单片机控制系统必须具有较高的灵敏度，但是灵敏度越高越容易把干扰引入系统中， 因此抗干扰技术己成为单片机控制系统设计时必须考虑的环节。本文分析了单片机控制系统干扰的主要来源，介绍了印制电路板中地线和电源线的布线方法，从硬件和软件两个方面阐述了抗干扰设计。这些抗干扰方法实际应用中取得了良好的效果，使一些单片机控制系统在现场成功运行。
引言
单片机组成的控制系统必须具有较高的灵敏度，灵敏度越高，更容易把干扰引入系统中。在强噪声背景下，被测信号往往被淹没，使测量无法进行。在工业现场的应用中，存在多种干扰源，它们以一种或者多种方式作用于计算机测控系统，对系统产生强烈的干扰，往往使系统的性能指标偏离设计要求，导致错误结果，因此抗干扰技术己成为单片机控制系统设计开始时就必须考虑的环节。
本文分析了单片机控制系统干扰的主要来源，从硬件和软件两个方面阐述了抗干扰设计。
1 、系统干扰源分析
1. 1 现场干扰源
电磁干扰可划分为传导与辐射两类。传导类型的干扰是可以通过金属、（分布）电感、（分布）电容和变压器进行传播的；而辐射类型的干扰则以多种途径向外传播，如设备的外壳及外壳上的缝隙，设备间的连接电缆，甚至一根导线本身也可以成为辐射类型干扰的传播途径。另外传导干扰和辐射干扰常常是伴生的，并且在干扰吸收上可以相互转化。
电磁干扰进入测控系统的途径是“ 场” ，即电磁干扰源的能量通过电场或磁场的形式传递给测控系统。电场途径干扰的实质是电容性耦合干扰，干扰信号通过导线或电路的分布电容进入测控系统；磁场途径干扰的实质是互感性耦合干扰，干扰信号通过导线或电路之间的互感耦合进入测控系统。
1. 2 系统自身干扰源
通常为与外部干扰相区别, 把系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的自然扰动称为噪声。如果在系统设计时对某些问题考虑不全面, 如元器件布局不合理、元器件间连线不合理以及元器件质量差等原因，都会造成测控系统自身干扰源。在单片机控制系统中，主要噪声类型有如下几种。
（1）按产生的原因
①热噪声：热噪声是指任何电阻即使不与电源相连，在它的两端也存在着微弱的电压。这种由于电子的热运动而出现在电阻两端的噪声电压称为热噪声。热噪声电压与热力学温度、带宽和电阻值的平均根成正比例。
②散粒噪声：散粒噪声存在于半导体元件中。在半导体内， 散粒噪声是通过晶体管基区载流子的随机扩散以及电子—空穴随机发生复合而形成的。
③接触噪声：接触噪声是由两种材料之间不完全接触，从而形成电导率的起伏而产生的，它发生在两个导体连接的地方。接触噪声正比于直流电流, 其功率密度正比于频率f 的倒数。在低频电路中，接触噪声是重要的噪声源。
（2）按传导模式
①常模噪声（normal mode noise），又称线间感应噪声或对称噪声。如图1(a)所示, 噪声往返于两条线路间，N为噪声源， R 为受扰设备，UN 为噪声电压，噪声电流IN 和信号电流I S 的路径往返两条线上是一致的。这种噪声难以除掉。
②共模噪声（common mode noise），又叫地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。如图1(b)所示，噪声侵入线路和地线间。噪声电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在往返两条线路中流过。从本质上讲，这种噪声是可以除掉的。但是由于线路的不平衡状态，共模噪声会转换成常模噪声。可用图1(c)来说明共模噪声转换成常模噪声的原理。
在图1(c)中，N 为噪声源， L 为负载，Z1 和Z2 是导线1和导线2 的对地阻抗。如果Z1 =Z2 , 则噪声电压VN1 和噪声电压VN2 相等，从而噪声电流IN1 和IN2 不流过负载。然而当Z1 ≠Z2 时，则VN1 ≠VN2 ，从而IN1 ≠IN2 ，于是VN1 -VN2 =VN，VN /Z L =IN （ZL 为负载阻抗），这是常模噪声。因此，当发现常模噪声时，首先考虑它是否由于电路不平衡状态而从共模噪声转换来的。通常，输入输出线与大地或机壳之间发生的噪声都是共模噪声，信号线受到静电感应时产生的噪声也多为共模噪声。抑制共模噪声的方法很多，如屏蔽、接地、隔离等。抗干扰技术在很多方面都是围绕共模噪声来研究其有效的抑制措施。
