单片机控制系统抗干扰技术应用方案

1单片机控制系统抗干扰技术应用方案周遐，金瑞，钟思佳（昆明冶金高等专科学校，昆明650033）摘要：在工业控制系统、教学实验设备和我们的生活中，单片机都得到了广泛的应用。单片机控制系统中，极易出现干扰问题，且干扰的来源比较广泛，这会导致单片机控制系统无法运行或在工作过程中产生错乱，严重的甚至引起事故。单片机系统的抗干扰问题比较难于解决，作者针对这一问题进行了长期深入的分析和研究，通过大量实践，为单片机系统的干扰问题提供了一套非常有实用价值的解决方案。关键词：单片机控制系统抗干扰应用方案中图分类号：TP202文献标识码：文章编号：AppliedScenarioofAnti-jammingTechnologyinMCUControlSystemZHOUXia，JINRui，CAOYun-chuan，ZHONGSi-jia（KunmingMetallurgyCollege,Kunming650033，China）Abstracts：MCUisnowwidelyusedinindustrycontrolsystem,teachingexperimentequipmentandourdailylife.ThedisturbanceproblemalwayshappeninMCUcontrolsystem,andtherearemanysourceofthedisturbancewhichwillcausetheMCUcontrolsystemcouldnotrunorhavedisorderwhenitisworking,itwillcauseaccidentwhenthedisturbanceproblemserious.Tosolvethedisturbanceproblemisverydifficult.Withalargenumberofpractice，andlongtimeandin-depthstudyingandanalysisonthedisturbanceproblem,theauthorhasproposedasetofpracticalsolutionfortheproblem.Keywords:MCU,ControlSystem,Anti-jamming，AppliedScenario0引言单片机（SingleChipMicrocomputer或MicroControllerUnit）控制系统以其性价比高、编程灵活、体积小、功能强大等优势，在各行各业中得到了广泛的运用。单片机控制系统中一直存在一个常见、关键而又难以解决的问题，这就是抗干扰问题。特别是在电气控制系统中，单片机所控制的是继电器线圈和电动机等感性负载，更使得这一问题尤为突出。很多程序在软件调试（如使用KeilC51）时完全正常，但一旦把单片机接入电路，通电运行，马上产生程序错乱，不能按预期设计工作，其主要原因就是干扰问题。经过长期的分析、研究和实践，我们对单片机控制系统干扰的来源以及相应的解决方案做了2比较深入的研究和探讨，提出了行之有效的抗干扰方案。1单片机控制系统干扰来源及产生的主要原因单片机控制系统的干扰来源主要有电源干扰、过程通道干扰和电磁波干扰等方面。其中最广泛也是最严重的干扰是电源干扰。由于单片机是高速运行的数字运算和处理器件，因此在运行过程中，如果电源不稳或受到前向通道、后向通道以及与单片机系统相连的其它器件和设备的各种干扰，极易使CPU的程序处理产生错乱。另外，单片机工作频率较高，会向周围产生电磁辐射，也影响自身工作；同时，外部的电磁信号，特别是感性负载通断时产生的电磁干扰，也会影响单片机控制系统的工作。2单片机控制系统抗干扰技术应用方案解决干扰问题，可以使用硬件手段，也可采用软件手段，通常是两种手段配合使用。单片机的抗干扰技术有多种形式，除一些常规的抗干扰措施外，我们通过深入的研究和反复实践，提出以下几种行之有效的抗干扰技术应用方案。2.1在供电系统中采用DC－DC模块单片机工作时需要高质量的供电电源，既使采用了一般的开关稳压电源，也难以杜绝干扰问题。通过反复实践，如果在供电电路中加入DC－DC模块，可起到很好的抗干扰作用，保证单片机系统的正常工作。DC－DC模块内部是一个直流变换电路，是将输入的直流电变换为高品质符合要求的另一直流电输出的电路，在变换过程中能很好地滤除电源系统中带来的干扰。在实践过程中，瑞士TRACO公司的TEM2系列电源DC－DC供电模块是比较理想的产品，电压等级多，使用方便。TEM2系列电源模块可根据需要输出5V、12V和15V等不同数值的高质量直流电压。在单片机供电系统中使用最多的是TEM2－2411模块，该模块输入为24V直流，输出为5V直流，符合大多数单片机的供电要求。其外观和引脚功能如图1所示。通过反复实践，在供电系统中采用了DC－DC模块，并在供电电路中多次加入滤波电容，能起到很好的抗干扰作用，既使在一些干扰比较严重的场合，例如由单片机控制的电气系统中，也能使系统不受干扰的影响，保持正常的工作状态。