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【摘 要】随着科学技术的不断成熟与发展，单片机控制系统一定要具备较高灵敏度，才能发挥其应有作用。但与此同时，随着其灵敏度越高，越容易导致系统遭受干扰，因此抗干扰俨然已成为现阶段设计单片机控制系统时所必须要考虑的重要因素。文章通过对单片机控制系统遭受干扰主要来源进行分析和研究，对印制电路板中电源线以及地线分布方法进行介绍， 并从软件以及硬件两方面对其抗干扰设计进行详细阐述。
【关键词】单片机；抗干扰；灵敏度；印制电路板
当前，在强噪声背景之下，部分被测信号常常被淹没，无法有效完成测量工作。此外在现阶段工业现场应用中，往往存在诸多干扰源，它们大都以多种或者是单一方式存在于测控系统中，不仅对系统产生较强干扰，同时也使得系统性能指标过多的偏离既定设计要求，致使产生错误结果。所以研究和分析抗干扰技术已经成为完善和改进单片机控制系统过程中所急需要解决的问题。
一、系统干扰源分析
（一）现场干扰源
依据标准可以将电磁干扰分为辐射、传导两类。其中传导类型干扰主要利用金属、电感以及变压器与电容进行传播；而辐射类型干扰则主要利用多种途径进行传播，像设备外壳、外壳表面缝隙、连接电缆等，有时设备之间的一根连接导线都可作为辐射类型干扰的传播途径。此外传导干扰以及辐射干扰常并联发生，且可在干扰吸收方面相互转化。
以往，电磁干扰渗入测控系统途径主要为“场“，即干扰源能量利用磁场以及电场形式传输到测控系统。从本质上讲电场途径干扰即电容性耦合干扰。所产生干扰信号借助导线以及电路分布电容渗入到测控系统；而磁场途径干扰则为互感性耦合干扰，所产生信号借助于导线以及电路之间互感耦合渗入到测控系统。
（二）系统自身干扰源
为区别外部干扰，常将系统内部因材料、部件、器件等物理因素所产生的扰动称作噪声。若在设计系统时，没有从整体出发考虑、布局，致使系统内部元器件分布杂乱、器件之间联系不够合理，或者是元器件本质质量较差等原因，都会对测控系统造成一定干扰。当前单片机控制系统中，主要分为以下几种类型噪声：
1.按产生原因。（1）热噪声：它是指系统运行中，即使任何电阻不与电源相连接，其两端也存有微弱电压，而这种因电子热运动产生的电阻两端噪声即被称作热噪声。（2）散粒噪声：这种噪声常存于系统内部半导体元器件中。在该器件中，散粒噪声利用晶体管内部基区载流子进行随机扩散或者随机空穴发生而形成。（3）接触噪声：它是指系统中两种材料通过不完全接触，形成一种起伏电导率所产生的噪声。
2.按传导模式。（1）常规噪声：又被称作对称噪声或线间感应噪声。该种噪声常于两条线路之间往返，且常设N为噪声源，R则为设定为受扰设备，则UN视作噪声电压，IN、Is噪声电流，在两条线上的往返路径是是相一致的。消除这种噪声相对困难。（2）共模噪声：又被称作地感应噪声或者是纵向噪声。该种噪声常存在于地线与线路间。其噪声电流常分别部分流过两条线之上，并将地作公共回路，且相应信号电流只于两条线路中往返流过。从实质上讲，该种噪声可以被消除，但因线路存在的不平衡状态，常使这种共模噪声转化为常模噪声。其中线路N表示噪声源，L设为负载，而Z1以及Z2则为两条导线间的对地阻抗。若设定Z1=Z2，那么噪声电压VN1于VN2之间则完全相等，这就表示噪声电流Ix2以及Ix1不流过负载。但当Z1≠Z2时，则VN1≠VN2，同理IN1≠IN2，所以当VN1-VN2=VN，则VN/Zl=IN，这即为常模噪声。所以，当系统运行中存在常模噪声时，则首先考虑其是否因系统电路不稳定而从共模噪声转变而来。一般情况下，输出输入线同机壳或大地之间所产生的噪声都为共模噪声，有时信号线因受静电影响而产生的噪声也大都为共模噪声。抑制或降低共模噪声有多种方法，常見的有隔离、接地以及屏蔽等。
二、硬件抗干扰设计
（一）去藕电容配置
当前应用的数字电路除去常见的地线阻抗问题外，还面临着电阻线阻抗问题。当数字电路受相应高速跳变流作用时，即产生阻抗噪声。为有效抑制和降低这种噪声，可以在集成电路芯片实施去藕电源以及与地之间跨接时完成去藕电容，以实现随时充电、放电作业。操作时常选择011LF独石电容。
