一般來說，完成單片機(jī)的功能設(shè)計(jì)與制作過程并不非常復(fù)雜，系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)不過是應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，系統(tǒng)能否在實(shí)用中完好無誤地實(shí)現(xiàn)這些功能是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)更困難的內(nèi)容。由于實(shí)際的工作環(huán)境充滿各種電磁干擾，極易使控制系統(tǒng)接收干擾信號而產(chǎn)生誤動(dòng)作，從而使整個(gè)控制系統(tǒng)陷于混亂乃至癱瘓，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗和設(shè)備損失。因此，一個(gè)在實(shí)際工程環(huán)境中運(yùn)行的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力，具有電磁兼容(NEC)的性質(zhì)。所謂電磁兼容是指兩個(gè)方面的含義：(1)電子系統(tǒng)或設(shè)備之間在電磁環(huán)境中的相互兼顧。(2)電子系統(tǒng)或設(shè)備在電磁環(huán)境中能按設(shè)計(jì)要求正常工作[1]。既要防止干擾別的系統(tǒng)，又要防止被干擾。
　　
　　一、電磁干擾的來源
　　
　　構(gòu)成干擾必須具備三個(gè)主要因素，即干擾源、耦合通道或傳播途徑，以及干擾接受器，進(jìn)入控制系統(tǒng)的干擾多種多樣，按照其來源，一般分為五種類型[2][3]。
　　
　　(1)電磁干擾由于供電電網(wǎng)的輸出電壓不穩(wěn)或毛刺干擾使得系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生對系統(tǒng)的損壞。
　　
　　例如，美國的彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)曾在1979年和1980年由于中心計(jì)算機(jī)被電網(wǎng)干擾誤觸發(fā)而錯(cuò)誤地發(fā)出信號，致使防御導(dǎo)彈險(xiǎn)些升空而造成震撼世界的事故。
　　
　　(2)過程通道干擾為達(dá)到數(shù)據(jù)采集或?qū)嵭锌刂频哪康?，開關(guān)量的輸入、輸出是微機(jī)控制系統(tǒng)與外界不可缺少的聯(lián)系手段。但電磁干擾也不可避免地通過這些通道進(jìn)入系統(tǒng)，從而導(dǎo)致輸入、輸出信號的混亂和數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤傳輸，最終使系統(tǒng)無法正常工作。
　　
　　(3)外來干擾外部的空間中充滿了無數(shù)的電磁波、電磁場，強(qiáng)烈的電磁場干擾信號會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行。
　　
　　(4)印制版及電路間產(chǎn)生的相互干擾這種干擾是由于系統(tǒng)內(nèi)部印制電路板設(shè)計(jì)中走線不合理，元件布局不正確以及接地有誤等原因引起的自身性干擾。
　　
　　(5)地電流干擾由于實(shí)際地電阻不為零，不同的地線之間會(huì)產(chǎn)生電位差，這也是干擾的一個(gè)來源。

　　二、硬件的可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)　　
　　
　　以上所涉及到的幾種干擾在我們所采用的控制系統(tǒng)中都可能出現(xiàn)，因此對每一種干擾都要采取相應(yīng)的措施予以防范，以下分別就對五種干擾在硬件上采取的應(yīng)付措施分別討論。
　　
　　1．供電系統(tǒng)的干擾及其抑制措施
　　
　　供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性是關(guān)系到單片機(jī)控制系統(tǒng)正常可靠工作的重要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算機(jī)故障中有90%以上是由電網(wǎng)干擾引起的[4]，隨著工業(yè)發(fā)展，電源的污染的問題日益嚴(yán)重，尤其是在大功率耗電設(shè)備當(dāng)中，電源干擾的異常情況包括：
　　
　　1)過壓、欠壓、停電（瞬時(shí)）（秒級）
　　
　　2)浪涌和跌落（毫秒級）
　　
　　3)瞬變脈沖(0.5毫秒級)
　　
　　4)尖峰脈沖（毫微秒級）
　　
　　一般說來，對于過壓、欠壓的解決辦法是用穩(wěn)壓器；而浪涌和跌落由于幅值過大會(huì)損壞系統(tǒng)，常用快速響應(yīng)的交流電源穩(wěn)壓器；而瞬變脈沖則可以低通濾波器予以濾除；尖峰脈沖雖然持續(xù)時(shí)間短，不會(huì)對系統(tǒng)造成損壞，但對系統(tǒng)正常運(yùn)行卻危害很大，可造成邏輯功能的紊亂，解決辦法可使具有噪聲抑制能力的交流電源調(diào)節(jié)器，參數(shù)穩(wěn)定器和隔離變壓器。
　　
　　因此，為了避免來自電源方面的污染，就需要對電源部分進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，給予合理的供電　　配置，如下圖。