2、印制电路板中地线和电源线的布线方法
印制电路板是微机系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，印制电路板布线的好坏对抗干扰能力影响很大。对于双面板，地线和电源线布置特别讲究，通过采用单点接地法，电源和地是从电源的两端接到印制电路板上来的， 电源一个接点，地一个接点。印制电路板上，要有多个返回地线，这些都会聚到回电源的那个接点上，就是所谓单点接地。下面主要介绍地线和电源线布置。
2. 1 地线布置
为了抑制地线阻抗噪声，地线的布置通常遵循以下3个原则。
（1）地线尽量粗，如果地线很细，则地线电阻将会较大，造成接地电位随电流的变化而变化，致使信号电平不稳，导致电路的抗干扰能力下降。在布线空间允许的情况下，要保证主要地线宽度至少在2 ～ 3 mm 以上。
（2）接地线构成闭环形式，能明显提高抗噪声能力。其原因在于:印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇
到耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降；若将接地构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。
（3）地线设计采用分区集中并联一点接地，当同一印制电路板上有多个功能不同的电路时，可将同一功能单元
的元器件集中于一点接地，自成独立回路。这就可使地线电流不会流到其他单元的电路中去，避免了对其他单元的干扰。D /A 、A /D 转换电路中要特别注意地线的正确连接，否则干扰将很严重。D /A 、A /D 芯片及采样保持芯片均提供了独立的数字地和模拟地, 分别有相应的引脚。在线路设计中，必须将所有器件的数字地和模拟地分别相连，但数字地和模拟地仅在一点上相连。应特别注意，在全部电路中的数字地和模拟地仅仅连在一点上，在芯片和其他电路中不可再有公共点。图2 是地线的正确连接方法。
2. 2 电源线布置
电源线的布线要根据电流的大小，应在电路板的器件面和底面布线成90°，还要尽量加大导线宽度，采取电源
线、地线的走线方向与数据线的走线方向一致，减少存在噪声的单元和其他单元之间公共电源阻抗，有助于增强抗噪声能力。
3 、硬件抗干扰设计
系统硬件电路性能的好坏直接影响整个系统工作质量，应用硬件抗干扰措施是经常采用的一种有效方法。通过合理的硬件电路设计可以削弱或抑制绝大部分干扰。在单片机控制系统硬件抗干扰设计中，可以采用以下几种抗干扰措施。
3. 1 去耦电容配置
数字电路除了地线阻抗问题外，还存在电源线的阻抗问题。当数字电路受到高速跳变电流的作用时，也将产生阻抗噪声。可以在每一块集成电路芯片的要去耦的电源和地之间跨接去耦电容，以便随时充放电，一般选用0. 1 μF的独石电容。
3. 2 数字输入端的噪声抑制
数字电路输入端最危险的是脉冲噪声。因此抑制脉冲噪声是数字设备电磁兼容性设计着重考虑的因素。可以采用的方法有：在输入端接RC 滤波器和施密特集成电路，其中RC 滤波器的时间常数大于现场可能出现噪声的最大脉宽和小于信号宽度，这样既可抑制噪声，也不会丢失信号。在输入端通过加上拉电阻以及提高供电电源电压等措施提高输入端的电平来提高输入端的噪声容限。
而提高输出低电平的噪声容限则采用降低信号源内阻的方法，如使用放大倍数为1 的电压跟随器。三态数据缓冲器的低电平输出阻抗很低，还可以使用三态数据缓冲器，经过三态数据缓冲器驱动之后的信号具有较好的抑制低电平噪声能力。
为了防止工作现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到测控系统，主要考虑采用光电隔离技术，它以光为介质进行间接耦合，使夹杂在输入开关量中的各种干扰电磁脉冲挡在输入回路的一侧，因此具有较高的电气隔离和抗干扰能力。
3. 3 数字电路不用端的处理
