摘要：單片機系統(tǒng)在星載儀器中往往擔負著非常重要的任務(wù)，由于單片機對干擾屬于敏感器件，容易受到干擾影響，導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，因此在系統(tǒng)設(shè)計上應(yīng)充分考慮抗干擾問題，以提高系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)干擾產(chǎn)生的原因，結(jié)合實踐，從硬件和軟件兩方面介紹了星載儀器中單片機系統(tǒng)抗干擾措施。 
關(guān)鍵詞：單片機，抗干擾，硬件，軟件 

1引言

目前，單片機系統(tǒng)在星載儀器中擔負著非常重要的任務(wù)，星載儀器往往處于復(fù)雜的空間環(huán)境之中，存在著大量的干擾源，如高能帶電粒子主要通過單粒子效應(yīng)對單片機系統(tǒng)構(gòu)成影響，使其發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)事件，將導(dǎo)致程序走向混亂，使系統(tǒng)無法正常工作。因此，在系統(tǒng)設(shè)計上充分考慮抗干擾設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性尤為重要。對于單片機系統(tǒng)而言，干擾有兩種，一是來源于系統(tǒng)外部環(huán)境和其它電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾，通過傳導(dǎo)和輻射等途徑影響單片機系統(tǒng)正常工作；二是來源于系統(tǒng)內(nèi)部，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝等決定以及內(nèi)部元器件在工作時產(chǎn)生干擾，通過地址、電源線、信號線、分布電容等傳輸，影響系統(tǒng)工作狀態(tài)。單片機系統(tǒng)抗干擾措施主要從硬件、軟件兩個方面展開避錯、容錯設(shè)計，以提高系統(tǒng)的可靠性。

2干擾產(chǎn)生的原因

2.1干擾源

干擾源是指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號。產(chǎn)生的干擾包括：

（1）電磁干擾，如繼電器開關(guān)啟動、靜電放電、電網(wǎng)電壓波動等都可能引起不同程度的瞬變浪涌電壓，會造成IC和半導(dǎo)體器件PN結(jié)燒毀、氧化層擊穿等。

（2）人為干擾，如機械振動、繼電器觸點抖動、元器件安裝和電路板布線引起的電磁耦合、接插件接觸不良、虛焊、放大器自激、電源紋波等。

（3）環(huán)境因素干擾，如噪聲和環(huán)境溫濕度、以及太陽黑子的變化，空間粒子輻射等。

2.2干擾傳輸途徑

    干擾對單片機系統(tǒng)的影響主要通過三種途徑傳輸，包括：

（1）輸入系統(tǒng)。一般情況下，星載儀器的檢測對象往往是微弱物理信號，通過放大的運放電路和高精度A/D轉(zhuǎn)換電路組成。如串入干擾，會使輸入的模擬信號失真，數(shù)字信號出錯，從而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)誤差增大。

（2）輸出系統(tǒng)。一旦受到干擾，將使各輸出信號混亂，不能正常反應(yīng)單片機系統(tǒng)的真實輸出。但一般單片機輸出電路都具有較高的電平，不易受到干擾，需要注意的是其對其他電路的干擾影響。

（3）CPU系統(tǒng)。該干擾主要是由CPU內(nèi)部時鐘和噪聲引起的，它可使單片機系統(tǒng)總線上的數(shù)字信號錯亂，CPU得到錯誤的地址信號，使程序跑飛或死循環(huán)，導(dǎo)致輸出錯誤，并將這個錯誤一直傳遞，造成系統(tǒng)失敗。

2.3敏感器件

在星載儀器單片機系統(tǒng)中，通常會用到一些如A/D、D/A變換器、弱信號放大器等容易被干擾的器件，也是產(chǎn)生干擾的重要原因。

3單片機常用抗干擾技術(shù)

