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假的状态信息，输出控制误差就会增大，甚至控制失败。

(4) 程序无法正常运行

外部干扰有时会导致机器频繁复位，影响程序的正常运行。如果外部干扰导致单片机程序计数器的PC值发生变化，就会破坏程序的正常运行。由于扰动的 PC 值是随机的，程序会执行一系列无意义的指令，最终进入“无限循环”，这将严重扰乱输出或冻结。

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3. 硬件抗干扰技术

3.1 选择好的元件和微控制器

硬件抗干扰技术是系统设计中首选的抗干扰措施。能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。常用的硬件设计抗干扰措施如下：

① 市场上出售的元器件种类繁多。某些组件可用，但性能较差。有些组件很容易受到干扰。因此，在选择解码器、键盘扫描控制器、RAM等关键部件时，最好选择性能稳定的工业级产品。

②单片机的选择不仅要考虑硬件配置、存储容量等，还要选择抗干扰性能强的单片机。笔者认为AVR系列单片机在各类单片机中具有很强的抗干扰能力。

③ 外部时钟是高频噪声源，会对系统内外产生干扰。因此，在满足需要的前提下选择低频单片机是明智的。

3.2 抑制电源干扰

单片机系统中的每个单元都需要使用一个直流电源，而直流电源一般是由市电电网的交流电经过变压、整流、滤波、稳压后产生的，因此对系统的各种干扰电网将被引入系统。另外，由于交流电源是共用的，电子设备也会通过电源相互干扰，所以抑制电源干扰就显得尤为重要。电源干扰的主要类型如下：

① 电源线中的高频干扰

电源线相当于一根接收天线，可以将雷电、电弧、无线电台等辐射的高频干扰信号通过电源变压器的初级耦合到次级，对单片机系统形成干扰；

② 感性负载产生的瞬态噪声

当大容量感性负载被切断时，会产生很大的电流和电压变化率，从而形成瞬态噪声干扰，成为电磁干扰的主要形式；

③ 晶闸管通断时的干扰

晶闸管在导通和关断时，电流变化率很大，使晶闸管在导通瞬间流过具有高次谐波的大电流，从而在电源阻抗上产生很大的压降，从而引起电网电压的差距。这种失真产生的电压波形包含高次谐波，它可以辐射到空间或通过传导耦合干扰其他设备。此外，还有电网电压波动或瞬时电压降引起干扰等。

电源干扰的抑制通常可以采用以下方法：

① 接地技术

实践证明，单片机系统设备的抗干扰能力与系统的接地方式有很大关系，而接地技术往往是抑制噪声的重要手段。良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部的噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。设备的金属外壳必须安全接地；用于屏蔽的导体必须良好接地；

② 屏蔽线和双胶线传输

屏蔽线对静电干扰有很强的抑制作用，而双胶线有抵消电磁感应干扰的作用。开关信号检测线和模拟信号检测线可以使用屏蔽双胶线，抗静电和电磁感应干扰；特殊干扰源也可连接屏蔽线，使干扰源免受外界干扰；

③ 隔离技术

信号隔离的目的之一是将干扰源和易干扰部分与电路隔离，使监控设备与现场仅保持信号接触，而没有直接的电气接触。隔离的本质是切断引入的干扰通道，从而达到隔离现场干扰的目的。

一般的单片机应用系统既有弱电控制系统也有强电控制系统，通常实现弱电和强电的隔离，这是保证系统稳定性和安全性的重要措施。设备和操作员。常用的隔离方法有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离和接线隔离。

④ 模拟信号采样抗干扰技术

在单片机应用系统中，通常将一个或多个模拟信号通过A/D采样转换成数字信号进行处理。为了提高测量精度和稳定性，不仅要保证传感器本身的转换精度、传感器电源的稳定性、测量放大器的稳定性、A/D转换基准的稳定性电压，还可以防止外部电磁感应噪声的影响。，微弱的有用信号可能会被无用的噪声信号完全淹没。在实际工作中两个模拟信号如何同时输入到单片机，可以使用差分输入的测量放大器，可以使用屏蔽双胶线传输测量信号，也可以将电压信号变为电流信号，

在许多信号变化相对较慢的采样系统中，如人体生物电（ECG、EEG）采样、地震波记录等，50Hz工频干扰影响最大。因此，抑制工频干扰信号是保证测量精度的重要措施之一。为了抑制和消除工频干扰，常用的方法是在A/D转换电路前加一个RC滤波器，或者使用采样时间为50Hz工频周期整数倍的双积分A/D转换器.

