單片機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)部干擾源
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中往往會(huì)因?yàn)槠浔旧淼奶攸c(diǎn)而對其控制效果造成影響，通常來講單片機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)部干擾源可以分為下面兩個(gè)部分：如散粒噪聲、熱噪聲等。散粒噪聲的形成原理：晶體管區(qū)域里的載流子出現(xiàn)不規(guī)律的擴(kuò)散，擴(kuò)散出來的載流子在遇到電子空穴后兩者之間進(jìn)行反應(yīng)。該種噪聲大多數(shù)存在于半導(dǎo)體原件自身內(nèi)部；熱噪聲的形成原理：在未與電源連通的情形下，半導(dǎo)體的兩端可能存在一個(gè)電壓值較小的電壓，該電壓就會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)部的電子發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)，而電子在運(yùn)動(dòng)過程中就會(huì)形成噪音電壓。
1.2 現(xiàn)場環(huán)境的干擾源
電磁是單片機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場環(huán)境干擾源，該干擾源通常情況下憑借場傳播進(jìn)入測控系統(tǒng)，通過電場或磁場兩種方式對系統(tǒng)進(jìn)行干擾。一般情況下，電磁干擾可以分為兩種，一種是傳導(dǎo)，另外一種是輻射。傳導(dǎo)干擾的傳播介質(zhì)主要有金屬、電容等；輻射干擾主要是從輻射源向外界傳播，并且其在傳播過程中的形式擁有很多種。
2 單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)策略
2.1 利用軟件防止干擾
2.1.1 使用濾波算法
一般來講，在軟件層面進(jìn)行的濾波算法很多，我們比較常見的為比較舍取法、中值法、算術(shù)平均值法。這些算法雖然具體對數(shù)據(jù)的處理方式不一樣，但其最終的目的還是讓排除數(shù)據(jù)的波動(dòng)和外界的影響。其中算術(shù)平均法的原理為：根據(jù)所需要檢測的信號的特性，在對單片機(jī)控制系統(tǒng)不會(huì)造成任何影響的情況下，通過對多組所測的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選，舍去最小值與最大值，最終計(jì)算得出平均值，這樣能夠有效地增加了采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，從而提升系統(tǒng)的可靠性。通常情況下都可以利用軟件濾波算法來排除外界干擾信號對數(shù)據(jù)帶來的影響，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)的有效性和控制效果的高效性。
2.1.2 指令冗余技術(shù)
如果在單片機(jī)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)候收到外界的干擾，此時(shí)單片機(jī)的一些寄存器中的值可能發(fā)生變化，而此時(shí)如果提取變化以后的操作碼，勢必會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)的性能造成影響，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致程序跑飛和系統(tǒng)奔潰。為此，就需要在編程過程中采用一定的技術(shù)來防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，通?？梢栽陔p字節(jié)程序和三字節(jié)程序之間增加幾組單字節(jié)程序指令，或者是需要對該程序進(jìn)行重新編寫。
2.2 硬件抗干擾的設(shè)計(jì)
2.2.1 抑制電源干擾
最為重要的是選取設(shè)備，一定要選取質(zhì)量優(yōu)質(zhì)的電源設(shè)備，還需要對以下3 種線路實(shí)施配線：電源線、控制線和動(dòng)力線；其次，在架設(shè)電源線時(shí)要確保平行；再次，對電源變壓器的輸出與輸入兩線一定要采用雙絞線；最后，選取濾波器減小設(shè)備干擾傳導(dǎo)。
2.2.2 優(yōu)化布線結(jié)構(gòu)
在進(jìn)行布線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，一定要區(qū)分電流的強(qiáng)弱，在這里特別要強(qiáng)調(diào)的是交流電，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布線時(shí)，必須使用分槽走線的形式，直流線和交流線不能夠捆在一起，一定要確保這兩種線分開布置。此外，在進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)過程中，PCB 板上的模擬地的信號線和數(shù)字地的信號線分離且分別接地，同時(shí)還要使可以對PCB 板進(jìn)行覆銅，這樣既可以提高電路板的硬度，還可以在一定程度上防止各信號之間的干擾。
2.3 正確選擇接地點(diǎn)
