隨著單片機技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，在應(yīng)用過程中，如何防止外界的干擾，確保單片機安全可靠運行，是一個很重要的問題。我們在多項測控項目的實踐中體會到，干擾源主要來自三個方面。一是空間場干擾，通過電磁輻射富入系統(tǒng)：二是電源干擾，它直接侵害系統(tǒng)：三是信號通道干擾，通過與單片機相連的前、后向通道進入系統(tǒng)。一般來說，空間場干擾在強度上遠小于其他兩個干擾源產(chǎn)生的干擾，且容易對付。只要采取良好的屏蔽、正確的接地及恰當(dāng)?shù)母哳l濾波就可以得到滿意解決。

在單片機系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療設(shè)備等眾多領(lǐng)域的當(dāng)下，其穩(wěn)定性與可靠性至關(guān)重要。然而，實際工作環(huán)境中存在著各種各樣的干擾源，如電磁干擾、電源波動、靜電放電等，這些干擾可能導(dǎo)致單片機系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤、程序跑飛甚至系統(tǒng)死機等問題。為確保單片機系統(tǒng)能夠在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定運行，采用有效的硬件抗干擾方法成為必然選擇。

1.電源抗干擾措施

濾波電路設(shè)計

電源是單片機系統(tǒng)的能量來源，也是干擾進入系統(tǒng)的主要途徑之一。在電源輸入端設(shè)計濾波電路，能夠有效抑制電源線上的干擾信號。常見的濾波電路包括 LC 濾波電路和 π 型濾波電路。LC 濾波電路由電感和電容組成，電感對低頻干擾信號呈現(xiàn)高阻抗，電容則對高頻干擾信號具有旁路作用，二者協(xié)同工作，可濾除電源線上不同頻率的干擾。π 型濾波電路在 LC 濾波電路的基礎(chǔ)上，增加了一個電容，進一步增強了濾波效果。在工業(yè)控制單片機系統(tǒng)中，由于工業(yè)環(huán)境中電源干擾復(fù)雜，采用 π 型濾波電路，能夠?qū)㈦娫淳€上的干擾信號降低至微伏級別，為單片機系統(tǒng)提供穩(wěn)定純凈的電源。

電源去耦

在單片機芯片的電源引腳附近，合理布置去耦電容，是電源抗干擾的重要手段。去耦電容能夠快速為芯片提供瞬態(tài)電流，減少電源線上的電壓波動。對于數(shù)字芯片，通常在電源引腳和地引腳之間并聯(lián)一個 0.1μF 的陶瓷電容，用于濾除高頻噪聲;對于模擬芯片，可再并聯(lián)一個 10μF 左右的電解電容，以濾除低頻紋波。在一個智能家居單片機控制系統(tǒng)中，通過在單片機芯片電源引腳處合理布置去耦電容，有效降低了電源噪聲對芯片的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

接地設(shè)計優(yōu)化

單點接地

單點接地是一種常用的接地方式，在單片機系統(tǒng)中，將各個電路模塊的接地端連接到一個公共接地點，形成星型接地結(jié)構(gòu)。這種接地方式能夠避免不同電路模塊之間的地電流相互干擾。在一個包含模擬電路和數(shù)字電路的單片機系統(tǒng)中，將模擬電路的接地端和數(shù)字電路的接地端分別連接到公共接地點，防止了數(shù)字電路的高頻地電流干擾模擬電路的正常工作，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

多點接地

對于高頻單片機系統(tǒng)，多點接地更為適用。在高頻情況下，過長的接地引線會產(chǎn)生較大的電感，導(dǎo)致接地阻抗增加，影響接地效果。多點接地通過將各個電路模塊的接地端就近連接到接地平面，縮短了接地路徑，降低了接地阻抗。在一個工作頻率為 100MHz 的無線通信單片機系統(tǒng)中，采用多點接地方式，將芯片、射頻模塊等的接地端就近連接到接地平面，有效降低了高頻噪聲的干擾，保障了通信的穩(wěn)定性。