抗干擾就是針對干擾產(chǎn)生的性質(zhì)、傳播途徑、侵入位置和侵入形式等，采取相應(yīng)的方法來消除干擾源，抑制傳播途徑，減弱電路或元器件對噪聲干擾的敏感性，使單片機系統(tǒng)能正常穩(wěn)定地運行。

3.1抑制干擾源的干擾作用

針對不同的干擾源采取相應(yīng)的措施，抑制干擾作用。

（1）       繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾。

（2）       在繼電器接點兩端并接火花抑制電路，一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾K到幾十K，電容選0.01uF，減少電火花影響。

（3）       盡可能將干擾源（與電機、繼電器）與敏感器件（單片機）遠離。

3.2硬件干擾抑制技術(shù)

硬件抗干擾具有效率高的特點，只要合理布置與選擇有關(guān)參數(shù)，適當?shù)挠布垢蓴_措施就能抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾。

3.2.1電源抗干擾設(shè)計

單片機系統(tǒng)對電源噪聲很敏感，電源的通斷、瞬時短路及電網(wǎng)串進來的干擾脈沖都會造成單片機誤動作。主要措施為給電源加濾波電路和穩(wěn)壓器，以減少干擾。

3.2.2屏蔽干擾技術(shù)

在空間環(huán)境中，由于受空間帶電粒子輻射，會造成抗輻射能力較低的器件發(fā)生翻轉(zhuǎn)或鎖定，嚴重時會使器件失效?？刹捎娩X皮或鉭皮遮擋，進行屏蔽加固。

星載儀器中，高靈敏的弱信號探測探頭引線應(yīng)用屏蔽線，避免外界信號的干擾。將可能產(chǎn)生電磁脈沖的部件如高壓電源，以及靈敏度較高的部件如前置放大器等用金屬罩屏蔽，以減少干擾。

3.2.3隔離抗干擾技術(shù)

隔離一方面可把外來的干擾通道切斷，從而達到隔離現(xiàn)場干擾的目的。另一方面可將兩條信號線隔開，使彼此的串擾盡可能小，常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等。

a.光電隔離使用光電耦合器來完成，光電耦合器其輸入端和輸出端的電信號是以光為媒介進行間接耦合的，因而具有較高的電氣隔離和干擾抑制能力，除此之外它還能起到很好的安全保障作用，因為在輸入輸出回路間有很高的耐壓值。

b.脈沖變壓器可實現(xiàn)數(shù)字信號隔離，脈沖變壓器匝數(shù)少，且一次和二次繞組分別纏繞在鐵氧體磁心的兩側(cè)，分布電容僅有幾pF，所以可作為脈沖信號的隔離器件。

c.繼電器的線圈和觸點之間沒有電氣上的聯(lián)系，故可利用繼電器的線圈接受電氣信號，利用觸點發(fā)送和輸出信號，避免弱電和強電信號間的直接接觸，實現(xiàn)干擾隔離。

3.2.4印制板PCB抗干擾設(shè)計

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB密度越來越高，PCB設(shè)計好壞對單片機系統(tǒng)影響很大。

a.設(shè)計時盡量選擇多層PCB板，其中一層為地層，一層為電源層，這種選擇能形成良好的退耦電路，并加入地線的屏蔽，可防止產(chǎn)生低電位差和元件之間的耦合。

b.晶振與單片機引腳盡量靠近，引線越短越好，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。

c.電源線，地線應(yīng)盡量加粗，除減小壓降外，還能降低耦合噪聲。

d.TTL，CMOS器件的地線要呈輻射網(wǎng)狀，避免環(huán)形。兩種器件接口應(yīng)考慮電平匹配。

e.印制板布線時，將微弱信號電路與易產(chǎn)生噪聲污染的電路分開布線，信號線與強電控制線路、電源線路分開走線，且相互間保持一定的距離。配線時應(yīng)區(qū)分交流線、直流穩(wěn)壓電源線、數(shù)字信號線、模擬信號線、數(shù)字地、模擬地等。配線間隔越大，配線越短，則噪聲越小。信號線應(yīng)盡量遠離高壓線路，如受條件限制，信號線不能與高壓線離得足夠遠，就要采用信號線接電容等各種抑制電磁感應(yīng)噪聲的措施。用地線將數(shù)字與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地分離，最后在一點接于電源地。交流地和信號地不能共用。

