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單片機控制系統(tǒng)的抗干擾優(yōu)化設計
【摘要】：在單片機控制系統(tǒng)的設計開發(fā)過程中，不單要突出設備的自動化程度及智能性，另一方面也要重視控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。文章從系統(tǒng)受到干擾的主要原因和現象；系統(tǒng)可靠性設計的任務及方法等方面展開了說明及論述。
【關鍵詞】：單片機; 抗干擾; 控制狀態(tài); 冗余技術
隨著技術和微型的迅速發(fā)展，促進了微型計算機控制技術的迅速發(fā)展和廣泛應用。中小規(guī)模的單片機控制系統(tǒng)在生產及日常生活中的智能機電一體化產品得到了廣泛的應用。在單片機控制系統(tǒng)的設計開發(fā)過程中，我們不單要突出設備的自動化程度及智能性，另一方面也要重視控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，否則就無法體現控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。
1. 系統(tǒng)受到干擾的主要原因和現象
由于單片機控制系統(tǒng)應用系統(tǒng)的工作往往是比較惡劣和復雜的，其應用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。單片機控制系統(tǒng)應用必須長期穩(wěn)定、可靠地運行，否則將導致控制誤差加大，嚴重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失。
影響單片機控制系統(tǒng)應用的可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結果設計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。這些因素對控制系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現在下述幾個方面。
�。�1） 數據采集誤差加大。干擾侵入單片機控制系統(tǒng)測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號之上，會使數據采集誤差加大，特別是當傳感器輸出弱信號時干擾更加嚴重。
�。�2） 控制狀態(tài)失靈。微機輸出的控制信號常依賴某些條件的狀態(tài)輸入信號和這些信號的處理結果。若這些輸入的狀態(tài)信號受到干擾，引入虛假狀態(tài)信號，將導致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。
�。�3） 數據受干擾發(fā)生變化。單片機控制系統(tǒng)中，由于RAM存儲器是可以讀/寫的，故在干擾的侵害下，RAM中的數據有可能被竄改。在單片微機系統(tǒng)中，程序及表格、常數存于程序存儲器中，避免了這些數據受到干擾破壞，但對于內RAM、外擴RAM中的數據都有可能受到外界干擾而變化。根據干擾竄入的途徑、受干擾數據的性質不同，系統(tǒng)受損壞的情況也不同．有的造成數據誤差．有的使控制失靈，有的改變程序狀態(tài)，有的改變某些部件（如定時器/計數器，串行口等）的工作狀態(tài)等。
�。�4） 程序運行失常。單片機控制系統(tǒng)中程序計數器的正常工作，是系統(tǒng)維持程序正常運行的關鍵所在。如果外界干擾導致計數器的值改變，破壞了程序的正常運行。由于受到干擾后計數器的值是隨機的，因而導致程序混亂。通常的情況是程序將執(zhí)行一系列毫無意義的指令，最后進入"死循環(huán)"，這將使輸出嚴重混亂或系統(tǒng)失靈。
2. 系統(tǒng)可靠性設計的分析和方法
單片機控制系統(tǒng)應用的可靠性技術涉及到生產過程的方方面面，不僅與設計、制造、、安裝、維護有關，還與生產、質量監(jiān)控體系、使用人員的專業(yè)水平與素質有關。這里主要是從技術角度分析提高系統(tǒng)可靠性的最常用方法。
導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的內部因素主要有以下三點：
�。�1） 元器件本身的性能與可靠性。元器件是組成系統(tǒng)的基本單元，其特性好壞與穩(wěn)定性直接影響整系統(tǒng)性能與可靠性。因此，在可靠性設計當中，首要的工作是精選元器件，使其在長期穩(wěn)定性、精度等級方面滿足要求。隨著微技術的發(fā)展，電子元器件的可靠性不斷提高，現在小功率晶體管及中小規(guī)模IC芯片的實際故障大約為10×10-9/h。這為提高系統(tǒng)性能與可靠性提供了很好的基礎。
