单片机抗干扰技术应用系统目 录摘 要 1绪 论 2第1章 干扰源分析 31.1 干扰源分析 31.2 单片机测控系统中常用的抗干扰措施 41.2.1干扰的成因及后果 4第2章 硬件抗干扰技术 62.1 抗干扰的方法 62.1.1元器件选用 62.1.2 接插件选择 62.1.3 印制电路板抗干扰技术 72.2硬件看门狗电路 72.2.1 由专用芯片够成的看门狗电路 8第3章 软件抗干扰技术 93.1设置软件陷阱 93.2软件看门狗 93.2.1 利用单稳态触发器构成程序监视器 103.3 软件冗余技术 103.4软件抗干扰设计 113.4.1 软件抗干扰能力 113.4.2提高软件自身的可靠性 11总结 13致 谢 14参考文献 129
单片机应用系统的抗干扰技术论文摘要
从1971年美国Intel公司生产出4004型4位机至今，单片机在短短几十年里发展相当迅猛，到目前为止，已推出64位机。集成度由最初的2 000管，片，发展为超过300万管，片。不同半导体和计算机公司已相继推出了数十个系列的单片机产品，它们都各具有自己的特色。由于单片机的快速发展使其应用也越来越广泛．逐渐深入到了人们生产、生活的各个领域。单片机应用的深入和扩展对其可靠性要求也越来越高，而抗干扰性能是可靠性的重要指标，所以解决好其抗干扰性是单片机应用开发的一个重要任务。单片机应用系统具有体积小、价格低、功能灵活、使用方便等特点，因而获得了广泛应用。虽然在单片机设计时采取了不少措施，但其工作环境大都在工业生产或嵌入被控设备之中，受强电干扰较多，工作条件恶劣，易受各种干扰。因此，研究抗干扰技术和保证单片机稳定可靠工作十分重要。我们着重分析了产生干扰的几个要素，从抑制干扰源、硬件、软件等方面进行分析，探讨了单片机实有效的抗干扰的一些方法及措施。
关键词：单片机；抗干扰；硬件；软件
绪 论
近年来，单片机在工业自动化、生产过程控制、智能仪器仪表等领域的应用越来越广泛，大大提高了产品的质量，有效地提高了生产效率。单片机的诸多特点使它的应用领域越来越广泛，由于应用环境的复杂，使其面临的各种干扰日益严重，从而使得对它的可靠性要求越来越高。但是，测控系统的工作环境往往复杂、比较恶劣，尤其是系统周围的电磁环境，这对系统的可靠性与安全性构成了极大的威胁。单片机测控系统必须长期稳定、可靠运行，否则将导致控制误差加大，严重时会使系统失灵，甚至造成巨大损失。下面我们着重分析了产生干扰的几个要素，从抑制干扰源、硬件、软件等方面探讨了单片机抗干扰的一些方法措施。
在软件抗干扰措施中，我们主要考虑了两个方面的原因：一方面，单片机应用系统的干扰不仅影响硬件工作，也会干扰软件的正常运行，另一方面，软件设计本身对系统的可靠性也起着至关重要的作用。随着微处理器性能的不断提高，用软件的方法来实现一些硬件的抗干扰的功能，简便易行，成本低，因而愈来愈受到人们的重视。
软件对系统的危害主要表现在：数据采集不可靠、控制失灵、程序运行失常等几个方面。
为了避免上述情况发生，人们研究了许多对策。在本内容中，我们分别从几个方面介绍了几种简单易行又行之有效的软件抗干扰方法。
而对于硬件抗干扰措施，为了提高系统的可靠性，除了对系统供电、接地及传输过程抗干扰以外，更重要的是在系统硬件设计时，根据不同的干扰采取相应的措施。
单片机抗干扰技术系统设计
第1章 干扰源分析
1.1 干扰源分析
单片机控制系统的工作环境比较复杂,一般都有存在自然因素或人为因素产生的电磁干扰.。各种干扰通过一定的途径进入单片机控制系统或测量通道，就会对单片机控制系统产生干扰，通常将上述影响正常工作的各种干扰信号称为噪声。在单片机控制系统中，如果出现干扰，就会影响指令的正常执行，造成事故或控制失灵；如果在测量通道中存在干扰，就会产生测量误差，计数器受到干扰可能造成记数不准，电压的冲击有可能使用权系统无法正常运行甚至损坏。