布線優(yōu)化

縮短信號傳輸路徑

在單片機系統(tǒng)的 PCB 設(shè)計中，盡量縮短信號傳輸路徑，能夠減少信號在傳輸過程中的損耗和干擾。長信號走線會增加線路的寄生電感和電容，導(dǎo)致信號畸變。將單片機與外圍芯片之間的連線、數(shù)據(jù)總線和地址總線等關(guān)鍵信號線路設(shè)計得盡可能短，可有效降低信號傳輸過程中的干擾。在一個基于單片機的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通過優(yōu)化 PCB 布線，將信號傳輸路徑縮短了 30%，數(shù)據(jù)傳輸錯誤率顯著降低，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度和速度。

合理規(guī)劃電源和地平面

合理規(guī)劃電源和地平面是提高單片機系統(tǒng)抗干擾能力的重要措施。在多層 PCB 設(shè)計中，將電源層和地層相鄰放置，利用電容耦合效應(yīng)，降低電源噪聲。通過合理分割電源和地平面，避免不同電源域和信號域之間的相互干擾。在一個復(fù)雜的工業(yè)自動化單片機系統(tǒng)中，通過優(yōu)化電源和地平面的布局，有效解決了不同模塊之間的干擾問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。

硬件防護措施

采用屏蔽技術(shù)

對于易受外界干擾的部分，如單片機系統(tǒng)中的射頻模塊、模擬信號輸入輸出端口等，采用屏蔽技術(shù)能夠有效減少干擾。使用金屬屏蔽罩將敏感模塊封裝起來，并將屏蔽罩接地，可阻擋外界電磁干擾進入系統(tǒng)。在一個車載單片機系統(tǒng)中，對 GPS 模塊采用金屬屏蔽罩進行屏蔽，有效降低了車輛行駛過程中外界電磁干擾對 GPS 信號的影響，提高了定位精度。

過壓過流保護

在單片機系統(tǒng)的電源輸入和信號輸入輸出端口，設(shè)置過壓過流保護電路，能夠防止因外部電壓、電流異常而損壞單片機系統(tǒng)。在電源輸入端串聯(lián)自恢復(fù)保險絲，當(dāng)電流過大時，保險絲電阻增大，限制電流，保護系統(tǒng);在信號輸入輸出端口，采用 TVS(瞬態(tài)電壓抑制二極管)進行過壓保護，當(dāng)端口電壓超過額定值時，TVS 迅速導(dǎo)通，將電壓鉗位在安全范圍內(nèi)。在一個戶外環(huán)境監(jiān)測單片機系統(tǒng)中，通過設(shè)置過壓過流保護電路，有效保護了系統(tǒng)免受雷擊、電源浪涌等異常情況的損害，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 千擾的來源分析

2.1來自交流電源的干擾

開關(guān)的通斷，火花干擾，電焊、大電機的啟動等，在工業(yè)環(huán)境中是常見的。這些來自電源的干擾都會破壞單片機的正常運行。要完全抑制來自交流電源的干擾是十分困難的，其原因是干擾傳播的途徑往往不清楚。干擾的頻帶很難定量化，交流電源及負載的阻抗很難實測，電源濾波器的特性和實際干擾頻帶也往往有差異。

在實際使用中，常常要應(yīng)用交流電源供電，因此，必須采取措施克服來自電源的干擾。

2.2來自信號通道的干擾

為達到數(shù)據(jù)采集或?qū)崟r控制的目的，開關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出是必不可少的。在工業(yè)現(xiàn)場，如果被控對象是一個強干擾源(如可控硅、電焊機等)，單片機根本無法工作。

對于開關(guān)量的輸入、輸出要采取隔離措施，已為大多數(shù)工程技術(shù)人員所接受。然而對模擬量輸入、輸出也必須采取隔離措施，大多數(shù)人尚認識不足。模擬量輸入、輸出不進行隔離。雖說可以運行，但會產(chǎn)生“程序亂飛”，使可靠性下降，對于連續(xù)工作的對象(如鍋爐、空調(diào)等)來說是不允許的。因此，在單片機控制時，這個問題也必須注意。對于模擬量、開關(guān)量的輸入、輸出都采取隔離措施，才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.3來自空間的輻射干擾

