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解析单片机系统抗干扰措施
摘要：针对目前单片机应用系统工作的情况，结合系统稳定工作的特点，具体地介绍了单片机应用系统干扰源的产生途径。从应用系统的硬件和软件等方面，对系统中常用的抗干扰措施进行了介绍。
关键词：系统稳定；软件硬件；措施
Research of Anti-jamming Measure for SCM System
ZOU Xian-sheng
（Dalian University of Technology, Dalian 116037,China ; Dalian Vocational Technology College，Dalian 116035，China）
Abstract: According to the work of the application of single chip microcomputer (SCM) system, combine with the characteristics of the system’s stabilization, concretely introduces the occurring approaches of the interference sources of the application of SCM system. The measure of anti-jamming for SCM system is introduced from the application of hardware & software system.
Keywords：System Stabilization，Software & Hardware，Measure
引言
单片机系统都工作在一定的环境中，有时努力设计并开发出来的单片机应用系统却不能在工业环境中正常工作，其根本原因在于它的工作环境存在着各种各样的干扰。这些干扰会影响指令的正常运行，从而造成系统控制失灵或者控制事故；在检测通道中产生干扰，就会产生测量误差；计数器如果受到干扰可能造成计数不准确；有时过大的冲击，甚至会造成系统损坏。由此可见保持单片机系统可靠、稳定的工作是至关重要的。单片机的可靠性设计是一项系统工程，单片机系统的可靠性必须从软件、硬件以及结构设计等方面全面考虑。硬件系统的可靠性设计是单片机系统可靠性的根本，而软件系统的可靠性设计起到抑制外来干扰的作用。
干扰产生于干扰源。干扰可能来自系统内部，也可能来自系统外部。一般情况下，要形成干扰，应满足如下三个要素：
（1）干扰源
指产生干扰的元件、设备或信号，如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
（2）传播路径
指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过空间的辐射、导线的传导和过程通道。
（3）敏感器件
指容易被干扰的对象，如A/D转换器、D/A转换器、数字集成电路、弱信号放大器等。
单片机应用系统的抗干扰设计应针对不同的干扰源采取必要的抗干扰措施。抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源、切断干扰传播途径、提高敏感器件的抗干扰能力。提高系统的可靠性可以从两个方面入手，一方面是从硬件设计角度提高系统的抗干扰能力，另一方面是从软件角度提高系统的可靠性。下面就硬件和软件两个方面常用的抗干扰措施进行介绍。
1硬件抗干扰方式
1.1采用隔离技术
（1）对于供电系统的干扰，可以采用交流稳压器、不间断电源（UPS）、隔离变压器、低通滤波器等，以防止电源电压的波动和噪声干扰；在直流电源的抗干扰措施中，对应用系统中的不同等级的直流电源采取集成稳压块单独供电，以避免模块之间的相互影响，使用直流开关电源、DC-DC变换器以加强隔离，提高电源的稳定性。
（2）在单片机应用系统的输入/输出等过程通道中，普遍采用通道隔离技术来防止通道干扰。主要的隔离器件有隔离放大器、隔离变压器、纵向扼流圈和光电耦合器，其中应用较多的是光电耦合器。光电耦合器的输入和输出之间没有电接触，能有效地防止输入端的电磁干扰以电耦合的方式进入应用系统，而且光电耦合器的输入阻抗很小，干扰源的内阻很大，所以能输入到光电耦合器的干扰电压很小。
1.2正确的接地措施
不管是何种电子线路设备，正确良好的接地是抑制噪声、防止干扰的重要方法，轩线可以和大地相连，也可以不和大地相连。接地设计的基本要求是消除各电路电流流经一个公共地线时阻抗所产生的噪声电压，避免形成回路。
（1）在低频电路中，因寄生电抗的影响不大，常采用一点接地，以减少地线造成的地环路。在高频电路中，寄生电抗的影响不容忽视，此时要采用多点接地，以避免各接地点之间的耦合。