凡是能产生一定能量，可以影响到周围电路正常工作的信号都可以认为是干扰源。干扰有的来自外部，有的来自内部。
一般来说，干扰源可分为以下3类：
1、自然界的宇宙射线，太阳黑子活动，大气污染及雷电因素造成干扰信号。
2、物质固有的，即电子元器件本身的热噪声的散粒噪声。
3、人为造成的，主要是由电气的电子设备引起的干扰。
这些干扰在系统工作中的环境中广泛存在，包括动力电网的电晕量放电，绝缘不良的弧光放电，交流接触器、继电器接点引起的电火花，照明灯管所引起的放电，变压器、电焊机等大功率设备启动浪涌，可控硅开关造成的瞬间尖峰，都会对交流电网产生影响，通过电源系统影响单片机系统的正常运行。另外，像大功率广播、电视、通信、雷达、导航、高频设备以及大功率设备所发出的空间电磁干扰，系统本身电路的过渡过程，电路在状态转换时引起的尖峰电流，电感或电容所生的瞬间电压和瞬间电流也会对系统工作产生干扰。印制电路板布局不合理、布线不规则、排列不合理、粗细不均匀等使电路板自身产生相互影响；系统安装布线不合理，强弱电走线没有分开，都会对系统造成干扰。
噪声干扰的频谱很宽，干扰噪声可以是直流、交流、脉冲等形式。从噪声进入控制系统的途径来讲，主要有3种干扰通道，如图1-1所示。 若图片无法显示请联系QQ3710167,单片机应用系统的抗干扰技术免费,转发请注明源于www.lwfree.cn
图1-1 单片机控制系统主要干扰途径
空间电磁干扰（场干扰）通过电磁波辐射进入系统；I/O通道干扰通过和主机系统相连接的输入通道、输出通道及与其他系统相连的通信端口进入单片机系统；电源系统干扰，主要是指通过供电系统的直流电源线路或地线进入系统。在一般环境下，空间干扰在强度上远小于其他两种渠道进入系统的干扰，而且空间干扰可用良好的屏蔽与正确的接地，或采用加高频滤波器的方法解决。因此，我们研究抗干扰设计的重点应放在尽可能减少由供电系统和I/O通话所引起的干扰。
1.2 单片机测控系统中常用的抗干扰措施
测控系统的内部电路比较复杂，不仅有传感器，还有输入通道、单片机测控系统（或数字信号处理系统）、数显装置、接口电路、控制电路及稳压电源等，并且是模拟与数字电路并存、硬件与软件相结合的。它在工业环境下远距离舆模拟或数字信号时，不仅容易受到外界强干扰，而且系统本身也会产生干扰。为了提高系统的可靠性，必须有效地抑制各种干扰，优化电路设计和软件设计。
1.2.1干扰的成因及后果
对单片机测控系统造成干扰的原因大致有以下4种：
1．电网干扰
单片机测控系统大多采用交流供电，电网质量的好坏，直接影响到系统能否正常工作。电网干扰主要包括浪涌电压和电磁干扰。工业现场的大功率电气设备在启动或停止时，会造成几百伏、甚至几千伏的浪涌电压并伴有火花干扰。此外，当电网频率不稳定或电网电压长时间欠压、过压时，也会影响性能指标。
2．传输线干扰
传输线干扰是在输入、输出口线上形成的干扰，亦称通道干扰。一个大型单片机测控系统，可能需要几百个、甚至上千个温度传感器，其输入、输出口线（含模拟信号线、数据线、控制线等）多达数千条，其长度可达几十米到几百米。这就很容易将工业现场的干扰引入系统中。轻者会产生误差，重者可将有用的信号完全淹没掉，导致测量无法进行，甚至损坏单片机测控系统。当信号靠近220V交流电源线时，还会引入50Hz干扰。
3．空间电磁波干扰
电磁干扰的能量是以电磁波的形式在空中传播的。它包括由太阳等天体辐射的电磁波，广播、电视及各种无线通信设备发出的电磁波，空调机、日光灯、微波炉等家用电器产生的电磁干扰。电磁波不仅会严重干扰电子设备的正常工作，造成程序失控、控制失灵，还直接危害及人体健康，甚至造成永久性损伤。这引起了国内外电子界的高度重视。为此，我国早在1987年就制定了“电磁辐射防护规定”，1998年又颁布了“电磁辐射环境保护管理办法”，以加强对全国电磁辐射污染环境的统一管理。
