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单片机控制系统的干扰因素及控制策略研究
编辑:admin   时间:2019-08-28 14:16

一片单片机的外形以电脑主板相似但是略小,但是一片单片机并不是只能完成一个单独逻辑功能的芯片,在一片单片机上几乎具备了电脑主板所具备各类电子模块,只不过没有电脑主板上的集成化高,例如电脑主板上的液晶显示模块在单片机上则有数码管显示模块作为对应。单片机由于有着多种优点,能够被应用到生活中的各个位置,比如遥控器、家用电器、机械管控设备等,同样因为其应用范围广,使得单片机容易受到各种不适的工作环境干扰,所以对单片机控制系统的干扰因素及控制策略研究是十分有意义的。
1、单片机控制系统一般的干扰因素
1.1电磁干扰
单片机受到的电磁干扰一般可以分为两大类,即辐射型电磁干扰和传导型电磁干扰,一般辐射型电磁干扰的存在最为普遍,因为辐射型电磁干扰可以从设备的外壳上的裂缝、设备用来散热的通风口、电子元件之间连接的电缆、甚至是一根普通的导线。传导型电磁干扰则更多的是由变压器、电容、电感以及具有“场”的金属器件,由于电磁辐射的本质上是“场”对单片机的电子元件的消极影响,所以辐射型电磁干扰和传导型电磁干扰在一定程度上可以互相转化,外界的电磁干扰通过“场”来对单片机控制系统进行干扰。电场对单片机干扰的本质上是电容性的耦合,电场干扰一般是通过导线的分布电容对单片机的控制系统造成影响。而磁场因素对单片机控制系统干扰,其本质是互感性的耦合。以下是几种常见的电磁干扰因素:
1.1.1由电源线等高压电流产生的高频干扰
一般通过电压高的电流的电线电缆,很容易产生高频干扰,即高频率的电磁干扰,比如交流电输出电源、高频电力转换器、大型电力系统的节点甚至是自然界的雷电。在高频干扰源距离单片机较近时产生的干扰因素主要为传导型电磁干扰,在高频干扰源距离单片机较远时产生的干扰因素主要为辐射型电磁干扰。
1.1.2电感产生反电势的瞬变噪声干扰
和单片机配合进行工作的电器或者电子元件中,不免有一些较大电感量的装置,而这些较大电感量装置如电动机、继电器等在工作时,形成的反电势会产生一个瞬变磁场,从而造成单片机受到较为猛烈的电磁干扰,甚至有可能损坏单片机里的电子元件。
1.2单片机自身产生的噪声干扰
单片机自身结构的合理性也影响到单片机控制系统的干扰,由于单片机的内在原因,如材料质量、部件安放、线路走向等单片机自身的因素,都可能使单片机产生噪声或是震动干扰,从而对单片机控制系统产生干扰。产生其噪声干扰主要有:
1.2.1电阻噪音干扰
单片机内的电阻如果内部物质分布不均匀,则会使电阻中流过的电流的电压产生高低差,从而产生由于电流不均产生的电阻噪声,也叫热噪声或者白噪声。电阻噪声一般与电阻值、热力学温度和带宽的平均根成正比。
1.2.2半导体元件的散弹噪声
散弹噪声一般是由半导体中的通过的电子不均匀而引起的,其本质与半导体元件中电流不均相同。
1.2.3接触噪声
如果两种不同的材料接触时不完全接触,则能够引起导电率发生起伏,从而产生接触噪声。这种噪声一般容易产生于导体连接的地方,在低频电路中,这种噪声是主要的噪声干扰因素。
2、单片机内干扰效果的传输方式与途径
单片机受到干扰影响的区域主要为前向通道、后向通道以及CPU内核。
2.1前向通道的干扰传导
前行通道指的是单片机的主机输入处的那片区域的电路,也可以成为I/O口区域,就是单片机电信号的输入通道。在通常情况下,单片机内输入的电信号是较小的电信号,然后经过前向通道,由A/D转换电路和运放电路进行加工转换,在形成有效的信号被单片机内的检测器检测出。在这个过程中一旦受到干扰,或者干扰因素由前向通道传导,就会导致经过转换加工的有效信号失真,从而导致单片机内的接收器接收不到正确的信号或者无法接收到信号,从而出现错误,有不正确的信号经过单片机内的一个个电器元件的处理计算,使整个单片机的输出产生异常,从而干扰整个单片机的控制系统正常工作。
2.2后向通道的干扰传导
后向通道指的是单片机的输出区域,也就是输出通道,在后向通道上传递的电信号,一般都为高电平的电信号(单片机中输入的电信号一般为低电平,输出的信号一般为高电平),高电平的电信号比较稳定,抵抗干扰的能力更强,但是也不能不加防范,而且高电平的电信号如果出现差错,就容易对其他的电子元件造成影响。
2.3CPU内核的干扰传导
CPU作为单片机或者计算机的核心所在,必然是较精密的,但是越精密的仪器就越容易因为一点小问题损坏,如果CPU内核收到了干扰,那么就有可能影响多个进程,导致在运算的信号或是逻辑出现问题,从而使CPU内核对程序进行“胡编乱造”,从而导致程序出现死循环、失控或者直接死机的后果,所以干扰因素影响到CPU内核是比较严重的。
3、干扰因素对单片机控制系统能够产生的影响
3.1使数据测量误差变大
一旦单片机的控制系统收到了干扰,首先被测信号会产生小误差,然后经过单片机元件的叠加,导致最后输出的结果产生巨大的误差,而且无法确定误差产生的原因,可能会增加工作量却没有成效等。