当数字电路的输入端有多余而被闲置时，与高电平“1”的输入逻辑状态一致。但开路的输入端具有很高的输入阻抗，容易受到外部的电磁干扰，使悬浮端的电平有时处于“1”和“0”的过渡状态，引起逻辑电路的误导通。为保证系统运行安全，采用的方法有：（1）将不用的输入端固定在高电平上；（2）将不使用端与有用信号输入端并联接在一起。
3. 4 外围扩展存储器系统抗干扰处理方法
控制系统中配置的程序存储器及数据存储器芯片的信息电流大、工作频率高，设计时要着重考虑外界电磁干扰。主要是印制板电路中的抗干扰设计，可以采用的方法如下所述。
（1）数据线、地址线、控制线要尽量短，以减少对地产生的电容。特别考虑各条地址线的长短，布线方式应尽量一致，以免造成各线的阻抗差异过大，使地址信号在传输过程中到达终端时波形差异过大，形成控制信息的非同步干扰。
（2）由于开关噪声严重，因此考虑在电源的入口处，以及存储器芯片的VCC 和GND 之间接入去耦电容。
（3）由于负载的电流较大，因此电源线和地线要尽量加粗，走线尽量短。同时，印制板两面的三总线相互垂直，以防止总线之间的电磁干扰。
（4）在总线的始端和终端加上适合的上拉电阻，可以提高高电平的噪声容限，增加存储器端口在高阻状态下的
抗干扰能力和削弱反射波的干扰。
4 、软件抗干扰技术
窜入微机测控系统的干扰，其频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件抗干扰措施，只能抑制某个频率段的干
扰，仍有一些干扰会侵入系统 。因此，仅采取硬件抗干扰方法是不够的。单片机控制系统依赖于程序的执行来
完成数据采集和其他各种功能。一个细微的故障， 都有可能使程序跑飞或进入死循环，给系统带来不可预料的后果。因此采取软件抗干扰是十分必要的。软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到重视，为使程序混乱时重新步入正轨，程序设计中主要采取了以下几种方法。
4. 1 软件滤波算法
采用此种方法可以滤掉大部分由输入信号干扰而引起的采集错误。最常用的方法有算术平均值法、比较舍取
法、中值法、一阶递推数字滤波法。可以根据被测信号的特点，在不影响系统效率的情况下将多次采集的数据去掉一个最大值，去掉一个最小值，其余数据取平均值。这种方法大大增加了数据可靠性。
4. 2 指令冗余技术
如果单片机受到干扰的影响，程序寄存器PC 不是按正常情况下先取操作码，再取操作数，而是指向错误的字
节，将操作数当作操作码，程序将出错。只要在双字节指令和3 字节指令后加入几条单字节指令或将有效单字节指令重写就可以将PC 值纳入正轨。因为空操作指令（NOP）是单字节的，当程序跑飞到某条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令来执行的错误，可确保这些指令正确执行。
4. 3 设置软件陷阱
当乱飞程序进入非程序区, 冗余指令便无法起作用。利用一条无条件跳转指令强行将捕获的程序空间引向复
位地址进行处理：
NOP
NOP
LJMP 0000H
软件陷阱安置在：
（1）中断向量区，干扰因素的存在可以激活不希望出现的中断，所以在放大板单片机中断向量区加入软件陷
阱，以防止因中断而造成混乱；
（2）程序区及大量未使用的ROM 空间，程序区由于有大量的程序组成，不能随意设置陷阱，否则， 正常执行的程序也将陷入进去。程序区的陷阱应设置在程序执行的断裂点处。例如。可以在LJMP 、SJMP 、RET 等指令处设置陷阱。考虑到程序存贮器的容量，软件陷阱一般1 KB 空间有2 ～ 3 个就可以进行有效拦截。
在采用以上这些措施时，应综合考虑系统程序的执行效率，以取得最好的运行效果。
5、结束语
综上所述，抗干扰设计是单片机控制系统设计的重要环节， 其设计的好坏往往决定整个系统的成败。本文介绍
了印制电路板中地线和电源线的布线方法，从硬件和软件两个方面探讨了一些提高抗干扰能力的方法。这些方法有效可行， 在剑杆织机电子送经/电子卷取控制系统、生物医学信号数据采集系统等的实际应用中取得了良好的效果，使系统在现场成功运行。
