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單片機控制系統的抗干擾優(yōu)化設計
作者：
時(shí)間：2009-05-18
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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隨著(zhù)電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，促進(jìn)了微型計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應用。中小規模的單片機控制系統在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中的智能機電一體化產(chǎn)品得到了廣泛的應用。在單片機控制系統的設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們不單要突出設備的自動(dòng)化程度及智能性，另一方面也要重視控制系統的工作穩定性，否則就無(wú)法體現控制系統的優(yōu)越性。
1. 系統受到干擾的主要原因和現象
由于單片機控制系統應用系統的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復雜的，其應用的可靠性、安全性就成為一個(gè)非常突出的問(wèn)題。單片機控制系統應用必須長(cháng)期穩定、可靠地運行，否則將導致控制誤差加大，嚴重時(shí)會(huì )使系統失靈，甚至造成巨大的損失。
影響單片機控制系統應用的可靠、安全運行的主要因素是來(lái)自系統內部和外部的各種電氣干擾，以及系統結果設計、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造成的干擾后果主要表現在下述幾個(gè)方面。
?。?） 數據采集誤差加大。干擾侵入單片機控制系統測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號之上，會(huì )使數據采集誤差加大，特別是當傳感器輸出弱信號時(shí)干擾更加嚴重。
?。?） 控制狀態(tài)失靈。微機輸出的控制信號常依賴(lài)某些條件的狀態(tài)輸入信號和這些信號的邏輯處理結果。若這些輸入的狀態(tài)信號受到干擾，引入虛假狀態(tài)信號，將導致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。
?。?） 數據受干擾發(fā)生變化。單片機控制系統中，由于RAM存儲器是可以讀/寫(xiě)的，故在干擾的侵害下，RAM中的數據有可能被竄改。在單片微機系統中，程序及表格、常數存于程序存儲器中，避免了這些數據受到干擾破壞，但對于內RAM、外擴RAM中的數據都有可能受到外界干擾而變化。根據干擾竄入的途徑、受干擾數據的性質(zhì)不同，系統受損壞的情況也不同．有的造成數據誤差．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/計數器，串行口等）的工作狀態(tài)等。
?。?） 程序運行失常。單片機控制系統中程序計數器的正常工作，是系統維持程序正常運行的關(guān)鍵所在。如果外界干擾導致計數器的值改變，破壞了程序的正常運行。由于受到干擾后計數器的值是隨機的，因而導致程序混亂。通常的情況是程序將執行一系列毫無(wú)意義的指令，最后進(jìn)入死循環(huán)，這將使輸出嚴重混亂或系統失靈。
2. 系統可靠性設計的分析和方法
單片機控制系統應用的可靠性技術(shù)涉及到生產(chǎn)過(guò)程的方方面面，不僅與設計、制造、檢驗、安裝、維護有關(guān)，還與生產(chǎn)管理、質(zhì)量監控體系、使用人員的專(zhuān)業(yè)水平與素質(zhì)有關(guān)。這里主要是從技術(shù)角度分析提高系統可靠性的最常用方法。
導致系統運行不穩定的內部因素主要有以下三點(diǎn)：
?。?） 元器件本身的性能與可靠性。元器件是組成系統的基本單元，其特性好壞與穩定性直接影響整系統性能與可靠性。因此，在可靠性設計當中，首要的工作是精選元器件，使其在長(cháng)期穩定性、精度等級方面滿(mǎn)足要求。隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的可靠性不斷提高，現在小功率晶體管及中小規模IC芯片的實(shí)際故障大約為10×10-9/h。這為提高系統性能與可靠性提供了很好的基礎。
?。?） 系統結構設計。包括硬件電路結構和運行軟件設計。電路設計中要求元器件或線(xiàn)路布局合理以消除元器件之間的電磁耦合相互干擾，優(yōu)化的電路設計也可以消除或削弱外部干擾對整個(gè)系統的影響，如去耦電路、平衡電路等。同時(shí)也可以采用冗余結構，也稱(chēng)容錯技術(shù)或故障掩蓋技術(shù)，它是通過(guò)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〕數目來(lái)提高系統可靠性的一種設計方法。當某些元器件發(fā)生故障時(shí)也不影響整個(gè)系統的運行。對于消減外部電磁干擾，可采用電磁兼容設計，目的是提高單片機系統在電磁環(huán)境中的適應性，即能保持完成規定功能的能力。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。
軟件是微機系統區別于其它通用電子設備的獨到之處，通過(guò)合理編制軟件可以進(jìn)一步提高系統運行的可靠性。常用的軟件措施主要有：一是信息冗余技術(shù)，對單片機控制系統應用而言，保持信號信息和重要數據是提高可靠性的主要方面。為防止系統故障等原因而丟失信息，常將重要數據或文件多重化，復制一份或多份拷貝，并存于不同空間，一旦某一區間或某一備份被破壞，則自動(dòng)從其它部分重新復制，使信息得以恢復。二是時(shí)間冗余技術(shù)，為提高單片機控制系統應用的可靠性，可采用重復執行某一操作或某一程序，并將執行結果與前一次結果進(jìn)行比較對照來(lái)確認系統工作是否正常。只有當兩次結果相同時(shí)，才被認可，并進(jìn)行下一步操作。
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