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單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)
【摘要】：在單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，不單要突出設(shè)備的自動(dòng)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(xiàn)象；系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的任務(wù)及方法等方面展開了說明及論述。
【關(guān)鍵詞】：單片機(jī); 抗干擾; 控制狀態(tài); 冗余技術(shù)
隨著技術(shù)和微型的迅速發(fā)展，促進(jìn)了微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。中小規(guī)模的單片機(jī)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)及日常生活中的智能機(jī)電一體化產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用。在單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，我們不單要突出設(shè)備的自動(dòng)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(xiàn)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(xiàn)象
由于單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)的工作往往是比較惡劣和復(fù)雜的，其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個(gè)非常突出的問題。單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用必須長期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，否則將導(dǎo)致控制誤差加大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失。
影響單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的可靠、安全運(yùn)行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)果設(shè)計(jì)、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(xiàn)在下述幾個(gè)方面。
�。�1） 數(shù)據(jù)采集誤差加大。干擾侵入單片機(jī)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(huì)使數(shù)據(jù)采集誤差加大，特別是當(dāng)傳感器輸出弱信號時(shí)干擾更加嚴(yán)重。
（2） 控制狀態(tài)失靈。微機(jī)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(jié)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(dǎo)致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。
�。�3） 數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。單片機(jī)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(shù)據(jù)有可能被竄改。在單片微機(jī)系統(tǒng)中，程序及表格、常數(shù)存于程序存儲器中，避免了這些數(shù)據(jù)受到干擾破壞，但對于內(nèi)RAM、外擴(kuò)RAM中的數(shù)據(jù)都有可能受到外界干擾而變化。根據(jù)干擾竄入的途徑、受干擾數(shù)據(jù)的性質(zhì)不同，系統(tǒng)受損壞的情況也不同．有的造成數(shù)據(jù)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(shí)器/計(jì)數(shù)器，串行口等）的工作狀態(tài)等。
�。�4） 程序運(yùn)行失常。單片機(jī)控制系統(tǒng)中程序計(jì)數(shù)器的正常工作，是系統(tǒng)維持程序正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。如果外界干擾導(dǎo)致計(jì)數(shù)器的值改變，破壞了程序的正常運(yùn)行。由于受到干擾后計(jì)數(shù)器的值是隨機(jī)的，因而導(dǎo)致程序混亂。通常的情況是程序?qū)?zhí)行一系列毫無意義的指令，最后進(jìn)入"死循環(huán)"，這將使輸出嚴(yán)重混亂或系統(tǒng)失靈。
2. 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的分析和方法
單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性技術(shù)涉及到生產(chǎn)過程的方方面面，不僅與設(shè)計(jì)、制造、、安裝、維護(hù)有關(guān)，還與生產(chǎn)、質(zhì)量監(jiān)控體系、使用人員的專業(yè)水平與素質(zhì)有關(guān)。這里主要是從技術(shù)角度分析提高系統(tǒng)可靠性的最常用方法。
導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的內(nèi)部因素主要有以下三點(diǎn)：
�。�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(shè)計(jì)當(dāng)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(shù)的發(fā)展，電子元器件的可靠性不斷提高，現(xiàn)在小功率晶體管及中小規(guī)模IC芯片的實(shí)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(chǔ)。