在特殊的情況下，如在發(fā)射機、中頻爐、可控硅逆變電源周圍，單片機往往不能正常工作。

上述三種干擾危害以來自交流電源的干擾最甚，其次為來自信號通道的干擾。來自空間的輻射干擾不太突出，一般只須加以適當(dāng)?shù)钠帘渭敖拥鼐涂山鉀Q。

3 硬件抗干擾措施

3.1電源干擾的抑制

要保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠，前提是保證供電的穩(wěn)定性，防止電源的過壓與欠壓。因此，在電源的前向要求配置交流穩(wěn)壓器，這樣有利于提高整個系統(tǒng)的可靠性。對于短暫時間的停電，可配置UPS電源。任何電源和輸電線路都存在內(nèi)阻，正是這些內(nèi)阻才引起電源的噪聲干擾?？紤]到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次線圈的互感偶合，而是由初、次級間寄生電容偶合的。因此，在交流穩(wěn)壓器之后應(yīng)加隔離變壓器，且初、次級之間均需用屏蔽層隔離，以減少分布電容，提高抗共模干擾的能力。另外，由諧波頻譜分析可知，電源引起的干擾大部分是高次諧波。這樣就可在隔離變壓器之后設(shè)計低通濾波器，讓5 0HZ市電基波通過，濾去高次諧波，改善電源波形。設(shè)計時應(yīng)注意：

當(dāng)濾波器工作在低電壓且載有大電流時，宜采用小電感和大電容構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)工作在高壓下，則宜采用小電容和允許的最大電感構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)。

在整流電路之后加接附圖所示的雙T濾波器，用以消除50Hz的工頻干擾。它結(jié)構(gòu)簡單，對固定頻率的干擾濾波效果好。調(diào)試步驟為：先將電容C固定，然后模擬現(xiàn)場運行環(huán)境調(diào)節(jié)電阻，當(dāng)輸人50Hz信號時，使輸出V0=0。

在實際控制系統(tǒng)中，往往需要提供多種電源，此時應(yīng)采用分散獨立的功能塊供電，且口用相應(yīng)的三端集成穩(wěn)壓塊分別組成所需的穩(wěn)壓電源。這樣可以減少公共阻抗和公共電源的相互偶合，有利于電源散熱，大大提高供電的可靠性。

3.2信號通道干擾的抑制

(1)共阻抗偶合干擾及其抗干擾措施。通過公共接地線的偶合形成共模干擾。A/D，D/A等I/O板的輸入、輸出電路的“地”與單片機地線GND之間有各種信號電路的電流流過，并由接地線阻抗變換成電壓，形成共模干擾。其次，在I/O電路、前置放大器等各部分電路中，也存在同樣的的共地偶合形成局部的共模干擾，尤其是執(zhí)行機構(gòu)開關(guān)通斷、線圈動作等通過共地構(gòu)成的回饋干擾尤為嚴重，特別是感性負載時，若不注意反電勢，有關(guān)電子會受到損壞。

針對共阻抗偶合干擾采取如下措施：① 采用單點接地和分別電源供電，消除共阻抗回路。數(shù)字信號地線、信號源地線和負載地線分開設(shè)置，數(shù)字電路、模擬電路和負載電路分別單獨供電，獨自構(gòu)成回路且單點接地。②加強電源退偶。為避免通過共用電源內(nèi)阻造成幾個電路之間的相互干擾，應(yīng)在每個電路的直流電源進線與地線之間加裝退偶濾波器，工作頻率較高的電路加LC濾波器或RC濾波器。一般單片機主板及其外圍接口電路和一般I/O板等，在大規(guī)模集成電路電源引腳處加一只0.1u F電容，小功率TTL電路可幾片加一只退偶電容即可。③ 用集成隔離放大器切斷共阻抗環(huán)路。由于隔離放大器采用浮離式設(shè)計，消除了輸入、輸出間的直接偶合，切斷了共地和共電源環(huán)路，因而具有共模抑制比高、能保護系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害和防止高壓對低壓信號系統(tǒng)損壞的特點。④采用光電隔離器切斷共阻抗環(huán)路。單片機與各數(shù)字電路、脈沖電路或開關(guān)電路的接口可用數(shù)字式光電隔離器進行隔離，以切斷共阻抗環(huán)路，避免長線感應(yīng)及電源和各種負載通過共阻抗回饋的各種干擾的竄入。對于線性模擬電路通道，如因考慮成本不能使用隔離放大器進行隔離時，則可采用線性光偶或用V/F變換后再用數(shù)字光偶進行隔離。