（2）在单片机应用系统中，数字地和模拟地应分别接地，即使是一个芯片上有两种地也要分别接地，然后再在一点处把两种地分别连接起来。
（3）在设计印制电路板时，对地线的分布、形状、长度和宽度等也有一定的要求，比如地线要呈辐射状，避免环形，地线要宽，连接旁路电容的地线不要太长等。
（4）在采用屏蔽双绞线传送信号时，应将屏蔽地与工作地连在一起。要注意只能在一个点接地，以免形成回路，在屏蔽体上产生较大的噪声。
1.3使用硬件“看门狗”
使用硬件看门狗的主要目的是防止程序在执行中受到干扰，不能按正常的流程执行的一种监视芯片。常见的芯片有XICOR公司的X25043/45、DALLAS公司生产的DS1232等，有的单片机芯片本身也带有看门狗电路，如ATMEL的89S51单片机芯片。
看门狗电路的工作原理是：在程序执行的某处或几处，安排一条指令来“喂”看门狗，使“看门狗”处于饱状态，一旦程序“跑飞”，长时间无法执行“喂狗”指令，“看门狗”饿了就会“叫”，将单片机复位或中断，使程序重新开始执行。
例如：ATMEL的89S51芯片的看门狗具体使用方法如下：
在程序初始化中向看门狗寄存器（其地址是0A6H）中先写入01EH，再写入0E1H。即可激活看门狗。
ORG 0000 H
LJMP BEGIN
BEGIN：MOV 0A6H，#01EH ；先送1EH
MOV 0A6H，#0E1H ；后送E1H；在程序初始化中激活看门狗
……
……
FOR： ……
……
MOV 0A6H，#01EH ；先送1E
MOV 0A6H，#0E1H ；后送E1；喂狗指令
……
LJMP FOR
注意事项：
（1）89S51的看门狗必须由程序激活后才开始工作。所以必须保证CPU有可靠的上电复位，否则看门狗也无法工作。
（2）看门狗使用的是CPU的晶振，在晶振停振时看门狗也无效。
（3）89S51只有14位计数器。在16383个机器周期内必须至少喂狗一次，而且这个时间是固定的，无法更改。当晶振为12MHz时每16ms需喂狗一次。
2软件抗干扰措施
软件系统可靠性设计的主要方法有：开机自检、软件陷阱(进行程序“跑飞”检测)、设置程序运行状态标记、输出端口刷新、输入多次采样、软件“看门狗”等。通过软件系统的可靠性设计，达到最大限度地降低干扰对系统工作的影响，确保单片机及时发现因干扰导致程序出现的错误，并使系统恢复到正常工作状态或及时报警的目的。
2.1开机自检
开机后首先对单片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就进行相应的处理。开机自检程序通常包括对RAM、ROM、I/O口状态检测。
（1）检测RAM。检
关键词：系统稳定；软件硬件；措施
Research of Anti-jamming Measure for SCM System
ZOU Xian-sheng
（Dalian University of Technology, Dalian 116037,China ; Dalian Vocational Technology College，Dalian 116035，China）
Abstract: According to the work of the application of single chip microcomputer (SCM) system, combine with the characteristics of the system’s stabilization, concretely introduces the occurring approaches of the interference sources of the application of SCM system. The measure of anti-jamming for SCM system is introduced from the application of hardware & software system.
Keywords：System Stabilization，Software & Hardware，Measure
引言
单片机系统都工作在一定的环境中，有时努力设计并开发出来的单片机应用系统却不能在工业环境中正常工作，其根本原因在于它的工作环境存在着各种各样的干扰。这些干扰会影响指令的正常运行，从而造成系统控制失灵或者控制事故；在检测通道中产生干扰，就会产生测量误差；计数器如果受到干扰可能造成计数不准确；有时过大的冲击，甚至会造成系统损坏。由此可见保持单片机系统可靠、稳定的工作是至关重要的。单片机的可靠性设计是一项系统工程，单片机系统的可靠性必须从软件、硬件以及结构设计等方面全面考虑。硬件系统的可靠性设计是单片机系统可靠性的根本，而软件系统的可靠性设计起到抑制外来干扰的作用。
干扰产生于干扰源。干扰可能来自系统内部，也可能来自系统外部。一般情况下，要形成干扰，应满足如下三个要素：