（2） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包括硬件電路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行軟件設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)也可以消除或削弱外部干擾對整個(gè)系統(tǒng)的影響，如去耦電路、平衡電路等。同時(shí)也可以采用冗余結(jié)構(gòu)，也稱容錯(cuò)技術(shù)或故障掩蓋技術(shù)，它是通過增加完成同一功能的并聯(lián)或備用單元〔包括硬件單元或軟件單元〕數(shù)目來提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計(jì)方法。當(dāng)某些元器件發(fā)生故障時(shí)也不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。對于消減外部電磁干擾，可采用電磁兼容設(shè)計(jì)，目的是提高單片機(jī)系統(tǒng)在電磁中的適應(yīng)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(shù)、去耦電路、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)等。
軟件是微機(jī)系統(tǒng)區(qū)別于其它通用電子設(shè)備的獨(dú)到之處，通過合理編制軟件可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。常用的軟件措施主要有：一是信息冗余技術(shù)，對單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用而言，保持信號信息和重要數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)或文件多重化，復(fù)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(dòng)從其它部分重新復(fù)制，使信息得以恢復(fù)。二是時(shí)間冗余技術(shù)，為提高單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性，可采用重復(fù)執(zhí)行某一操作或某一程序，并將執(zhí)行結(jié)果與前一次結(jié)果進(jìn)行比較對照來確認(rèn)系統(tǒng)工作是否正常。只有當(dāng)兩次結(jié)果相同時(shí)，才被認(rèn)可，并進(jìn)行下一步操作。
若兩次結(jié)果不相同，可再次重復(fù)執(zhí)行一次，當(dāng)?shù)谌谓Y(jié)果與前兩次之中的一次相同時(shí)，則認(rèn)為另一結(jié)果是偶然故障引起的，應(yīng)剔除。若三次結(jié)果均不相同，則初步判定為硬件永久性故障，需進(jìn)一步檢查。這種辦法是用時(shí)間為代價(jià)來換取可靠性，稱為時(shí)間冗余技術(shù)，也稱為重復(fù)檢測技術(shù)。三是故障自動(dòng)檢測與診斷技術(shù)，對于復(fù)雜系統(tǒng)，為了保證能及時(shí)檢測出有故障裝置或單元模塊，以便及時(shí)把有用單元替換上去，就需要對系統(tǒng)進(jìn)行在線測試與診斷。這樣做的目的有兩個(gè)：一是為了判定動(dòng)作或功能的正常性；二是為了及時(shí)指出故障部位，縮短維修時(shí)間。四是軟件可靠性技術(shù)：單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行軟件是系統(tǒng)要實(shí)行的各項(xiàng)功能的具體反映。軟件的可靠性主要標(biāo)志是軟件是否真實(shí)而準(zhǔn)確地描述了要實(shí)現(xiàn)的各種功能。因此對生產(chǎn)工藝過程的了解程度直接關(guān)系到軟件的編寫質(zhì)量。提高軟件可靠性的前提條件是設(shè)計(jì)人員對生產(chǎn)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(shù)：有些重要系統(tǒng)，一但發(fā)生故障時(shí)希望整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)處于安全或保險(xiǎn)狀態(tài)。此外，還有常見的數(shù)字濾波、程序運(yùn)行監(jiān)視及故障自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)等。
�。�3） 安裝與調(diào)試。元器件與整個(gè)系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，是保證系統(tǒng)運(yùn)行與可靠性的重要措施。盡管元器件選擇嚴(yán)格，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)合理，但安裝工藝粗糙，調(diào)試不嚴(yán)格，仍然達(dá)不到預(yù)期的效果。
導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的外因是指單片機(jī)控制系統(tǒng)所處工作環(huán)境中的外部設(shè)備或空間條件導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的不可靠因素，主要包括以下幾點(diǎn)：一是外部電氣條件，如電源電壓的穩(wěn)定性、強(qiáng)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(dòng)、沖擊等。
為保證系統(tǒng)可靠工作，必須創(chuàng)造一個(gè)良好的外部環(huán)境。例如：采取屏蔽措施、遠(yuǎn)離產(chǎn)生強(qiáng)電場干擾的設(shè)備；加強(qiáng)通風(fēng)以降低環(huán)境溫度；安裝緊固以防振動(dòng)等。
元器件的選擇是根本，合理安裝調(diào)試是基礎(chǔ)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是手段，外部環(huán)境是保證，這是可靠性設(shè)計(jì)遵循的基本準(zhǔn)則，并貫穿于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行的全過程。為實(shí)現(xiàn)這些準(zhǔn)則，必須采取相應(yīng)的硬件或軟件方面的措施，這是可靠性設(shè)計(jì)的根本任務(wù)。
中小規(guī)模的單片機(jī)控制系統(tǒng)在開發(fā)過程中，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的工作環(huán)境，采用以上的系統(tǒng)抗干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)的措施與方法，基本能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，充分地體現(xiàn)單片機(jī)控制系統(tǒng)在不增加控制的情況提高機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化性能與智能性的優(yōu)越所在。
參考文獻(xiàn)
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