（二）抑制数字输入端噪声
对于数字电路输入端来讲，脉冲噪声最为危险，所以在对数字设备自身电磁兼容性进行设计时，应重点考虑抑制脉冲噪声问题。方法主要有：在其输入断连接相应巴特沃斯滤波器或施密特集成电路。不仅能够抑制噪声，同时也不会致使信号丢失。此外应在输入端添加相应拉电阻或者增强电源表电压，以扩大输入端噪声容限。对于扩大输出电平自身的噪声容限，则主要通过降低信号源内阻来实现。因三态数据缓冲器自身低电平输出阻抗相对较低，因此也可使用该类型缓冲器，来抑制噪声。通过数据缓冲器驱动所产声的信号拥有较强的抑制、降低低电平噪声的作用。
为了避免工作现场形成强电磁干扰或者因工频电压反串至测控系统中，主要选择使用光电隔离技术。这种技术常以光作介质实施间接耦合，从而使掺杂于输入开关中的干扰电磁脉冲都受阻于输入回路一侧，从而形成较强的电气隔离以及抗干扰能力。
三、软件抗干扰技术
（一）软件滤波算法
使用这种方法可以将大部分因输入信号干扰而导致的采集错误过滤掉。当前最常使用的方法只有中值法、比较舍取法以及算数平均法、二阶递推数字滤波法等等。依据被测信号自身特点，并在对系统效率不造成影响的情况下，去掉所采集数据中的一个最大值、最小值，取其剩余数据的平均值。通过这种方法极大提高了数据使用的可靠性。
（二）指令冗余技术
若单片机在运行中收到干扰影响，则相应程序寄存器PC无法依据正常指令进行先取码、后取操作数作业，而是将其指向出现错误字节，并将操作数为操作数码，致使程序出错。因此在碰到该种问题时，只需在双字节指令以及3字节指令后添加若干条单字节指令就可将PC值重新纳入到正轨。
四、总结：
现阶段，随着我国经济的不断发展于成熟，单片机已经被越来越多的应用到现代工业生产作业中，本文通过对单片机控制系统的干扰源进行分析和研究，为如何做好单片机控制系统的抗干扰设计提供了一定理论支持。
参考文献：
[1] 孙凯.单片机控制系统的抗干扰技术[J].宜宾学院学报，2008（06）.
[2] 秦鹏远.单片机的抗干扰设计[J].科技信息，2009（33）.z
作者简介：
王雅雪（19911221） 女 汉族 天津市 中南大学在校生 本科 电子信息
【关键词】单片机；抗干扰；灵敏度；印制电路板
当前，在强噪声背景之下，部分被测信号常常被淹没，无法有效完成测量工作。此外在现阶段工业现场应用中，往往存在诸多干扰源，它们大都以多种或者是单一方式存在于测控系统中，不仅对系统产生较强干扰，同时也使得系统性能指标过多的偏离既定设计要求，致使产生错误结果。所以研究和分析抗干扰技术已经成为完善和改进单片机控制系统过程中所急需要解决的问题。
一、系统干扰源分析
（一）现场干扰源
依据标准可以将电磁干扰分为辐射、传导两类。其中传导类型干扰主要利用金属、电感以及变压器与电容进行传播；而辐射类型干扰则主要利用多种途径进行传播，像设备外壳、外壳表面缝隙、连接电缆等，有时设备之间的一根连接导线都可作为辐射类型干扰的传播途径。此外传导干扰以及辐射干扰常并联发生，且可在干扰吸收方面相互转化。
以往，电磁干扰渗入测控系统途径主要为“场“，即干扰源能量利用磁场以及电场形式传输到测控系统。从本质上讲电场途径干扰即电容性耦合干扰。所产生干扰信号借助导线以及电路分布电容渗入到测控系统；而磁场途径干扰则为互感性耦合干扰，所产生信号借助于导线以及电路之间互感耦合渗入到测控系统。
（二）系统自身干扰源
为区别外部干扰，常将系统内部因材料、部件、器件等物理因素所产生的扰动称作噪声。若在设计系统时，没有从整体出发考虑、布局，致使系统内部元器件分布杂乱、器件之间联系不够合理，或者是元器件本质质量较差等原因，都会对测控系统造成一定干扰。当前单片机控制系统中，主要分为以下几种类型噪声：