（1）干扰源
指产生干扰的元件、设备或信号，如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
（2）传播路径
指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过空间的辐射、导线的传导和过程通道。
（3）敏感器件
指容易被干扰的对象，如A/D转换器、D/A转换器、数字集成电路、弱信号放大器等。
单片机应用系统的抗干扰设计应针对不同的干扰源采取必要的抗干扰措施。抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源、切断干扰传播途径、提高敏感器件的抗干扰能力。提高系统的可靠性可以从两个方面入手，一方面是从硬件设计角度提高系统的抗干扰能力，另一方面是从软件角度提高系统的可靠性。下面就硬件和软件两个方面常用的抗干扰措施进行介绍。
1硬件抗干扰方式
1.1采用隔离技术
（1）对于供电系统的干扰，可以采用交流稳压器、不间断电源（UPS）、隔离变压器、低通滤波器等，以防止电源电压的波动和噪声干扰；在直流电源的抗干扰措施中，对应用系统中的不同等级的直流电源采取集成稳压块单独供电，以避免模块之间的相互影响，使用直流开关电源、DC-DC变换器以加强隔离，提高电源的稳定性。
（2）在单片机应用系统的输入/输出等过程通道中，普遍采用通道隔离技术来防止通道干扰。主要的隔离器件有隔离放大器、隔离变压器、纵向扼流圈和光电耦合器，其中应用较多的是光电耦合器。光电耦合器的输入和输出之间没有电接触，能有效地防止输入端的电磁干扰以电耦合的方式进入应用系统，而且光电耦合器的输入阻抗很小，干扰源的内阻很大，所以能输入到光电耦合器的干扰电压很小。
1.2正确的接地措施
不管是何种电子线路设备，正确良好的接地是抑制噪声、防止干扰的重要方法，轩线可以和大地相连，也可以不和大地相连。接地设计的基本要求是消除各电路电流流经一个公共地线时阻抗所产生的噪声电压，避免形成回路。
（1）在低频电路中，因寄生电抗的影响不大，常采用一点接地，以减少地线造成的地环路。在高频电路中，寄生电抗的影响不容忽视，此时要采用多点接地，以避免各接地点之间的耦合。
（2）在单片机应用系统中，数字地和模拟地应分别接地，即使是一个芯片上有两种地也要分别接地，然后再在一点处把两种地分别连接起来。
（3）在设计印制电路板时，对地线的分布、形状、长度和宽度等也有一定的要求，比如地线要呈辐射状，避免环形，地线要宽，连接旁路电容的地线不要太长等。
（4）在采用屏蔽双绞线传送信号时，应将屏蔽地与工作地连在一起。要注意只能在一个点接地，以免形成回路，在屏蔽体上产生较大的噪声。
1.3使用硬件“看门狗”
使用硬件看门狗的主要目的是防止程序在执行中受到干扰，不能按正常的流程执行的一种监视芯片。常见的芯片有XICOR公司的X25043/45、DALLAS公司生产的DS1232等，有的单片机芯片本身也带有看门狗电路，如ATMEL的89S51单片机芯片。
看门狗电路的工作原理是：在程序执行的某处或几处，安排一条指令来“喂”看门狗，使“看门狗”处于饱状态，一旦程序“跑飞”，长时间无法执行“喂狗”指令，“看门狗”饿了就会“叫”，将单片机复位或中断，使程序重新开始执行。
例如：ATMEL的89S51芯片的看门狗具体使用方法如下：
在程序初始化中向看门狗寄存器（其地址是0A6H）中先写入01EH，再写入0E1H。即可激活看门狗。
ORG 0000 H
LJMP BEGIN
BEGIN：MOV 0A6H，#01EH ；先送1EH
MOV 0A6H，#0E1H ；后送E1H；在程序初始化中激活看门狗
……
……
FOR： ……
……
MOV 0A6H，#01EH ；先送1E
MOV 0A6H，#0E1H ；后送E1；喂狗指令
……
LJMP FOR
注意事项：
（1）89S51的看门狗必须由程序激活后才开始工作。所以必须保证CPU有可靠的上电复位，否则看门狗也无法工作。
（2）看门狗使用的是CPU的晶振，在晶振停振时看门狗也无效。
（3）89S51只有14位计数器。在16383个机器周期内必须至少喂狗一次，而且这个时间是固定的，无法更改。当晶振为12MHz时每16ms需喂狗一次。
2软件抗干扰措施
软件系统可靠性设计的主要方法有：开机自检、软件陷阱(进行程序“跑飞”检测)、设置程序运行状态标记、输出端口刷新、输入多次采样、软件“看门狗”等。通过软件系统的可靠性设计，达到最大限度地降低干扰对系统工作的影响，确保单片机及时发现因干扰导致程序出现的错误，并使系统恢复到正常工作状态或及时报警的目的。
2.1开机自检
开机后首先对单片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就进行相应的处理。开机自检程序通常包括对RAM、ROM、I/O口状态检测。
（1）检测RAM。检