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中接地點(diǎn)的選擇是至關(guān)重要的，其不僅對單片機(jī)控制系統(tǒng)的安全性能有所影響，而且正確的接地點(diǎn)還能夠降低干擾源的干擾。在對單片機(jī)控制系統(tǒng)采取抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，通常情況下有下面幾種方式，具體如表1 所示。
表1：單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的幾種接地形式
要使電源輸出端和輸入端的其他附帶的干擾得到減小，就需要在單片機(jī)控制系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)過程中采取正確的方式，從而保證質(zhì)量。
一般情況下，接地的方式與頻率關(guān)系十分密切，當(dāng)頻率低于1 兆赫茲時(shí)，所使用的接地方式是單點(diǎn)接地；當(dāng)頻率高于10 兆赫茲時(shí)，所采用的接地方式是多點(diǎn)接地；當(dāng)頻率處于1 兆赫茲和10 兆赫茲之間時(shí)，可將單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行單點(diǎn)接地。
2.4 外圍擴(kuò)展存儲(chǔ)器系統(tǒng)抗干擾處理方法
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，其裝配的程序和數(shù)據(jù)兩種存儲(chǔ)器的芯片的電流較大，而且在工作時(shí)頻率相對較高，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要特別關(guān)注外界電磁的干擾。而通常印制板電路中的抗干擾設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)工作中的重中之重，能夠使用的方法具體如下：
（1）在確保正常工作的情況下，將數(shù)據(jù)線、地址線、控制線控制在最短，從而達(dá)到降低與地產(chǎn)生的電容的目的。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，控制各條地址線的長度，在布線過程中方式要保持一致，從而盡可能保證每條線的阻抗大小基本相同，同時(shí)保證地址信號在傳輸?shù)浇K端時(shí)的變化較小。
（2）系統(tǒng)在進(jìn)行工作時(shí)，具有很大的負(fù)載電流，所以，需要適量增加電源線以及地線粗度，保證電流可以順利流通。
（3）在數(shù)據(jù)總線的開始端和結(jié)束端可以適當(dāng)?shù)丶由弦恍┳柚颠m中的上拉電阻，這樣便可以在一定程度上增加存儲(chǔ)器端口在高阻狀態(tài)下的抗干擾能力。
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中往往會(huì)因?yàn)槠浔旧淼奶攸c(diǎn)而對其控制效果造成影響，通常來講單片機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)部干擾源可以分為下面兩個(gè)部分：如散粒噪聲、熱噪聲等。散粒噪聲的形成原理：晶體管區(qū)域里的載流子出現(xiàn)不規(guī)律的擴(kuò)散，擴(kuò)散出來的載流子在遇到電子空穴后兩者之間進(jìn)行反應(yīng)。該種噪聲大多數(shù)存在于半導(dǎo)體原件自身內(nèi)部；熱噪聲的形成原理：在未與電源連通的情形下，半導(dǎo)體的兩端可能存在一個(gè)電壓值較小的電壓，該電壓就會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)部的電子發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)，而電子在運(yùn)動(dòng)過程中就會(huì)形成噪音電壓。
1.2 現(xiàn)場環(huán)境的干擾源
電磁是單片機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場環(huán)境干擾源，該干擾源通常情況下憑借場傳播進(jìn)入測控系統(tǒng)，通過電場或磁場兩種方式對系統(tǒng)進(jìn)行干擾。一般情況下，電磁干擾可以分為兩種，一種是傳導(dǎo)，另外一種是輻射。傳導(dǎo)干擾的傳播介質(zhì)主要有金屬、電容等；輻射干擾主要是從輻射源向外界傳播，并且其在傳播過程中的形式擁有很多種。
2 單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)策略
2.1 利用軟件防止干擾
2.1.1 使用濾波算法
一般來講，在軟件層面進(jìn)行的濾波算法很多，我們比較常見的為比較舍取法、中值法、算術(shù)平均值法。這些算法雖然具體對數(shù)據(jù)的處理方式不一樣，但其最終的目的還是讓排除數(shù)據(jù)的波動(dòng)和外界的影響。其中算術(shù)平均法的原理為：根據(jù)所需要檢測的信號的特性，在對單片機(jī)控制系統(tǒng)不會(huì)造成任何影響的情況下，通過對多組所測的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選，舍去最小值與最大值，最終計(jì)算得出平均值，這樣能夠有效地增加了采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，從而提升系統(tǒng)的可靠性。通常情況下都可以利用軟件濾波算法來排除外界干擾信號對數(shù)據(jù)帶來的影響，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)的有效性和控制效果的高效性。