f.布線時避免90°折線，減少高頻噪聲發(fā)射。盡量減少回路環(huán)面積，以降低感應(yīng)噪聲。

g.元件面與焊接面應(yīng)采用垂直、斜交或彎曲走線，避免相互平行以減小寄生耦合，避免相鄰導(dǎo)線平行段過長。

h.單片機和大功率器件要單獨接地，大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

i.信號頻率過高的信號線，要加終端匹配電阻。為提高干擾抑制能力，探測器連接電纜可采用金屬網(wǎng)狀屏蔽線抑制靜電感應(yīng)，采用雙絞屏蔽線抑制電磁感應(yīng)。

j.高頻電路應(yīng)就近多點接地，以避免地線間耦合，低頻電路應(yīng)一點接地，以減少地線造成的地環(huán)路。

3.2.5EFT抗干擾技術(shù)

振蕩電路的正弦波信號受到外界干擾時，其波形上會疊加一些毛刺。以施密特電路對其整形時，這種毛刺會成為觸發(fā)信號干擾正常的時鐘信號，交替使用施密特電路和RC濾波可使這種毛刺不起作用，這就是EFT抗干擾技術(shù)。

3.2.6減少敏感元件的干擾性

a.根據(jù)電路參數(shù)選擇合理器件，盡量選用集成度高、溫漂小、抗干擾性能好以及功耗小的器件。

b.對單片機閑置的I/O口，不能懸空，應(yīng)接地或電源。其它IC的閑置端，在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下，接地或電源。

c.在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機晶振和選用低速數(shù)字電路。

d.電路板上每個IC都要在VCC與地間并接一個0.01uF~0.1uF去耦電容，起到濾波的作用。注意電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會影響濾波效果。

e.對單片機使用電源監(jiān)控和看門狗電路。

f.單片機的標準退耦電路是一只100uF的電容并聯(lián)一只0.1uF的高頻電容，這兩只電容應(yīng)盡量靠近V/V的地方，以減少環(huán)路效應(yīng)。

g.單片機數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線是單片機與外界進行信息交換的唯一通道，為提高總線的可靠性，可為總線配置總線驅(qū)動器，以及配置總線上拉電阻。

 

3.3軟件干擾抑制技術(shù)

硬件抗干擾措施往往并不能完全消除干擾，單片機系統(tǒng)仍會受到侵害，軟件抗干擾技術(shù)可進一步減小各種干擾的影響。

3.3.1指令冗余技術(shù)

以MCS-51為例，CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)，當CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當作操作碼來執(zhí)行，引起程序混亂。為了使“跑飛”的程序迅速回到正軌，應(yīng)多用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵地方插入兩個字節(jié)以上的單字節(jié)NOP指令，通常是在雙字節(jié)和3字節(jié)指令之后插入。以及在一些對程序流向起決定作用的指令（如RET、RETI、LCALL、SJMP等）前插入兩條NOP指令，以保證程序迅速納入正軌，或?qū)⒂行е噶钪貙?，保證指令正確執(zhí)行，這便是指令冗余。

3.3.2軟件陷阱技術(shù)

當程序“跑飛”到非程序區(qū)時，指令冗余將無法解決問題。此時可設(shè)置軟件陷阱，截斷跑飛的程序，將其引向指定位置，在進行出錯處理。如MCS-51，假設(shè)出錯處理程序的入口地址為ERROR，可在適應(yīng)的地方如下設(shè)置指令：

NOP

NOP

LJMP  ERROR

    軟件陷阱主要安排在未使用的中斷區(qū)，未使用的程序空間以及非程序空間，程序運行區(qū)及中斷服務(wù)程序區(qū)。

3.3.3軟件看門狗技術(shù)

