浅议单片机原理及其信号干扰处理措施

【摘要】本文通过对单片机的原理及其信号信息的干扰处理做了简要分析。针对单片机应用系统中普遍存在的信号干扰现象影响单片机的信息处理问题，结合应用实践，对信号干扰的来源，以及对信息处理造成的后果进行阐述，最后提出抗干扰的处理措施。

【关键词】单片机；信号干扰；处理措施

一、概述单片机

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器。单片机又称单片微控制器，单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。

二、单片机的应用领域

目前单片机渗透到人们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

单片机广泛应用的领域主要有：第一用在仪表上。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、频率、温度、流量、速度、硬度、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备。第二用在工业控制中。用单片机可以构成形式多样的控制系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。第三用在家电领域中。现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电冰箱、洗衣机、彩电、空调机和音响视频器材等等家电电器，都使用了单片机。第四用在网络通信领域中。现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。第五用在医学领域中。单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。第六用在各种大型电器中。某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。

此外，单片机在汽车设备领域中也得到了广泛的应用。单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，制动系统等等。此外，单片机其他领域，诸如工商，金融，科研、教育，国防航空航天等等都有十分广泛的用途。

三、单片机的信号干扰

相信很多人都有这样的经历：当将在实验室能正常模拟运行的系统投入工业现场进行实际运行时很多不能正常运行。其原因有很多，最主要的原因是在工业环境中有太多的干扰，且目前的单片系统没有很强的抗干扰能力。

1．单片机信号干扰源。所谓单片机信号干扰就是叠加在有用信号上的不需要的信号，是影响电路正常工作的另一种噪声。在各种实际环境中，干扰总是存在的这些干扰能降低电子系统的准确性甚至破坏其可靠性。这种干扰会严重影响单片机信息处理的能力。根据笔者的研究干扰的来源主要有以下三种。（1）空间干扰。空间干扰，又称场干扰。电磁信号通过空间辐射进入系统，多发生在高电压、大电流、高频电磁场附近，并通过静电感应，电磁感应等方式侵入系统内部。（2）供电系统干扰。电磁信号通过供电线路进入系统。供电系统干扰主要由电源的噪声和人为的干扰引起的。其中也有人为的干扰。如：机械振动、继电器触点抖动、可控硅通断、感生负载的投切、元器件安装及布线引起的电磁耦合、接插件接触不良、虚焊、放大器自激、电源纹波以及附近工作的电焊机、电动机启动、通过的汽车等。（3）过程通道干扰。过程通道干扰也称为传输途径的干扰，其通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的相互通道进入，一般沿各种线路侵入系统。一般情况下空间干扰在强度上远小于其它两种，此外，系统接地装置不可靠等，也是产生干扰的重要原因；各类传感器，输入输出线路的绝缘损坏也有可能引入干扰。

２．单片机信号干扰对信息处理产生的后果。信号干扰对信息处理产生的后果是指由于这些干扰降低了电子系统的准确性，进而导致信息处理的不稳定性和不准确性等。在这里主要列举了几类后果。（1）数据采集误差的加大。当干扰侵入单片机系统的前向通道叠加在信号上，会使数据采集误差增大，特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入时，此现象会更加严重。数据采集误差严重影响信息的准确性，有时是致命的伤害。（2）程序运行失常。通常程序运行失常表现为控制状态失灵和死机。前者指在单片机系统中，由于干扰的加入使输出误差加大，造成逻辑状态改变，最终导致控制失常。而后者主要发生在单片机系统受强干扰后，造成程序计数器PC值的改变，破坏程序正常运行，造成死循环。（3）定时不准以及数据发生变化。单片机内部程序指针错乱，使中断程序运行超出定时时间。RAM中计时数据被冲乱，使程序计算出错误的结果。在单片机应用系统中，由于外部RAM是可读写的，在干扰的侵入下，RAM中数据有可能发生改变，虽然ROM能避免干扰破坏，但单片机片内RAM以及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受干扰而变化，甚至EEPROM中的数据也可能误读写，使程序计算出错误的结果。

四、单片机信号抗干扰措施

抗干扰措施有硬件措施和软件措施。硬件措施如果得当，可将绝大部分干扰拒之门外，但仍然会有少数干扰进入微机系统，故软件措施作为第二道防线必不可少。由于软件抗干扰措施是以降低CPU效率为代价的，如果没有硬件消除绝大多数干扰，CPU将疲于奔命，无暇顾及正常工作，严重影响系统的工作效率和实时性。因此，一个成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合构成的。

1.常用的硬件抗干扰措施。一是选择抗干扰性能强的CPU；单片机和单片机抗干扰能力是不一样的。单片机的选择不光考虑硬件配置、存储容量等，更要选择抗干扰性能较强的单片机，如果是工作在干扰比较大的环境，可以试试选用不同品牌的单片机。二是隔离与屏蔽；信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离出来，使监控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。三是接地；这里的接地指接大地，也称作保护地。为单片机系统提供良好的地线对提高系统的抗干扰能力极为有益。特别是对有防雷击要求的系统，良好的接地至关重要。

２．常用的软件抗干扰措施。相比硬件抗干扰措施，软件的上的措施就显得相对简单些。开机自检，软件陷阱（程序“跑飞”检测），设置程序运行状态标记，输出端口刷新，输入多次采样，数据滤波，指令冗余和软件“看门狗”等。

五、结语

近年来，单片机以其体积小、智能化高、价格便宜，而被广泛应用于各工控装置中。但是，由于技术的限制等原因使得单片机的抗干扰性质比较差严重影响了信息的利用。虽然众多学者从各自的角度探讨这一问题，但笔者认为要真正解决单机片的抗干扰性质关键是要以硬件为主导，辅以软件研发出更高性能的单机片。

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