　　
　　在直流輸出后還應(yīng)有濾波電路，另外，分散的獨(dú)立功能的模塊應(yīng)分別供電，這樣應(yīng)在每個(gè)模塊上可分別再通過三端穩(wěn)壓塊(7805、7812等)穩(wěn)壓，交流穩(wěn)壓器用以保證供電的穩(wěn)定性；防止電源系統(tǒng)的過壓與欠壓，可提高系統(tǒng)的可靠性；隔離變壓器由于在初級和次級之間均采用屏蔽層隔離，減少了分布電容，因而限制了高頻噪聲從此通過；低通濾波器則可濾去大部分高次諧波的干擾。
　　
　　若考慮濾去50Hz工頻干擾時(shí)，則可在整流電路的濾波電路采用雙T形網(wǎng)絡(luò)如下圖。

　　其頻率特性為　　當(dāng)f=50Hz，只需分別給定R與C，使

　　即可。除此以外，消除電源干擾的設(shè)備還有開關(guān)穩(wěn)壓電源、干擾抑制器等，視具體情況而分別采用。

　　2．過程通道的干擾及其抑制措施
　　
　　在實(shí)際的應(yīng)用中，單片機(jī)的弱電開關(guān)常常要與外部強(qiáng)電電路的功率接口相連接。而外部電路中的干擾可能通過功率接口反竄回控制系統(tǒng)，這些干擾包括開關(guān)閉合時(shí)產(chǎn)生的高頻強(qiáng)電磁脈沖、電火花等干擾信號。
　　
　　對此可采用光導(dǎo)纖維傳輸控制系統(tǒng)的輸出信號。因此光電信號不受電磁信號的干擾，故具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。此外，亦可采用光電耦合器將微處理機(jī)浮置隔離。在強(qiáng)干擾環(huán)境下通過對微處理機(jī)和其它功率接口單獨(dú)供電的方式也可有效地抑制環(huán)路產(chǎn)生的干擾和外界干擾。
　　
　　3．外來干擾及其抑制措施
　　
　　外來的干擾通常是電場、磁場或電磁場通過輻射侵入系統(tǒng)的干擾，對此我們可通過良好的屏蔽和正確合理的接地來消除這種干擾。我們的控制室應(yīng)該具有良好的屏蔽，采用導(dǎo)電性能良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻電場對屏蔽金屬的作用，在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，由渦流產(chǎn)生的磁場抵消或減弱高頻電磁場的干擾。高壓脈沖電源在放電過程中（毫秒級）會(huì)產(chǎn)生高頻電磁披和電磁場，屏蔽是最好的抗干擾方法之一。另外，控制系統(tǒng)本身亦處于一個(gè)相應(yīng)的屏蔽箱之內(nèi)，以盡量減少這種干擾。
　　
　　4．印制板抗干擾電路的設(shè)計(jì)
　　
　　印制電路板是微機(jī)系統(tǒng)中器件、信號線、電源的高密度集合體。
　　
　　印制板電路設(shè)計(jì)的好壞對系統(tǒng)抗干擾能力影響很大，所以對于該電路的設(shè)計(jì)布局必須符合抗干擾的原則。
　　
　　(1)印制線路板上器件的合理布局
　　
　　印制板是系統(tǒng)的核心部件，器件的配置、布局對系統(tǒng)的可靠性有著很大的影響。通常按功率不同而將不同的元件分布在不同的區(qū)域。例如對電源電路甚至可以單獨(dú)用一塊板子；而易受干擾的器件又可集中布置加以屏幕；微處理器等邏輯部件集中布置；熱敏元件要遠(yuǎn)離發(fā)熱元件等。對于器件的布局常常要綜合考慮各種因素，對于可能影響系統(tǒng)可靠性的元件分別予以相應(yīng)的處理，使得印制板的器件布置盡量在合理的范圍之內(nèi)。在符合上面所述的電氣原則之后應(yīng)盡可能布局協(xié)調(diào)，達(dá)到美觀的目的。
　　
　　(2)印制電路板本身的可靠性設(shè)計(jì)
　　
　　印制板設(shè)計(jì)的過程中要注意的問題有：
　　
　　·線路板本身尺寸要合適，過大時(shí)，銅皮走線過長，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高；過小則影響散熱，同時(shí)臨近線條可能會(huì)產(chǎn)生相互干擾。
　　
　　·兩條平行布置的導(dǎo)線之間存在寄生電容及耦合電感，可能會(huì)因此而產(chǎn)生相互干擾。為了抑制這類干擾，需要在線路布局上盡量合理，如避免出現(xiàn)大的環(huán)形；盡量減少線路所包圍的面積，以降低寄生耦合所產(chǎn)生的電磁干擾；轉(zhuǎn)彎的地方應(yīng)有弧度或加寬；以地線屏蔽信號線等。
　　
　　(3)電源線布置
　　
　　電源線走向應(yīng)盡量與數(shù)據(jù)傳遞方向一致，并且電源線、地線都應(yīng)盡量加寬，以使其承受功率增大。另外，地線的加寬可降低地線阻抗，使接地的電位不會(huì)有太大的變化，這些都能有效地抑制干擾。
　　
　　(4)地線抗干擾設(shè)計(jì)
　　
　　接地是個(gè)重要的問題。除了上一項(xiàng)中所說地線應(yīng)加寬以外，微機(jī)系統(tǒng)中接地還有一些原則。因?yàn)樵诳刂葡到y(tǒng)中地的概念分為好幾種，包括信號地（數(shù)字地、模擬地、信號源地）、噪聲地、屏蔽地、交流地、直流地，對這些具有不同作用的地有不同的接地方法，通常地線抗干擾設(shè)計(jì)應(yīng)符合下述原則。
　　
　　·一點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地的選擇原則在低頻線路中，布線和元件間的寄生電感不大，為減少地線造成環(huán)路常采用一點(diǎn)接地。在高頻線路中，布線和元件間的寄生電感及分布電容易造成各接地線間的耦合，為此多采用多點(diǎn)接地。
　　
　　·不同性質(zhì)的地線應(yīng)分開設(shè)置，而后通過一點(diǎn)接地．模擬地與數(shù)字地要分別接地。
　　
　　·去耦為了阻止電源輸入元件時(shí)的干擾信號，在每一個(gè)元件的電源輸入端與地之間（包括電源輸入到電路板上的）都要接一去耦電容以濾去噪聲干擾。一般電源輸入端跨接10～l00μF的電解電容，每個(gè)集成電路芯片都接0.01μF的陶瓷電容。
　　
　　硬件的抗干擾設(shè)計(jì)有許多內(nèi)容，以上所討論的僅是單片機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中碰到的一般問題和解決原則。
　　
　　單片機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性不僅關(guān)系到硬件設(shè)計(jì)，并且關(guān)系到硬件的電器性能，以統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)研究系統(tǒng)的可靠性，文獻(xiàn)[5]給出了系統(tǒng)的電子元器件可靠性分析，指出了元件可靠性對系統(tǒng)可靠性的影響。