    當失控的程序進入“死循環(huán)”，冗余指令和軟件陷阱也無能為力，通常采用“看門狗”技術(shù)。“看門狗”技術(shù)分為硬件和軟件兩種，這里主要介紹軟件看門狗。如MCS-51，它有兩個定時器T0和T1，可用這兩個定時器對主程序進行監(jiān)控。用定時器T0監(jiān)視定時器T1，用定時器T1監(jiān)視主程序，主程序監(jiān)視定時器T0，“看門狗”根據(jù)程序運行指定時間間隔內(nèi)未進行操作，來判斷程序運行出錯。采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的軟件“看門狗”，具有良好的抗干擾性能。

3.3.4軟件濾波技術(shù)

干擾對單片機的輸入會造成輸入信號瞬間采樣的誤差或誤讀，為消除干擾影響，可采用軟件濾波方法。常用的軟件濾波方法有：

a.中位值平均濾波法。對重要信號進行多次N個采樣，去除最大和最小值，取剩余的N-2個A/D轉(zhuǎn)換值的平均值。此方法可消除由于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾引起的采樣值偏差。

b.程序判斷濾波法。根據(jù)經(jīng)驗確定出兩次采樣的最大偏差值⊿Y，若兩次采樣信號相減數(shù)值大于⊿Y，表明為干擾信號，應(yīng)去除。用上次采樣值與本次采樣值比較，若小于或等于⊿Y，表明沒有受到干擾，此時采樣值有效，這種方法可濾去隨機干擾和由傳感器不穩(wěn)定引起的誤差。

c.遞推平均濾波法。把連續(xù)N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定，每次采到的新值放入隊尾，去掉原隊首數(shù)據(jù)，將隊列中N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均，可獲得新的濾波結(jié)果。本方法對周期性干擾有良好的抑制作用。

3.3.5輸出端口抗干擾技術(shù)

由于外圍器件動作時，常會產(chǎn)生電磁脈沖，對輸出信號造成影響。對輸出通道的干擾，可采用在程序中周期性的添加輸出端口刷新指令的方法，以降低干擾。在程序指定RAM單元，存儲輸出口當時應(yīng)處的狀態(tài)，在程序運行時根據(jù)這些RAM單元的內(nèi)容刷新I/O口。也可采用多次重復(fù)寫控制命令的方式，重復(fù)周期盡量短，這樣輸出設(shè)備得到一個干擾還來不及響應(yīng)時，正確信號到來，可以防止誤動作的發(fā)生。

4結(jié)束語

抗干擾技術(shù)是單片機系統(tǒng)設(shè)計過程中重要的環(huán)節(jié)，合理的使用軟件、硬件抗干擾技術(shù)，可使系統(tǒng)最大限度地避免干擾的產(chǎn)生和使系統(tǒng)恢復(fù)正常，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。在以往的星載儀器設(shè)計中，根據(jù)系統(tǒng)實際情況，均采用了上述相應(yīng)的幾種方法相結(jié)合的抗干擾措施，實踐證明，上述抗干擾方法是有效的。航天工程要求高可靠、高質(zhì)量的產(chǎn)品，因此只有針對不同情況，采取相應(yīng)措施，將干擾影響降到最低，才能保證儀器長期穩(wěn)定、可靠、安全的運行。

 

參考文獻

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本文作者創(chuàng)新點：針對干擾產(chǎn)生的原因，結(jié)合星載單片機系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況，從軟件和硬件兩方面系統(tǒng)全面地介紹了各種抗干擾措施。在硬件方面介紹了電源、屏蔽、隔離、印制板、EFT等抗干擾技術(shù)、以及如何減少敏感元件的干擾性。在軟件方面介紹了指令冗余、軟件陷阱、軟件看門狗、軟件濾波、輸出端口等抗干擾技術(shù)。