2.2解决好“退耦”问题由于供电线路的相互影响，容易在系统中产生干扰信号通过地线耦合的情况，造成自激振荡，引起系统错乱或不能正常各种。解决的方法主要是加入由电容构成的退耦电路。在单片机控制系统的如下部位加入退3（a）TEM2系列模块外观（b）TEM2-2411模块引脚排列和功能图1TEM2-2411电源DC－DC供电模块外观和引脚功能耦电路，可起到很好的抗干扰效果。（1）在单片机直流电源的输入端接入100μF左右的铝电解电容，以滤除低频干扰；（2）在单片机和系统中其它主要集成电路芯片的电源正极引脚与地之间接入退耦电容，以消除高频噪声。退耦电容采用容量为0.1μF左右的无极性电容，最好选用品质较好的聚丙烯电容器。接入退耦电容时应注意：电容要尽量靠近单片机和其它芯片的电源正极引脚，与地之间的连接线要尽可能短，以免产生附加的电容和电感效应。2.3线路较长时采用双绞线来进行信号传输与单片机输入、输出口相连的引线较长时，可使用双绞线来进行信号传输，并配合光电耦合器，可以很好地解决长传输线的干扰问题，如图2所示。双绞线的抗共模噪声干扰的能力比较强，能够使各个小环路的感应干扰相互抵消，而且双绞线的分布电容可达到几十pF左右，能起到一定的积分作用，因此对于抑制干扰信号也有很好的作用。在图2中，在光电耦合器旁边还加上了由电阻R2和电容C构成的干扰吸收电路，能更有效地增强系统抗振荡和噪声的能力。经过测试，输入信号频率达到560KHz左右时，输入引线在5m以上，也能起到很好的抗干扰效果。4图2采用双绞线配合光电耦合器的方式来消除长传输线干扰2.4在软件设计中采用延时抗干扰环节在感性负载、大功率器件、电源通断时，可采用延时抗干扰环节，利用软件延时，避开干扰。程序设计流程如下：当单片机发出设备通断指令后，可编写延时程序使系统等待一段时间，延时时间可根据系统情况和干扰强度来具体确定，一般在50ms～500ms之间，具体应用时可通过实际测试来确定。在编写延时程序时，可采用多条空操作（NOP）指令来做为延时程序主体，这样通断设备产生的干扰不会对延时程序本身产生太大影响。这样，利用这个延时过程，就避免了设备通断时产生的干扰对系统的影响。经过一段延时，待干扰过去后，单片机系统再执行后续的指令。2.5在软件设计中设置“软件陷阱”在软件设计时，可在用户程序的空隙处或转移指令后设置“软件陷阱”，即当单片机受到干扰而导致程序错乱，执行到软件陷阱时，会引导程序回复到初始化程序地址或特定地址，重新开始正常执行程序。在单片机系统程序设计时，可将软件陷阱程序分散地放置在各应用功能模块之间空余的存储器单元里。当用户程序正常运行时，这些软件陷阱程序段并不会执行，而当单片机受到干扰而失控时，程序计数器PC指针一旦落入这些陷阱区，就能马上将跑飞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构成软件陷阱：单片机发出设备通断指令延时等待继续执行后续程序5NOPNOPLJMP0000H当单片机受到干扰而进入软件陷阱时，就可将程序重新引导回初始程序。当程序中存在中断时，可修改“LJMP0000H”指令中的跳转地址，指向特定的地址，以关闭中断。又如可使用LJMP0000H指令填满所有非程序区，这样若程序失控后到达非程序区，就能很快使系统很快复位。另外，软件看门狗(soltwarewatchdog)程序，实际上也是软件陷阱的一种特殊应用。除以上抗干扰技术外，在单片机系统中还有很多常规的抗干扰措施，例如采用光电耦合器和固态继电器、OC门输出时在总线上加入上拉电阻、对系统进行屏蔽、合理设计印刷电路板、采用“看门狗”电路和定时对输出端进行刷新等。3结论单片机系统的干扰问题来源比较广泛，在实际工作和应用中应根据具体情况具体分析，找到干扰的主要来源，并采用相应的方法来进行解决。对于一些干扰源难于判断或比较复杂的场合，对以上抗干扰措施可综合使用。经过实践检验，使用以上解决方案可收到很好的抗干扰效果。单片机的抗干扰问题解决好了，就可以充分发挥出其功能强大、控制灵活和性价比高等方面的优势，能更好地应用在我们生产和生活中的各个领域。参考文献：[1]赵佩华.单片机接口技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2003.[2]陈文智.嵌入式系统开发原理与实践[M].北京：清华大学出版社，2005.[3]王宜怀.嵌入式应用技术基础教程[M].北京：清华大学出版社，2005.[4]韩志军等.单片机应用系统设计[M].北京：机械工业出版社，2005.[5]王治刚.单片机应用技术与实训[M].北京：清华大学出版社，2004.[6]胡伟.单片机C程序设计及应用案例[M].北京：人民邮电出版社，2004.[7]高健.现代通信系统[M].北京：机械工业出版社，2004.[8]胡宴如.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2004.