2.1.2 指令冗余技術(shù)
如果在單片機(jī)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)候收到外界的干擾，此時(shí)單片機(jī)的一些寄存器中的值可能發(fā)生變化，而此時(shí)如果提取變化以后的操作碼，勢必會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)的性能造成影響，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致程序跑飛和系統(tǒng)奔潰。為此，就需要在編程過程中采用一定的技術(shù)來防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，通?？梢栽陔p字節(jié)程序和三字節(jié)程序之間增加幾組單字節(jié)程序指令，或者是需要對該程序進(jìn)行重新編寫。
2.2 硬件抗干擾的設(shè)計(jì)
2.2.1 抑制電源干擾
最為重要的是選取設(shè)備，一定要選取質(zhì)量優(yōu)質(zhì)的電源設(shè)備，還需要對以下3 種線路實(shí)施配線：電源線、控制線和動(dòng)力線；其次，在架設(shè)電源線時(shí)要確保平行；再次，對電源變壓器的輸出與輸入兩線一定要采用雙絞線；最后，選取濾波器減小設(shè)備干擾傳導(dǎo)。
2.2.2 優(yōu)化布線結(jié)構(gòu)
在進(jìn)行布線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，一定要區(qū)分電流的強(qiáng)弱，在這里特別要強(qiáng)調(diào)的是交流電，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布線時(shí)，必須使用分槽走線的形式，直流線和交流線不能夠捆在一起，一定要確保這兩種線分開布置。此外，在進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)過程中，PCB 板上的模擬地的信號線和數(shù)字地的信號線分離且分別接地，同時(shí)還要使可以對PCB 板進(jìn)行覆銅，這樣既可以提高電路板的硬度，還可以在一定程度上防止各信號之間的干擾。
2.3 正確選擇接地點(diǎn)
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中接地點(diǎn)的選擇是至關(guān)重要的，其不僅對單片機(jī)控制系統(tǒng)的安全性能有所影響，而且正確的接地點(diǎn)還能夠降低干擾源的干擾。在對單片機(jī)控制系統(tǒng)采取抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，通常情況下有下面幾種方式，具體如表1 所示。
表1：單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的幾種接地形式
要使電源輸出端和輸入端的其他附帶的干擾得到減小，就需要在單片機(jī)控制系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)過程中采取正確的方式，從而保證質(zhì)量。
一般情況下，接地的方式與頻率關(guān)系十分密切，當(dāng)頻率低于1 兆赫茲時(shí)，所使用的接地方式是單點(diǎn)接地；當(dāng)頻率高于10 兆赫茲時(shí)，所采用的接地方式是多點(diǎn)接地；當(dāng)頻率處于1 兆赫茲和10 兆赫茲之間時(shí)，可將單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行單點(diǎn)接地。
2.4 外圍擴(kuò)展存儲(chǔ)器系統(tǒng)抗干擾處理方法
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，其裝配的程序和數(shù)據(jù)兩種存儲(chǔ)器的芯片的電流較大，而且在工作時(shí)頻率相對較高，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要特別關(guān)注外界電磁的干擾。而通常印制板電路中的抗干擾設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)工作中的重中之重，能夠使用的方法具體如下：
（1）在確保正常工作的情況下，將數(shù)據(jù)線、地址線、控制線控制在最短，從而達(dá)到降低與地產(chǎn)生的電容的目的。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，控制各條地址線的長度，在布線過程中方式要保持一致，從而盡可能保證每條線的阻抗大小基本相同，同時(shí)保證地址信號在傳輸?shù)浇K端時(shí)的變化較小。
（2）系統(tǒng)在進(jìn)行工作時(shí)，具有很大的負(fù)載電流，所以，需要適量增加電源線以及地線粗度，保證電流可以順利流通。
（3）在數(shù)據(jù)總線的開始端和結(jié)束端可以適當(dāng)?shù)丶由弦恍┳柚颠m中的上拉電阻，這樣便可以在一定程度上增加存儲(chǔ)器端口在高阻狀態(tài)下的抗干擾能力。