�。�2） 系統(tǒng)結構設計。包括硬件電路結構和運行軟件設計。電路設計中要求元器件或線路布局合理以消除元器件之間的電磁耦合相互干擾，優(yōu)化的電路設計也可以消除或削弱外部干擾對整個系統(tǒng)的影響，如去耦電路、平衡電路等。同時也可以采用冗余結構，也稱容錯技術或故障掩蓋技術，它是通過增加完成同一功能的并聯或備用單元〔包括硬件單元或軟件單元〕數目來提高系統(tǒng)可靠性的一種設計方法。當某些元器件發(fā)生故障時也不影響整個系統(tǒng)的運行。對于消減外部電磁干擾，可采用電磁兼容設計，目的是提高單片機系統(tǒng)在電磁中的適應性，即能保持完成規(guī)定功能的能力。常用的抗電磁干擾的硬件措施有濾波技術、去耦電路、屏蔽技術、接地技術等。
軟件是微機系統(tǒng)區(qū)別于其它通用電子設備的獨到之處，通過合理編制軟件可以進一步提高系統(tǒng)運行的可靠性。常用的軟件措施主要有：一是信息冗余技術，對單片機控制系統(tǒng)應用而言，保持信號信息和重要數據是提高可靠性的主要方面。為防止系統(tǒng)故障等原因而丟失信息，常將重要數據或文件多重化，復制一份或多份"拷貝"，并存于不同空間，一旦某一區(qū)間或某一備份被破壞，則自動從其它部分重新復制，使信息得以恢復。二是時間冗余技術，為提高單片機控制系統(tǒng)應用的可靠性，可采用重復執(zhí)行某一操作或某一程序，并將執(zhí)行結果與前一次結果進行比較對照來確認系統(tǒng)工作是否正常。只有當兩次結果相同時，才被認可，并進行下一步操作。
若兩次結果不相同，可再次重復執(zhí)行一次，當第三次結果與前兩次之中的一次相同時，則認為另一結果是偶然故障引起的，應剔除。若三次結果均不相同，則初步判定為硬件永久性故障，需進一步檢查。這種辦法是用時間為代價來換取可靠性，稱為時間冗余技術，也稱為重復檢測技術。三是故障自動檢測與診斷技術，對于復雜系統(tǒng)，為了保證能及時檢測出有故障裝置或單元模塊，以便及時把有用單元替換上去，就需要對系統(tǒng)進行在線測試與診斷。這樣做的目的有兩個：一是為了判定動作或功能的正常性；二是為了及時指出故障部位，縮短維修時間。四是軟件可靠性技術：單片機控制系統(tǒng)運行軟件是系統(tǒng)要實行的各項功能的具體反映。軟件的可靠性主要標志是軟件是否真實而準確地描述了要實現的各種功能。因此對生產工藝過程的了解程度直接關系到軟件的編寫質量。提高軟件可靠性的前提條件是設計人員對生產工藝過程的深入了解，并且使軟件易讀、易測和易修改。五是失效技術：有些重要系統(tǒng)，一但發(fā)生故障時希望整個系統(tǒng)應處于安全或保險狀態(tài)。此外，還有常見的數字濾波、程序運行監(jiān)視及故障自動恢復技術等。
�。�3） 安裝與調試。元器件與整個系統(tǒng)的安裝與調試，是保證系統(tǒng)運行與可靠性的重要措施。盡管元器件選擇嚴格，系統(tǒng)整體設計合理，但安裝工藝粗糙，調試不嚴格，仍然達不到預期的效果。
導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的外因是指單片機控制系統(tǒng)所處工作環(huán)境中的外部設備或空間條件導致系統(tǒng)運行的不可靠因素，主要包括以下幾點：一是外部電氣條件，如電源電壓的穩(wěn)定性、強電場與磁場等的影響；二是外部空間條件，如溫度、濕度，空氣清潔度等；三是外部條件，如振動、沖擊等。
為保證系統(tǒng)可靠工作，必須創(chuàng)造一個良好的外部環(huán)境。例如：采取屏蔽措施、遠離產生強電場干擾的設備；加強通風以降低環(huán)境溫度；安裝緊固以防振動等。
元器件的選擇是根本，合理安裝調試是基礎，系統(tǒng)設計是手段，外部環(huán)境是保證，這是可靠性設計遵循的基本準則，并貫穿于系統(tǒng)設計、安裝、調試、運行的全過程。為實現這些準則，必須采取相應的硬件或軟件方面的措施，這是可靠性設計的根本任務。
中小規(guī)模的單片機控制系統(tǒng)在開發(fā)過程中，結合實際應用中的工作環(huán)境，采用以上的系統(tǒng)抗干擾優(yōu)化設計的措施與方法，基本能有效地提高單片機系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，充分地體現單片機控制系統(tǒng)在不增加控制的情況提高機電設備的自動化性能與智能性的優(yōu)越所在。
參考文獻
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