4．机内干扰
不容忽视的是，任何一台正在工作的电子设备，它本身就是一个干扰源。单片机测控系统的机内干扰也分串模干扰和共模干扰两大类。机内干扰信号包括由电磁继电器产生的火花放电干扰、自激振荡（含振铃电压）、尖峰干扰、噪声电压（如开关噪声、电容噪声、高频变压器噪声、音频噪声）等
单片机抗干扰技术系统设计
第2章 硬件抗干扰技术
单片机测控系统的电路较复杂，产生干扰的原因很多，下面仅从几个方面来介绍设计硬件电路时的抗干扰措施。
2.1 抗干扰的方法
硬件抗干扰技术是系统设计时首选的抗干扰措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。常用的硬件设计抗干扰方法如下：
2.1.1元器件选用
系统硬件是由单片机及外围电路等许多元器件组成的，只有保证每个元器件都能可靠地工作，才能确保系统的可靠性。根据系统设计需要，可以选择的元器件种类很多。将棕些元器件应用于系统之前，首先要对元器件进行性能测试和功率老化试验，并随时测试其性能指标是否符合系统要求。
一般情况下，元器件在出厂前都进行了测试。通常在应用时不再进行测试，而是直接将元器件用于电路中加电运行考验，发现问题直接替换，这样对整个系统的考机就必须认真进行。依照可靠性理论，芯片在通电使用初期故障率较高，系统装调完成后，应尽量模拟实际运行环境加民考机，尽可能将问题解决在这一阶段，这样考机合格的设备出厂后就能稳定运行了。
2.1.2 接插件选择
单片机控制系统通常由一块或几块负印制电路板组成，各板之间以及各板电源之间采用接插件连接。在接插件的插针之间易造成干扰，这些干扰与接插件插针之间的距离以及插针与地线之间的距离都有关系。因此，在设计和选用插件时要注意以下几点：
1、合理地设置接插件。电源接插件与信号接插件要尽量远离，主要信号的接插件外面最好带有屏蔽网层。
2、接插件上要增加接地针数。在安排插针信号时，将一部分插针作为接地钱，均匀分布于各信号之间直到隔离作用，以减小针与针间信号的互相干扰。单从抗干扰方面来讲，最好每一信号针两侧都是地针，信号针与接地针理想的比例为1：1。当然，在系统设计时要根据实际情况，兼顾各方面的因素综合考虑。
3、设计时要考虑信号的频率，把不同时刻翻转的信号插针尽量远离，因信号同时翻转会使干扰叠加。
4、选用接插件时，要选用不同机械结构或不同针数的反射层插件。原则上一块电路板上不要有两个或两个以上结构和尺寸都相同的接插件，以免误插造成损坏。
5、插座信号拜列时，要考虑到插头有插反的可能，要求即使插头插反也不至于损坏电源或器件。
2.1.3 印制电路板抗干扰技术
印制电路板是器件、信号线、电源线的高密度集合体，但决不是器件、线路的简单密集排列，布线和布局好坏对可靠性影响很大。
印制电路在所难免设计时应注意以下几点：
印制电路板总体布局原则。
1、印制电路板大小要适中。板面过大和印制线路太长，都会阻抗增加，成本也高；板子太小，板间相互连线增加，易造成干扰。
2、印制电路板元件布局时相关元件应尽量靠近。如晶振、时钟发生器及CPU时钟输入端要相互靠近，大电流电路元器件要远离主板，或另做一块驱动板。
3、考虑电路板在机箱内的位置，发热大的元器件应放置在易通风散热的位置。
电源线和地线与数据线传输方向一致，有助于增强抗干扰能力。接地线要环绕印制板一周安排，各器件尽可能就近接地。地线尽量加宽，数字地、模拟地要分开，根据实际情况考虑一点或多点接地。
配置必要的去耦电容。
在印制电路的各个关键部位配置必要的去耦电容是十分必要的。
1、电源进线端跨接100uF以上的电解电容，以便吸收电源进线引入的脉冲干扰。
2、一般情况下，可在每个集成电路芯片上都设计一个103或104的小瓷片，以便吸收高频干扰。