3.2造成控制系统失灵
单片机的控制系统的基础是依靠输入的控制信号条件状态决定的,当输入的条件信号收到了干扰或者产生了误差,此时控制系统对这些有误差的条件信号或者受到了干扰的条件信号进行逻辑处理时会产生更大的误差,而且经过单片机内一个个元件的处理,误差的变动范围会逐步增大,很可能会导致单片机的控制系统失灵。
3.3导致E2PROM数据和RAM数据遭到破坏
E2PROM数据存储和RAM数据存储是单片机上外扩展存储器,一般情况下单片机的控制系统的运行程序和数据表格都存放在内部储存器EPROM或FLASH中,受到干扰破坏的可能性小,但是储存在E2PROM存储器和RAM存储中的数据容易受到干扰,导致数据错误或者数据被破坏。
3.4造成程序运行出现故障
当单片机的控制运行程序受到干扰,如果干扰因素对单片机上的计数器的PC值产生干扰,使其发生改变,那么运行的程序就会受到扭曲的影响,产生一系列没有计算意义的程序自动运行,导致单片机的控制程序进入“死循环”,会造成输出信号的严重误差,有时候甚至单片机无法工作,直接死机。
3.5以汽车右后门包边机的工作为例
汽车右后门包边机,其工作原理并不是十分复杂,该机械的控制系统中包括单片机、继电器、继电器驱动、光耦芯片以及串口通讯芯片等,其中单片机的应用即为51单片机,并且51单片机在汽车右后门包边机的应用中,51单片机表现较为良好,因为汽车右后门包边机的运行控制环境良好,并且该作业对控制系统要求不高。但是在作业中仍然可能出现控制系统受到干扰从而使机器停止工作的情况,例如微控制器以弱电信号控制强电信号进行工作,那么弱电信号是很容易被高频电流电压或者稍强的磁场干扰,所以在该系统中,电磁阀与单片机安装距离较远。
单片机的工作电压为5V,继电器的驱动电压为则为12V,为了避免强电对弱电的干扰,必须用光电耦合电路,通过对控制系统进行分析,最终选用TLP521-4光耦芯片。同时,为了避免通电断电瞬间的强变电流对单片机的影响和损害,必须选用合适的使继电器控制信号单向导通的控制芯片,例如74LS07芯片。所以在应用上,还应该从多方面进行保护和预防措施。
4、单片机控制系统的干扰因素的控制措施的探讨
对于单片机控制系统的干扰因素的控制,我认为可以从两方面来进行,第一个方面是硬件方面,第二个方面是软件方面。
4.1单片机接地
在单片机上,一些电子元件的I/O口有“VSS”的标志,这代表该引脚是接地引脚,但是如果想增加单片机的稳定性,单片机自身也需要进行接地:
①弱信号控制接地。在单片机中,弱信号一般都是低电平,低电平则更容易受到干扰因素的影响,所以要把单片机内控制系统较弱的区域、弱信号的逻辑运行、弱信号控制回路和连接的电源进行接地。
②大功率元件接地。这里的“大功率”是相对来说的,单片机中的“大功率”一般指运行电平为高电平(如STC89C52型号单片机运行电平分为0V和5V,其中0V为低电平,5V为高电平),而高电平则容易对低电平的电器元件产生干扰和影响,所以,单片机控制系统中的“大功率”电器元件例如电磁阀、驱动电源等一定要进行接地。
4.2安装电磁干扰的屏蔽结构
可以通过金属网、金属板、金属盒子等结构,利用“法拉第笼”原理,来对电磁型的干扰产生屏蔽。这类结构能够反射和吸收,然后形成稳定的平衡电场,从而减小或者屏蔽外界对单片机的电磁干扰。在选择材料的时候,一般选择导电性能较好、导磁性能较好的材料来制作。
4.3滤波器
滤波器能够一定程度上减弱干扰因素带来的误差,削弱一定的干扰因素,如滤波电容,可以在电源的输入端将滤波电容进行并联,并且可以再串联一个电感元件,使滤波电容工作更加稳定,提高滤波器工作效果。
4.4程序拦截技术
在单片机控制系统受到干扰而发生的程序错乱甚至进入“死循环”的问题,我们可以通过某种软件的拦截技术来进行控制,例如在编写程序的时候,多使用一些单字节程序编辑,也可以进行单字节程序重复,虽然这样会增加程序运行、逻辑运算的繁琐程度,但是也能够有效地避免单片机控制程序的错乱和“死循环”问题。
4.5看门狗技术
看门狗技术又叫做程序监视技术(WDT),程序监视技术是一种软件方面和硬件方面结合起来进行程序监视的技术,可以通过硬件与软件的结合,达到程序的抗干扰能力。看门狗的硬件部分一般是一个定时产生的计数器或者是t单稳,这类计数器或者t单稳都是独自运行,可以说不属于单片机的主要控制系统,所以在单片机的控制系统被干扰的时候,程序监控能够独立运行,控制CPU进行周期性的程序清零,阻止错误的运算或者毫无意义继续进行,达到对干扰因素的控制作用。
5、结束语
单片机技术在不断的进步,单片机的功能和能力在不断的增强,所以单片机对于使用环境的要求也在逐步上升,那么做好单片机控制系统的干扰因素的控制是十分有必要的,但是更多的、更加有效的单片机控制系统干扰因素的控制应该在一步步的实践中总结。


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