　　三、軟件的抗干擾
　　
　　分析盡管在硬件的設(shè)計(jì)中人們處處防范，但對于強(qiáng)烈的干擾和偶然出現(xiàn)的因素作用依然會(huì)使干擾通過我們所未能低御的地方侵入單片機(jī)控制系統(tǒng)，此時(shí)干擾雖不一定導(dǎo)致硬件損壞，但亦會(huì)使系統(tǒng)工作紊亂從而使CPU產(chǎn)生誤動(dòng)作，同樣會(huì)造成嚴(yán)重的后果。因此在軟件設(shè)計(jì)上必須考慮到這一點(diǎn)，從軟件上采取抗干擾措施，以提高系統(tǒng)自身的防御力。
　　
　　1．干擾對系統(tǒng)的危害
　　
　　干擾進(jìn)入系統(tǒng)會(huì)引起以下幾種可能情況的出現(xiàn)：
　　
　　(1)CPU中PC指針出錯(cuò)，程序正常的PC值成為干擾的隨機(jī)數(shù)，使得程序走到一些未知的地方或進(jìn)入某種死循環(huán)中，從而使系統(tǒng)失去控制。
　　
　　(2)RAM區(qū)遭到破壞，程序中的RAM區(qū)被隨機(jī)數(shù)取代，而造成對讀數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，同樣使系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)作或混亂。
　　
　　(3)干擾侵入微機(jī)系統(tǒng)的前向通道疊加在輸入信號上，致使采樣誤差加大。
　　
　　2。軟件中抗干擾的措施
　　
　　當(dāng)系統(tǒng)受到干擾而使PC指針出錯(cuò)時(shí)，程序就會(huì)亂飛，使系統(tǒng)無法正常工作，因此必須在程序失控的狀態(tài)下把亂飛的PC指針俘獲并強(qiáng)行拉回到一個(gè)處理該故障的程序中，恢復(fù)被破壞的現(xiàn)場，回到受干擾之前的地址，使程序正常運(yùn)行。
　　
　　(1)俘獲失常程序
　　
　　有兩種方法，一種是設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時(shí)器（看門狗），使定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間稍大于主程序正常運(yùn)行一個(gè)循環(huán)的時(shí)間，而在主程序運(yùn)行過程中執(zhí)行一次定時(shí)器時(shí)間常數(shù)刷新，只要程序正常運(yùn)行，定時(shí)器就會(huì)中斷，而當(dāng)程序失控，不能刷新時(shí)間常數(shù)時(shí)，使定時(shí)中斷，利用定時(shí)中斷程序使系統(tǒng)復(fù)位。