(2)靜電偶合干擾及其對策。靜電偶合是由于兩個電路間存在寄生電容，使一個電路的變化影響到另一個電路。

一般尖蜂干擾或脈沖干擾的頻譜極高，其靜電1禺合的途徑不能忽視。

針對靜電偶合干擾采取如下措施：①合理布線，減少分布電容，特別是高頻信號線盡量不要與其他信號線路平行走線，若必須平行走線時，應(yīng)注意留一定的距離，以切斷靜電偶合通道。② 降低接收電路輸入阻抗。

例如用光電偶合器等。光電的輸入阻抗與干擾源相比極小，前者數(shù)量級為100Ω/～1kΩ ，而后者則為105 Ω～108Ω，因此，使用光偶可以使干擾大大減小。

(3)傳導(dǎo)偶合干擾及其措施。在單片機測控系統(tǒng)中，傳輸線上的信息多為脈沖信號，它在傳輸線上傳輸時會出現(xiàn)延時、畸變和衰減。尤其是當(dāng)長傳輸線經(jīng)過干擾環(huán)境時，導(dǎo)線相當(dāng)于天線拾取干擾信號，對電路產(chǎn)生干擾。

針對傳導(dǎo)偶合千擾采取如下措施：①長傳輸線采用屏蔽線，避免電磁感應(yīng)干擾。但要注意屏蔽層要一端接大地，并保證接地良好。若采用兩端接地，屏蔽層又構(gòu)成新的干擾回路，起不到好的屏蔽效果。②用光電偶合器將長線完全浮置起來，長線的“浮置”去掉了長線兩端間的公共地線，不但有效消除了各邏輯電路的電流經(jīng)公共地線時所產(chǎn)生的噪聲電壓形成相互竄擾，而且也有效地解決了長線驅(qū)動和阻抗匹配問題。同時，受控設(shè)備短路時，還能保護系統(tǒng)不受損害。③傳輸線應(yīng)盡量遠離變壓器及電源等大功率器件，且盡可能短。若較長時，可用雙絞屏蔽線傳輸，用雙絞屏蔽線與光電偶合器配合使用效果更佳。同時，注意強電信號線和弱電信號線分開，高頻信號線和低頻信號線分開，交流和直流分開，電源線和信號線分開。

4 軟件抗干擾措施

根據(jù)經(jīng)驗，用軟件方法抑制信號通道干擾很有效，下面就這個范圍介紹幾種軟件抗干擾的方法。

4.1數(shù)據(jù)采集干擾抑制方法

進行實時數(shù)據(jù)采集時，為了消除傳感器通道中的干擾信號，有三種常用濾波方法。

(1)算術(shù)平均算法。對一點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，以其平均值作為該點采樣結(jié)果。這樣做可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對采樣結(jié)果的影響，多次采樣一般取3～5次平均即可。

(2)比較取合法。當(dāng)測控系統(tǒng)測量結(jié)果的個別數(shù)據(jù)存在偏差時，為了剔除個別誤差較大的數(shù)據(jù)，可采用此法，即根據(jù)幾個采樣點數(shù)據(jù)變化的規(guī)律，確定取合辦法。如：“采三取二”，就是對每點采樣三次，取兩次相同的為采樣結(jié)果。

(3)數(shù)字濾波法。該方法利用軟件完成RC低通濾波器的算法，經(jīng)常采用的二階遞推數(shù)字濾波公式為：

實踐證明，采用軟件濾波對消除數(shù)據(jù)采集中的誤差可以獲得滿意效果。在應(yīng)用中，究竟使用哪一種方法，要根據(jù)被采樣信號的具體變化規(guī)律進行選擇。