1.按产生原因。（1）热噪声：它是指系统运行中，即使任何电阻不与电源相连接，其两端也存有微弱电压，而这种因电子热运动产生的电阻两端噪声即被称作热噪声。（2）散粒噪声：这种噪声常存于系统内部半导体元器件中。在该器件中，散粒噪声利用晶体管内部基区载流子进行随机扩散或者随机空穴发生而形成。（3）接触噪声：它是指系统中两种材料通过不完全接触，形成一种起伏电导率所产生的噪声。
2.按传导模式。（1）常规噪声：又被称作对称噪声或线间感应噪声。该种噪声常于两条线路之间往返，且常设N为噪声源，R则为设定为受扰设备，则UN视作噪声电压，IN、Is噪声电流，在两条线上的往返路径是是相一致的。消除这种噪声相对困难。（2）共模噪声：又被称作地感应噪声或者是纵向噪声。该种噪声常存在于地线与线路间。其噪声电流常分别部分流过两条线之上，并将地作公共回路，且相应信号电流只于两条线路中往返流过。从实质上讲，该种噪声可以被消除，但因线路存在的不平衡状态，常使这种共模噪声转化为常模噪声。其中线路N表示噪声源，L设为负载，而Z1以及Z2则为两条导线间的对地阻抗。若设定Z1=Z2，那么噪声电压VN1于VN2之间则完全相等，这就表示噪声电流Ix2以及Ix1不流过负载。但当Z1≠Z2时，则VN1≠VN2，同理IN1≠IN2，所以当VN1-VN2=VN，则VN/Zl=IN，这即为常模噪声。所以，当系统运行中存在常模噪声时，则首先考虑其是否因系统电路不稳定而从共模噪声转变而来。一般情况下，输出输入线同机壳或大地之间所产生的噪声都为共模噪声，有时信号线因受静电影响而产生的噪声也大都为共模噪声。抑制或降低共模噪声有多种方法，常見的有隔离、接地以及屏蔽等。
二、硬件抗干扰设计
（一）去藕电容配置
当前应用的数字电路除去常见的地线阻抗问题外，还面临着电阻线阻抗问题。当数字电路受相应高速跳变流作用时，即产生阻抗噪声。为有效抑制和降低这种噪声，可以在集成电路芯片实施去藕电源以及与地之间跨接时完成去藕电容，以实现随时充电、放电作业。操作时常选择011LF独石电容。
（二）抑制数字输入端噪声
对于数字电路输入端来讲，脉冲噪声最为危险，所以在对数字设备自身电磁兼容性进行设计时，应重点考虑抑制脉冲噪声问题。方法主要有：在其输入断连接相应巴特沃斯滤波器或施密特集成电路。不仅能够抑制噪声，同时也不会致使信号丢失。此外应在输入端添加相应拉电阻或者增强电源表电压，以扩大输入端噪声容限。对于扩大输出电平自身的噪声容限，则主要通过降低信号源内阻来实现。因三态数据缓冲器自身低电平输出阻抗相对较低，因此也可使用该类型缓冲器，来抑制噪声。通过数据缓冲器驱动所产声的信号拥有较强的抑制、降低低电平噪声的作用。
为了避免工作现场形成强电磁干扰或者因工频电压反串至测控系统中，主要选择使用光电隔离技术。这种技术常以光作介质实施间接耦合，从而使掺杂于输入开关中的干扰电磁脉冲都受阻于输入回路一侧，从而形成较强的电气隔离以及抗干扰能力。
三、软件抗干扰技术
（一）软件滤波算法
使用这种方法可以将大部分因输入信号干扰而导致的采集错误过滤掉。当前最常使用的方法只有中值法、比较舍取法以及算数平均法、二阶递推数字滤波法等等。依据被测信号自身特点，并在对系统效率不造成影响的情况下，去掉所采集数据中的一个最大值、最小值，取其剩余数据的平均值。通过这种方法极大提高了数据使用的可靠性。
（二）指令冗余技术
若单片机在运行中收到干扰影响，则相应程序寄存器PC无法依据正常指令进行先取码、后取操作数作业，而是将其指向出现错误字节，并将操作数为操作数码，致使程序出错。因此在碰到该种问题时，只需在双字节指令以及3字节指令后添加若干条单字节指令就可将PC值重新纳入到正轨。
四、总结：
现阶段，随着我国经济的不断发展于成熟，单片机已经被越来越多的应用到现代工业生产作业中，本文通过对单片机控制系统的干扰源进行分析和研究，为如何做好单片机控制系统的抗干扰设计提供了一定理论支持。
参考文献：
[1] 孙凯.单片机控制系统的抗干扰技术[J].宜宾学院学报，2008（06）.
[2] 秦鹏远.单片机的抗干扰设计[J].科技信息，2009（33）.z
作者简介：
王雅雪（19911221） 女 汉族 天津市 中南大学在校生 本科 电子信息