3、电容引线不能太长，高频旁路电容不能带引线。
硬件抗干扰总的原则是消除干扰源、切断干扰侵入途径和设计低噪声电路。
硬件看门狗电路
利用硬件可实现看门狗功能。硬件看门狗电路可由单稳态触发器（如NE555、74HC123、CD4098、CD4528、CD4538）或计数器（如CD4060、CD4020）构成，亦可选看门狗专用其所长芯片（如MAX692）。
例如，由CD4060构成的看门狗电路如图2-1所示。
CD4060为14位二进制串行计数/分频/振荡器。选R1=130KΩ、C1=100PF时，振荡器频率经内部14级二分频后，从Q14端可输出约2Hz的频率信号。R2为偏置电阻。正常情况下8031每隔一段时间t1就将CD4060复位一次。一旦由于某种原因导致CPU失控，CD4060不能及时被复位，经过时间t2(t2>t1)就从Q14端输出高电平，立即将8031复位，把CPU“拉回”到正常运行状态，然后CPU又将CD4060复位，使Q14恢复成低电平。R3与C2组成微分电路，可将P3.5口输出的复位电平变成复位脉冲。可见，看门狗电路具有监视器与执行器的作用，是提高智能化单片机测控系统可靠性的有效措施之一。若图片无法显示请联系QQ3710167,单片机应用系统的抗干扰技术免费,转发请注明源于www.lwfree.cn
图2-1 由CD4060组成的看门狗电路
2.2.1 由专用芯片够成的看门狗电路
由专用芯片MAX692构成的看门狗电路。MAX692是微系统监控电路芯片，它具有后备电池切换、掉电判别、看门狗监控等功能。
单片机抗干扰技术系统设计
第3章 软件抗干扰技术
控制系统软件抗干扰设计对提高整个系统的可靠性，增强系统抗干扰能力非常重要。软件设计要充分考虑采取必要的抗干扰措施，利用软、硬件相结合实现系统抗干扰是单片机控制系统设计必须采取的措施，也是行之有效的手段。下面介绍几种常用的软件抗干扰措施。
3.1设置软件陷阱
由于系统干扰可能破坏程序指针PC，一旦PC失控程序就会“乱飞”，可能进入非程序，造成系统运行错误。设置软件陷阱，可防止程序“乱飞”。设置软件陷阱可以采用在ROM或RAM中，每隔一些指令，就把连续几个单元设置成空操作（所谓陷阱）。当失控的程序掉入“陷阱”，连续执行几个空操作后，程序自动恢复正常，继续执行后面的程序。将程序芯片没有被程序指令字节使用的部分全部置成空操作振荡器返回指令代码，一旦程序飞出到非程序区，能够顺利跳回到程序初始状态，重新执行程序，不至于因此造成死循环。
3.2软件看门狗
利用设置软件陷阱虽在一定程序上解决了程序“乱飞”的失控问题，但在程序执行过程中若进入死循环，无法撞上陷阱，就会使程序长时间运行不正常。因此，设置陷阱的办法并不能彻底有效地解决死循环问题。
设置程序监视器（Watchdog,即看门狗）可比较有效地解决死循环问题。程序监视器系统有的采用软件解决，大部分都是采用软、硬件相结合的办法。下面以两种解决办法来分折其原理。
在程序地大循环中，一开始就启动定时器工作，在主程序中增设定时器赋值指令，使该定时器维持在非溢出工作状态。定时时间要稍大于程序循环一次的执行时间。程序正常循环执行一次给定时器送一次初值，重新开始计数而不会产生溢出。但若程序失控，没能按时给定时器赋初值，定时器就会产生溢出中断，在中断服务中使主程序回到初始状态。
例如，设89C51单片机振频率为6MHz，选定时器TO定时监视程序。程序如下：
ORG 0000H
START： LJMP MAIN
ORG 000BH
LJMP START
ORG 0060H
MAIN：SETB EA
SETB IE0
SETB TR0
… ；其他初始化程序
LOOP：MOV TMOD,#01H ；设置T0为定时器方式1
MOV RHO,#DATAH ；设置定时器
MOV TL0,#DATAL ；
.
.
.
