单片机应用系统抗干扰的设计研究

时间：2024-04-23

侯彬

东北石油大学秦皇岛分校

单片机应用系统抗干扰的设计研究

侯彬

东北石油大学秦皇岛分校

单片机的发展与应用，为电子技术打下了不可或缺的基础。单片机系统设计过程需要面临一个电子产品都需要考虑的问题，那就是抗干扰问题。干扰形成存在3个要素，分别是干扰源、耦合通道与具有敏感性的接收电路。单片机系统作为对干扰信号敏感的主体，如果抗干扰能力不足，将会严重影响系统的使用。本文为了提升单片机应用系统的抗干扰能力，对单片机内部抗干扰设计进行了分析。

单片机；抗干扰；设计

我国单片机技术在工业控制领域应用广泛，单片机的稳定性、安全性、可靠性备受人们关注。单片机系统在应用过程中，受到干扰信号影响会严重影响系统的可靠性，为此，从干扰源和内部抗干扰技术上研究系统的稳定性，为单片机系统设计提供参考。

一、单片机内部抗干扰技术

1、CPU外围配置

单片机主机单元在于外部存储器及I∕O接口完成信息传输时利用的通道包括地址总线、数据总线及控制总线。总线的合理布置直接关系着系统的稳定性。为了提高总线的传输信号稳定性、可靠性，可在总线上安装拉电阻，适当选择，降低外围设备给主机单元造成的干扰。图1所示时某单片机系统中MCS-51的P0.0输出口上采用拉电阻的电路结构。

图1 MCS-51的P0.0输出口拉电阻安装电路结构

对于时钟信号而言，具有噪声敏感特性，如果CPU外发射辐射干扰，并且存在噪声源，则辐射干扰会受到时钟信号影响。时钟频率越高，信息变换频率也越高，加剧了干扰程度，因此，降低时钟频率在很大程度上能够提升单片机系统的抗干扰能力。

复位电路在单片机系统中具有较好的抗干扰能力，单片机系统的复位端口出现信号干扰的主要干扰源是按钮、电源及传输线传入的噪声，对系统复位动作造成影响，导致系统控制功能遭到破坏。复位电路结构见图2所示。

图2 复位电路结构

2、CPU抗干扰

如果单片机CPU受到干扰，将无法完成系统动作，状态紊乱，因此，需要采取下列措施进行改进：①加入冗余指令，保证弹飞程序及时纳入到正确的控制轨迹上来；②软件陷阱，强行填补程序，将其引导向特定的抵制，从而诊断、解决系统工作状态，使系统恢复正常；③加入程序监控，利用监控系统及时识别，如果系统陷入死区循环，则直接返回入口位置，纠正系统的不良运行。

二、交直流电源的干扰

1、系统板内电源线路设计

电源是系统的重要组成，因交流电源引入的高频信号干扰，频带过宽，如果只在交流侧实施抗干扰，效果不会理想，直流侧也需要采取必要的措施。在设计安装IC电路时，电源的干扰较为明显，所以需要在电源入口位置添加大电容，电容需要具有较好的高频性能，保证干扰信号成功滤波后通过。其不仅能够降低电源线内阻，也能吸收干扰信号，防止影响自身电路和其他电路。

2、交流电源抗干扰

电源供电质量对单片机系统来讲十分重要，为保障电源的可靠性，交流电源抗干扰措施如下：①采用交流稳压器；②如果供电质量要求过高，则需要采取发电机组与逆变器供电；③在交流电源的连接线上安装滤波器，从而抑制损失干扰的侵袭；④加强电源变压器的屏蔽措施，降低外界信号干扰。

三、空间电磁辐射干扰

空间电磁辐射干扰是单片机系统的主要干扰源之一，有效的屏蔽措施对这类干扰的预防效果较好，能够提升系统的稳定性。一般来讲，屏蔽方式主要采取屏蔽外壳或屏蔽层两种方式，可以采用铁作为评比材料，屏蔽罩选择圆形通风孔，保证电磁连续性。屏蔽方式尽可能做到完全封闭，噪声将无法改变内部相对电位，形成不了电位差，因此去除了空间电磁辐射的干扰。这种屏蔽方式主要遵循两个原则：①为降低屏蔽引起的反馈，需要在屏蔽罩上连接线路的信号地。②在系统输入信号的零电压基准点接入屏蔽、接地，实际操作均存在一定的电阻率，因此接地点之间具有不同电位。

四、其他干扰源

1、印刷板电路抗干扰

为了增加印刷版电路的抗干扰能力，可从以下几方面入手：①电路设计中，做好元器件布置、电源线布置、接地线布置等；②在未使用逻辑电路芯片的输出端，需要采取接地或接高电平方式，降低外部干扰对信号的影响。③在数据存储器、接口电路、程序存储器、单片机等的电源位置和接地位置可并接0.01μF的独石电容，降低耦合效果。④如果条件允许，印刷版可选择4层以上的，将电源与接地设置在中间两层，能起到一定的抗干扰效果。

2、数据传输

单片机工作过程的数据传输是系统的主要控制功能部分，但如果在数据传输过程读取磁道完毕，却存在中断信号问题，中断程序标志位的R5置位，中断程序标志位为“1”，否则为“0”。根据中断信号程序标志位R5判断传输数据情况，给予不同处理措施。这一过程的抗干扰功能主要以程序控制实现，重要的标志位R5状态在其中起到不可忽视的功能。