单片机硬件抗干扰方法研究

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【摘要】单片机应用系统的工作环境往往是不是固定的，在一些复杂的工作环境中，单片机往往受到干扰的影响而导致其不能工作或控制功能丧失，因而其工作的可靠性至关重要。本文介绍了怎样从硬件设计的各个环节上进行抑制干扰的方法。

【关键词】单片机；干扰；硬件设计；抑制

在实验室的仿真机上，经过千辛万苦安装和调试的样机投入了实际现场运行时，常常会开机就失控甚至根本不能正常工作。为什么实验室能正常模拟运行的系统，在实际环境就会出问题呢？答案是干扰。事实证明：为了提高单片机系统工作的可靠性，为抑制干扰而做的工作比前期实验室研制样机的工作还多。要使单片机系统能在实际工作环境中正常运行，抗干扰技术尤为重要。

干扰对微机系统的作用归纳起来可以从三个部位介入：第一个部位是输入系统，干扰源可使模拟信号、数字信号等输入量出错，最后导致微机系统的输出结果出错；第二个部位是输出系统，干扰源可使输出信号混乱，不能正常反应微机系统的真实输出结果；第三部位是微机系统的内部，干扰源可能使微机外部总线上数据发生跳变，使三总线上数字信号错乱，从而导致结果出错。干扰信号源的随机介入，使微机系统离开正常运行轨道，可能使错误一直传播下去形成一系列的错误，也可能埋下了事故的隐患，使后续程序出错，也可能使程序出现死循环，最终使系统全面瘫痪。

用硬件措施来防干扰，是一种十分有效的方法，如果硬件设计使用得当，可将绝大多数干扰信号拒之门外，从而有效地保证系统的正常工作。下面我们从一个单片机硬件系统设计的各个环节来介绍一些硬件抗干扰的方法。

一、电源系统

1.采用开关电源并提供足够的功率余量，主机部分使用单独的稳压电路，必要时输入、输出供电分别采用DC—DC模块隔离，以避免各个部分相互干扰。防止从电源系统引入干扰，可采取交流稳压器保证供电的稳定性，防止电源的过压和欠压。使用隔离变压器滤掉高频噪声，低通滤波器滤掉工频干扰。

2.up监控。工程技术人员常用TL7705电源监视芯片来监测电压。它的SENSE为电源监视端，当SENSE上的电压小于45V时，／RESET输出低电平（产生_l 沿），向单片机申请中断。RESET：复位端，低电平有效。RE SIN：复位输入端，输入低电平时，强制复位输出端。随着芯片集成良不断提高，工程技术人员往往热衷于既能提供up监控，又能提供其他功能的芯片。如MAXIM公司的MAXS07，它将电源监视与看门狗集成在一起，提供定时、电源切换等多种功能。

3.瞬态电压抑制器Tvs。（Tran-sient Voltage Suppressor，简称TVs），使用TVs二极管进行浪涌保护比使用压敏电阻优越得多，具有响应时间快，瞬态功率大，漏电流低，击穿电压偏差小有效保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲造成元器件损坏。

二、接口电路

（1）物理隔离。物理隔离一般是对单片机前端的输入信号线而言的，如在一些工业测量仪表里一般分为两部分，一部分为传感器称为一次仪表，另一部分是显示及控制部分称为二次仪表，有时一次仪表与二次仪表之间距离较远，几十米上百米或千米以上，那么信号在传输过程中极易受到干扰，其中信号线要远离大功率导线，如果实在做不到远离则要将信号线和功率线分别套人钢管进行屏蔽。

（2）信号隔离。在输入通道上采用光耦合器件来进行信息传输，在输出上用光电隔离耦合器件或机电隔离的方法，使系统内部与各种传感器、开关从电气上隔离，抑制或阻挡干扰从接口进入系统。

（3）电路滤波。在直流电源电路中由于单片机及一些存储器、接口电路等都是数字电路，所以在电源电路会产生峰值很大的尖峰电流，直接干扰单片机正常工作．利用电感电容等元件可以消除此类噪声这种方法称为滤波技术，常用RC低通滤波器接在输入电路中，可以大大削弱各类高频干扰信号，对于火花放电及高频振荡所产生的干扰，可在回路中接入由LC与C组成的滤波器。

（4）过压保护电路。当被保护线路的电源电压高于一定数值时，保护器切断该线路；当电源电压恢复到正常范围时，保护器自动接通，过压保护一般由限流电阻和稳压管组成。

（5）设计良好的接地系统。接地不良时，将形成明显的干扰。如果没有条件进行良好接地，可将系统浮置起，再配合适当的屏蔽措施，系统中的数字地和模拟地要分开，最后只在一点相连。如汽车上的控制系统，传感器的信号地不能用车体做地线，必须单独引线。使各种地线只能在电源处一点相连。