4.2控制失常的抑制方法

在大量開關(guān)量的單片機系統(tǒng)中，確保信號的正常狀態(tài)顯得尤為重要。

如果干擾進入系統(tǒng)影響到控制條件時，就會出現(xiàn)失控現(xiàn)象，通常可用下述兩種方法抑制。

(1)重復(fù)檢查法。對于開關(guān)量、控制條件處理輸出，進行循環(huán)采樣。若相鄰各次檢測結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)，則輸出控制。如超出誤差范圍，則重新檢測，直至檢測結(jié)果符合要求為止。

(2)設(shè)置輸出寄存單元。當(dāng)干擾侵入輸出通道使輸出狀態(tài)破壞時，也會導(dǎo)致控制失常。此時應(yīng)考慮設(shè)置輸出寄存單元，在控制輸出時可及時查詢、比較寄存器單元的內(nèi)容，一旦異?？杉皶r糾正輸出狀態(tài)。

4.3程序盲目運行的抑制方法

系統(tǒng)受到干擾時，有時PC值被改變，結(jié)果導(dǎo)致程序飛出，盲目運行和進人死循環(huán)。顯然，抗干擾軟件要能做到：一旦系統(tǒng)出現(xiàn)上述情況后，能自動及時地引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，以下兩種方法有效。

(1)設(shè)置Watchdog。Watchdog亦即跟蹤監(jiān)視定時器，利用定時器中斷功能來監(jiān)視程序的運行狀態(tài)。具體做法為：測算好最長循環(huán)程序循環(huán)一次的時間，然后定時時間的設(shè)置稍大于它。正常循環(huán)一次后，定時器重新置初值，否則定時器繼續(xù)計數(shù)，直到溢出進入中斷。在中斷服務(wù)程序中設(shè)置PC值，迫使其跳出死循環(huán)。

(2)設(shè)置陷阱方法。若PC值并非進人死循環(huán)，而是隨機“亂飛”，可設(shè)置陷阱攔截。具體做法是在所有子程序和程序快的連接處(前提是程序正常運行時不會進入該處)填上絕對跳轉(zhuǎn)指令，失控的PC一旦進入該處即可捕獲，迫使其重新回到復(fù)位狀態(tài)。

影響單片機系統(tǒng)可靠安全運行的主要因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾,并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機系統(tǒng)的干擾因素,常會導(dǎo)致單片機系統(tǒng)運行失常,輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,重則會導(dǎo)致事故,造成重大經(jīng)濟損失。

形成干擾的基本要素有三個：

(1)干擾源。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號, 用數(shù)學(xué)語言描述如下：du/dt,

di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。

(2)傳播路徑。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。

(3)敏感器件。指容易被干擾的對象。如：A/D、 D/A變換器,單片機,數(shù)字IC,弱信號放大器等

一、干擾的分類

1.1 干擾的分類

干擾的分類有好多種,通?？梢园凑赵肼暜a(chǎn)生的原因、傳導(dǎo)方式、波形特性等等進行不同的分類。按產(chǎn)生的原因分：

可分為放電噪聲音、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。

按傳導(dǎo)方式分：可分為共模噪聲和串模噪聲。

按波形分：可分為持續(xù)正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等等。

1.2 干擾的耦合方式

干擾源產(chǎn)生的干擾信號是通過一定的耦合通道才對測控系統(tǒng)產(chǎn)生作用的。因此,我們有必要看看干擾源和被干擾對象之間的傳遞方式。干擾的耦合方式,無非是通過導(dǎo)線、空間、公共線等等,細分下來,主要有以下幾種：

(1)直接耦合：這是最直接的方式,也是系統(tǒng)中存在最普遍的一種方式。比如干擾信號通過電源線侵入系統(tǒng)。對于這種形式,最有效的方法就是加入去耦電路。

(2)公共阻抗耦合：這也是常見的耦合方式,這種形式常常發(fā)生在兩個電路電流有共同通路的情況。為了防止這種耦合,通常在電路設(shè)計上就要考慮。使干擾源和被干擾對象間沒有公共阻抗。

(3)電容耦合：又稱電場耦合或靜電耦合。是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的耦合。

(4)電磁感應(yīng)耦合：又稱磁場耦合。是由于分布電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的耦合。

(5)漏電耦合：這種耦合是純電阻性的,在絕緣不好時就會發(fā)生。