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3.3 数字信号传输通道抗干扰技术

数字输出信号可作为系统受控设备（如继电器等）的驱动信号，数字输入信号可作为设备（如行程开关、启动等）的响应应答和命令信号按钮等）。数字信号接口部分是外部干扰进入单片机系统的主要渠道之一。在工程设计中，对数字信号的输入/输出过程采取的抗干扰措施包括：传输线的屏蔽技术，如使用屏蔽线、双胶线等；采取信号隔离措施；在此过程中会形成共阻抗干扰，选择合适的接地点可以有效抑制地线噪声。

3.4 硬件监控电路

在单片机系统中，为保证系统可靠稳定运行，增强抗干扰能力，需要配置硬件监控电路。硬件监控电路从功能上包括以下几个方面：

① 上电复位：确保系统上电后能正确启动；

②断电复位：当电源出现故障或电压下降到一定电压值以下时，产生复位信号，使系统复位；

③ 数据保护：当电源或系统出现异常时，必要的数据保护，如写保护、后备电池切换等；

④ 电源监控：当电源电压异常时，会给出报警指示信号或中断请求信号；

⑤ 硬件看门狗：当处理器遇到干扰或程序运行混乱产生“死锁”时，复位系统。

一些知名的半导体厂商将这些功能集成在一起，如MAXIM公司的MAX690、MAX706。

3.5 印制电路板的合理布线

印刷电路板（PCB）是电子产品中电路元件和器件的支撑，它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高，PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在设计PCB时，必须遵循PCB设计的一般原则，并满足抗干扰设计的要求。下面重点强调两点：

①关键器件的放置：与其他逻辑电路在器件放置方面一样，相关器件应尽可能靠近放置，以获得更好的抗噪声效果。时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入容易产生噪声，应相互靠近；CPU复位电路和硬件看门狗电路应尽量靠近CPU的相应引脚；容易产生噪声、大电流电路等的器件应尽可能靠近。远离逻辑电路，如果可能，制作额外的电路板。

②D/A、A/D转换电路要特别注意地线的正确连接，否则干扰会很严重。D/A、A/D芯片和采样芯片都提供数字地和模拟地，分别对应相应的引脚。在电路设计中，所有器件的数字地和模拟地必须分开连接，但数字地和模拟地只连接在一个点上。

此外，还可采用屏蔽保护，可用于隔离空间辐射。对于噪声特别大的元器件（如变频电源、开关电源），可以用金属盒盖住，以减少噪声源对单片机的干扰。对于易受干扰的部分，可加屏蔽罩并接地，使干扰信号对地短路。

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4. 软件抗干扰原理与方法

虽然我们采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号的复杂性和随机性原因，很难保证系统完全不受干扰。因此，在硬件抗干扰措施的基础上，常采用软件抗干扰技术作为硬件措施的辅助手段加以补充。该软件抗干扰方法具有简单、灵活方便、成本低廉的特点，在系统中得到广泛应用。

4.1 数字滤波方式

数字滤波是在对模拟信号进行多次采样的基础上，通过软件算法提取出最近似真值数据的过程。数字滤波算法灵活，可以选择权限参数，其效果往往是硬件滤波电路无法达到的。

4.2 输入信号重复检测方法

输入信号的干扰是叠加在有效电平信号上的一系列离散尖峰，作用时间很短。当控制系统出现输入干扰，硬件无法有效抑制时，可采用软件反复检测的方法，达到“去伪存真”的目的，直到采集结果完全一致连续两次或多次。如果信号一直在变化，当达到最大次数时，可以发出报警信号。这种输入方式可用于来自各种开关型传感器的信号，例如限位开关、行程开关和操作按钮。如果在连续采集之间插入延迟，则可以处理更广泛的干扰。

4.3 输出端口数据刷新方法

开关量输出软件的抗干扰设计主要采用重复输出的方式，是提高输出接口抗干扰性能的有效措施。这些措施对于使用锁存器输出的控制信号是必要的。在最短的时间内重复输出数据，当受干扰的设备来不及响应时，就会有正确的信息出现，从而及时防止故障的发生。在程序结构的安排上，可以为输出数据建立一个数据缓冲区，在程序的周期循环体中输出数据。对于增量控制设备，不能以这种方式重复发送数据。只有通过检测通道，

在执行重复输出功能时，对于可编程接口芯片，将工作模式控制字和输出状态字重复设置在一起，以使输出模块可靠工作。

4.4 软件拦截技术

当单片机系统的干扰作用于CPU部分时，后果更为严重，系统会出现故障。最典型的故障是破坏程序计数器PC的状态，导致程序从一个区域跳转到另一个区域，或者程序在地址空间中“飞”，或者陷入“无限循环”。使用软件拦截技术可以拦截“飞”的程序或使程序脱离“死循环”，使正在运行的程序走上正轨，进入指定的程序入口。

4.5“软件看门狗”技术

PC受干扰失控，导致程序“飞”，也可能使程序陷入“死循环”。当软件拦截技术无法使失控程序脱离“死循环”时两个模拟信号如何同时输入到单片机，通常采用程序监控技术WDT TIMER（WDT），又称“看门狗”技术，使程序脱离的“死循环”。WDT是一种软件和硬件相结合的防程序失控措施。它的硬件主体是一个计数器或单稳态，用于产生定时T。计数器或单稳态基本独立运行，其定时输出连接到CPU的复位线。, 其定时复位由 CPU 控制。一般情况下，程序启动 WDT 后，CPU会定期清除WDT，这样WDT就不会发生时序溢出，也不会像休眠一样产生任何影响。在干扰异常的情况下，CPU时序逻辑被破坏，程序执行混乱，无法定期清除WDT，所以当WDT时序溢出时，其输出复位系统，CPU摆脱由于暂时的干扰而瘫痪。地位。

5. 结论

以上是笔者在实际工作中总结的一些单片机系统常见的抗干扰措施。在设计单片机系统时也采用了这些方法，并取得了良好的效果。