（6）提高器件的驱动能力。一般1个TTL可推动8个TTL或10多个CMOS，而一个CMOS可推动1-2个TTL或20多个CMOS。如果输出负载过重，会降低输出电平，使电平处于或低于被驱动器的输入门槛电平，从而造成系统不稳定。提高器件的驱动能力，就可以减少系统部稳定因素，提高单片机的抗干扰能力。

三、印制板PCB电路布线

随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。因此PCB布线的好坏对单片机系统的可靠性影响很大。合理布线能大大提高单片机的抗干扰性。—是电源线设计：根据印刷线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻，降低耦合噪声。二是地线设计：接地线应尽量加粗，最好不少于3mm。TTL，CMOS器件的地线要呈辐射网状，避免环形。而且要构成闭环路，数字地与模拟地分开。三是注意晶振布线：晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，时钟线要远离I／O线，晶振外壳接地并固定。四是各部件之间的引线要尽量短，电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号之间注意隔离。尽可能把干扰源（如电机、可控硅等）与敏感元件（如单片机）远离。五是布线时拐角尽可能大。尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。六是元件面和焊接面应采用相互垂直、斜交或者弯曲走线，避免相互平行以减小寄生耦合，避免相邻导线平行段过长。尽量采用多层印制电路板，多层板可提供良好的接地网，可防止产生地电位差和元件之间的耦合。七时尽量采用多层印制电路板。多层板可提供良好的接地网，可防止产生地电位差和元件之间的耦合。八是闲置不用的IC管脚不要悬空以避免干扰引入。不用的运算放大器正输入端接地，负输入端接输出。单片机不用的l／O口定义成输出，单片机上有一个以上电源、接地端，每个都要接上。不要悬空。

四、信号传输

1.通信介质采用双绞线或光纤。在数字信号的长线传输时利用双绞线，可对噪声干扰有较好的抑制效果。可与光电耦合器联合使用或者使用平衡输入接收器和输出的驱动器。在发送和接收信号端必须有末端电阻，双绞线应该阻抗匹配。而光纤是一种由高纯玻璃或聚合物构成的，光波可在其内部传播，主要特点有频带宽、通信容量大、信号传输损耗低、抗干扰，由于光纤是电绝缘的所以不怕电磁干扰，不怕雷击。

2.信号传输采用EFT抗干扰技术。当振荡电路的正弦波信号受到外界干扰时，其波形上会叠加一些毛刺。以施密特电路对其整形时．这种毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟信号。交替使用施密特电路和RC滤波可以使这类毛刺不起作用，这就是EFT抗干扰技术。

五、增加硬件看门狗电路

硬件看门狗。使用硬件看门狗的主要目的是防止程序执行受到干扰，不能按正常流程执行的—种监视芯片。所谓‘看门狗“就是—个定时器，定时时间到，它就输出—个信号，使单片机复位。所谓“喂狗”就是把定时器的计数值清除。只要按时喂狗，定时器就不会到达定时时间，单片机就不会复位。如程序‘跑飞“，或者进入死循环，不能够按时喂狗，定时器就会达到定时时间，就会复位，使单片机重新开始工作。例如XICOR公司X25043／45就是将看门狗与复位电路（含手动，上电复位）以及4KB串行EEPR0M集成在I一起的芯片。美国DALLAS公司生产的‘看门狗（wATcHD0G）’电路DS1232具有性能可靠、使用简单、价格低廉的特点，应用在单片机产品中能够很好的提高硬件的抗干扰能力，采用8脚DIP封装。

六、使用双机冗余设计

在对控制系统的可靠性有严格要求的场合，使用双机冗余可进一步提高系统抗干扰能力。双机冗余，就是执行同一个控制任务，可安排两个单片机来完成，即主机与从机。正常情况下，主机掌握着三总线的控制权，对整个系统进行控制，此时，从机处于待机状态，等待仲裁器的触发。当主机由于某种原因发生误动作时，仲裁器根据判别条件，若认为主机程序已混乱，则切断主机的总线控制权，将从机唤醒，从机将代替主机进行处理与控制。

综上所述，单片机技术的迅速发展，其应用将越来越广泛，也从各个方面影响着人们的生活，随之其工作环境将越来越复杂，因此抗干扰技术作为一门系统工程综合技术，摆在了单片机设计开发人员面前，实践表明，采用以上所介绍的单片机的硬件抗干扰技术，可有效防止系统死机，从而明显提高单片机应用系统的可靠性，因而是行之有效的方法。

参考文献

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[3]陈汝全.实用微机与单片机控制技术[M].北京电子科技大学出版社,1998

[4]徐维祥.单片微型机原理及应用[M].大连理工大学出版社,2004.

作者简介：晋会杰，大学本科，商丘工学院机电教研室教师。