LJMP LOOP ；循环
程序中设定T0为16位定时器工作方式，时间常数datah,datal要根据用户程序的长短以及所使用的6MHz晶振频率计算，实际选用值要比计算出的值略小些，使定时复位时间略长于程序的正常循环执行时间。这种方法是利用单片机内部的硬件资源定时器达到防止程序死循环的目的。
3.2.1 利用单稳态触发器构成程序监视器
利用单稳态触发器构成程序监视器的电路很多。利用软件经常访问单稳电路，一旦程序有问题，CPU就不能正常访问，单稳电路则产生翻转脉冲使单片机复位，强制程序重新开始执行。
3.3 软件冗余技术
软件冗余技术就是多次使用同一功能的软件指令，以保证指令执行的可靠性。可从以下几个方面考虑：
1、采取多次读入法，确保开关量输入正确无误。重要的输入信息利用软件多次读入，比较几次结果一致后再让其参与运算。对于按钮和开关状态读入时，要配合软件延时消除抖动。
2、不断查询输出状态寄存器，及时纠正输出状态。设置输出状态寄存器，利用软件不断查询，当发现其和输出的正确状态不一致时，及时纠正，防止由于干扰引起的输出量变化导致设备错误动作。
3、对于条件控制系统，把对控制条件的一次性采样、处理控制输出改为循环采用、处理。这种方法对于惯性较大的控制系统具有良好的抗随机干扰作用。
4、为防止计算错误，可采用两组计算程序，分别计算，然后将两组计算结果进行比较，如两次计算结果相同，则将结果输出。如果出现偏差，则再进行计算，重新比较，直到结果相同，才认为计算结果正确。
软件冗余技术是提高软件可靠性，防止干扰造成误差，保证控制系统正常运行有力措施。
3.4软件抗干扰设计
3.4.1 软件抗干扰能力
在软件设计时采用如下措施可以有效提高系统的抗干扰能力。
1、增加系统信息管理模块。与硬件相配合，对系统信息进行保护。其中包括防止信息被破坏，出故障时保护信息，故障排除之后恢复信息等。
2、防止信息在输入/输出过程中出错。如对关键数据采用多种校验方式，对信息采用重复传送校验技术，从而保证信息的正确性。
3、软件进行系统调度，包括出现故障时保护现场，迅速启用备用设备，将故障设备切换成备用状态进行维修。在环境条件发生变化时，采取应急措施，故障排除后，迅速恢复系统，继续投入运行等。
3.4.2提高软件自身的可靠性
通常要编制一个可靠运行的应用软件，应考虑采用以下几项措施。
1、程序分段和采用层次结构
程序设计时，将程序分成若干个具有独立功能的子程序模块。各个程序模块可以单独使用，也可与其他程序模块共同使用。各程序模块之间可通过固定的通信区和一些指定的单片进行信息传递。每个程序模块都可单独进行调整和修改，不会影响其他程序模块。
2、采用可测试性设计
单片机应用系统的抗干扰技术
在编制软件过程中会出现一些错误。为便于查出错误，提高软件开发效率，可采用以下3种方法：
(1)明确软件规格，使测试易于进行。
(2)将测试设计的程序段作为软件开发的一部分。
(3)把程序结构本身构造成便于测试的形式。
3、对软件进行测试
软件测试的基本方法是，给软件一个典型的输入，观测输出是否符合要求。发现错误进行修改，直到消除错误，实现正常功能。
测试软件可按以下步骤进行：
(1)模块测试，即对每个程序模块单独进行测试。
(2)局部或系统测试，即对多个程序模块组成的局部或系统程序进行测试，以发现程序模块间的连接错误。
(3)系统功能测试，按功能对软件进行测试，如控制功能、显示功能、通信功能、管理功能、报警功能等。
现场测试，即硬件安装调试完成后再结合软件进行测试，以便于整个控制功能及性能做一评价。
单片机抗干扰技术系统设计
论文总结
抗干扰设计是单片机应用系统设计中不可缺少的重要内容。硬件抗干扰是主动的，而软件抗干扰是被动的。由于干扰环境多种多样，在设计时应分析具体情况，选用针对性的抗干扰措施。而本内容则从单片机应用系统抗干扰设计出发，分析了影响单片机系统正常的工作干扰源，分别从硬件设计和软件设计介绍了相对应的抗干扰措施。
在软件抗干扰措施中，我们考虑了两个方面的原因：一方面，单片机应用系统的干扰不仅影响硬件工作，也会干扰软件的正常运行，另一方面，软件设计本身对系统的可靠性也起着至关重要的作用。随着微处理器性能的不断提高，用软件的方法来实现一些硬件的抗干扰的功能，简便易行，成本低，因而愈来愈受到人们的重视。
而对于硬件抗干扰措施，为了提高系统的可靠性，除了对系统供电、接地及传输过程抗干扰以外，更重要的是在系统硬件设计时，根据不同的干扰采取相应的措施。
所以，在工程实践中，通常几种抗干扰方法并用，互相补充完善，以确保应用系统能正常运行。
从本次内容中我深知自己掌握的知识还远远不够，掌握的一些理论知识应用到实践中去，总会出现这样或那样的问题，不是理论没有掌握好，而是光知道书本上的知识是远远不够的，一定要把理论知识和实践结合起来。把学到的知识应用到时间中去，多做多练，才可以把理论的精华发挥出来。知识不是知道，了解就好，一定要去应用它，发展它，让它在现实生活中得到充分的应用，从而解决一些问题，这才是学习的根本目的。而且知识又不是单一的，它是互相联系的，学科与学科之间都有着内在的联系。电子应用技术是一门非常复杂且庞大的学科，一项课题往往需要多项知识才可以完成的。在设计阶段，通过对课题的深入分析与研究，迫使我对技术有了一定的了解。在遇到问题时，得到了指导老师与同学的悉心帮助，使我感受到集体的力量是无穷的。
单片机应用系统的抗干扰技术
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