單片機在嵌入式系統應用中的抗干擾措施

單片機在嵌入式系統應用中，抗干擾性能是系統可靠性的重要指標，抗干擾設計是單片機系統研制中不可忽視的一個重要內容。本文根據筆者在實際工作中的體會，就單片機在嵌入式系統應用中的抗干擾問題進行探討，并給出了排錯設計、容錯設計的一些方法和措施。

　　隨著科學技術的迅速發展，單片機在各個領域中的應用越來越廣泛。在眾多的應用系統中共同面臨的一個問題，就是它在應用系統中的可靠性，這就要求我們在設計時應根據現場具體情況，在硬件設計、線路板設計、軟件設計等方面來采取相應的抗干擾措施。

　　一、抗電源干擾的措施
　　
　　大部分單片機嵌入式系統都采用市電電源供電，在應用系統中一個很重要的干擾就來自電源。市電的各種干擾，如雷電、大容量感性負載的起停等，都會造成電源瞬間欠壓、過載，產生浪涌、下陷、尖峰等干擾，但我們可采取如下有效抗干擾措施。

　　1．用壓敏電阻抑制尖峰、浪涌
　　
　　壓敏電阻兩端的電壓如超過其限定值時，電流會迅速增大，呈短路狀態，利用這一特點，可以用它吸收瞬間的尖峰、浪涌電壓。壓敏電阻并聯在電源變壓器的初、次級，加入壓敏電阻后，電源干擾造成單片機程序失控的可能性減小。壓敏電壓的計算公式為：VIMA＝1．56×32×V～（V～：交流電壓有效值）

　　2．濾波器抑制高頻干擾
　　
　　市電中含有多種高次諧波，它們很容易經電源進入單片機系統，另外一些射頻發射、電磁波等也會由電源線感應反饋入單片機系統造成干擾，因此在電源電路中加入低通濾波電路讓50 Hz市電基波通過，抑制掉高頻信號。此外在電源變壓器的初次級之間均用屏蔽層隔離，減少其分布電容，提高抗共模干擾的能力。

　　圖1中列出了幾種不同形式的濾波電路。

　　二、印刷電路板的抗干擾設計
　　
　　印刷電路板是單片機應用系統中器件、信號、電源線的高密度集合體，印刷電路板設計的好壞對抗干擾能力的影響很大。

　　1．電源線、地線的設計
　　
　　在單片機應用系統，接地是抑制干擾的重要方法。線路板上既有邏輯電路，又有模擬電路，兩者的地線要分別與電源端地線相連。低頻電路的地線盡量采用單點并聯接地，高頻電路宜采用多點串聯接地。接地線如果很細，接地電位則隨電流的變化而變化，使系統抗噪聲性能變壞，因此應加粗接地線條，使它能通過3倍于印刷電路板上的允許電流。
　　
　　電源線與地線應盡量靠近走線以減少所包圍的環路面積，從而減少外界磁場對環路切割而產生的電場干擾，同時也減少環路對外電磁輻射。電源線、地線的走向與數據傳遞方向一致也有助于增強抗噪聲能力。

　　2．一些特殊措施
　　
　　在印刷電路板的各個關鍵部位配置去耦電容應視為印刷電路板設計的一項常規做法。原則上每個集成電路芯片都應安置一個0．01μF的瓷片電容排除射頻耦合干擾，電容引線不能太長，應緊靠芯片的電源線、地線。如印刷電路空隙小裝不下時，可每4～10個芯片安置一個1～10μF的限噪聲用的電容鉭電容。線路板布局時，應使單片機的振蕩晶體盡量放在單片機兩引腳近端。

　　三、程序運行失常的對策
　　
　　前面所介紹的抗干擾措施僅是盡量減少干擾，提高系統運行的可靠性，但在惡劣的工作環境下程序長期運行仍可能失控：PC值指向操作數，將操作數作為指令碼執行；PC值超出應用程序區，將非程序區中的隨機數作為指令碼運行。不管何種情況，都會造成程序的非正常運行或死機。看門狗就是在程序跑飛或死機時，對系統進行重新置位或復位，使系統恢復正常運行的一種專用電路。常用的看門狗有2種：軟件狗和硬件狗。

　　1．硬件看門狗
　　
　　所謂硬件狗，就是一個能發出“復位”信號的計數器或定時器電路。圖2是一個硬件看門狗電路。其工作原理是：P1．0作為看門狗的“喂狗”信號定時給出一脈沖，設其脈沖間隔為△t＜tw＜2△t，當程序正常運行時，每隔△t輸出一脈沖觸發CC4098單穩電路，使始終為低電平，若程序一旦出現異常，不能在tw時間內送出一“喂狗”脈沖，產生一正脈沖，使單片機系統復位，使其能重新正常運行。