软硬件双管齐下保安全
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作者: 刘艳竹
【摘要】单片机以其用途广价格低的高性价比高，在各个领域和行业的应用受到了广泛的欢迎，但单片机会受到各方面干扰。本文从对单片机干扰的来源入手，从硬件和软件两个方面对单片机抗干扰的方法设计进行了阐述，对如何提高单片机对干扰的影响和单片机的可靠性进行了研究，进一步找出解决的措施。
【关键词】单片机；抗干扰
【中图分类号】TN973.3 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）09-0040-02
一、单片机受干扰的因素和干扰产生的后果
由于运行环境的复杂多变，单片机很容易受到外来的干扰，工作的可靠性和安全性就会降低。
（一）干扰的因素和来源
复杂的现场环境是产生干扰的外在条件，干扰以脉冲的形式深入到单片机的系统中，对单片机造成了干扰。如在高压电或者是高频电磁场的环境中，干扰通过静电感应、电磁感应等形式进入到单片机系统的内部。电源的噪音引起供电系统的干扰，这种干扰的危害性极大。此外，过程通道的干扰，也是单片机干扰的重要因素，这种干扰是通过前向或后向通道甚至其他的主机通道实现的。在学校实验室，学生的操作不合理和使用不规范，会影响到单片机的抗干扰能力，例如对线路和设备不经意的损坏，以及对电源的不合理使用，下课时学生经常不按正确顺序而直接拔掉电源线使单片机工作中止，加上有的学生经常将手机和单片机放在一起应用，致使其他设备对单片机造成近距离的强大的干扰。
（二）干扰产生的后果
单片机在运行时出现干扰，会使采集数据的误差加大，尤其是传感器输出的信号比较微弱的时候，干扰的影响就更加严重，甚至引起死机等现象。另外，当控制系统的控制信号强大时，很难收到外界的干扰。而控制信号是依据一定的条件按照逻辑处理，当干扰影响了输入的状态信号，就会使虚假的信号趁虚而入，加大了误差，甚至导致控制系统失常。其次，干扰入侵单片机，RAM中那些可以读写的数据可能被篡改，由于受篡改的途径和受影响的程度不同，有可能造成程序的运行混乱，加之程序执行的通常是一系列的无意义的指令，导致系统陷入死循环，输出系统严重混乱，最终系统失灵。而学校是一次投资实验室，要每届学生一直延续使用下去，所以更要保证单片机运行的良好状态。
二、硬件抗干扰的技术
学校所用单片机使用+5V直流电源，而直流电源是220V交流电经过变压、整流、滤波和稳压等过程后形成的，因此，各过程很容易受到干扰。另外，220V交流电是共享的，受电源共享的影响，各个电子设备之间也会相互干扰。
（一）使用交流稳电压
在学生使用单片机时，交流稳电压和隔离变压器的共同使用，可以有效的减少单片机的干扰。为了防止干扰通过电源系统进入单片机的系统，可以使用交流稳电压，这样可以有效的保证供电的稳定性，避免了电源的过压或者欠压现象的发生。同时使用隔离变压器，目的是滤掉高频的噪音，滤掉音频的干扰。另外，开关电源也是有效的方式之一，同时保证足够的功率余量，在主机的运行过程中应用单独的稳压电路，将输出和输入供电区分开来，防止各个部分之间的相互干扰。
（二）隔离与屏蔽是抗干扰的有效手段
对信号进行隔离，这样就可以把电路上的干扰源与容易受到干扰的部分进行隔离。这就需要实验的场地必须是安全的，没有磁场等的影响，对各种干扰因素进行隔离进而切断了干扰的通道，从而避免了来自干扰现场的干扰。弱电和强电控制系统存在于单片机的应用系统中，通过将两者隔离，稳定了整个系统的工作，保证了设备的安全。在抗干扰的过程中，常见的隔离方式有以下几种：光电、变压器、继电器以及布线隔离等等，其中光电隔离是最常用和有效的隔离方式，将输入和输出进行隔离，不仅干扰的信号无法进入单片机的运行系统，而且单片机中的噪音也不会传播出来。
（三）复位电路设计
一般而言，单片机有一个用于系统复位的高电平有效的RST引脚，然而，电源的波动经常影响到复位电路。当电源受到干扰，电压就会随之下降，慢慢的降至低电平，复位端电位也会下降到低电平。这样就造成该引脚无法正常工作，单片机无法复位，因此，对复位机的改进可以有效的地质干扰的影响，在复位端和地之间并联一个滤波电路，可以减少电源波动对复位端的干扰。
（四）正确使用单片机
学校为了维修方便和不破坏主体电路，将单片机芯片安装在转接槽中，这样转接后效果当然不比直接焊接在电路板上，因此要求学生使用单片机的时候，严格按照操作说明使用，在使用之前必须先闭合开关，注意对各个线路的保护，不私自用手直接拆装芯片，不随意拆线搭线，以免使单片机的线路受到损坏，影响到单片机的正常工作。要避免单片机与其他干扰信号的设备的同时使用，因此在学校的实验过程中，要保证单片机工作环境的清洁和安全，同时多给学生强调基本的操作规范，不允许学生将手机等其他设备带进实验室，要求学生合理应用，减少对单片机的损坏，降低干扰。
三、软件抗干扰技术
软件方面的改进需要各单片机研究和使用者的不断努力，去开发和研制抗干扰能力强的软件，应用于单片机中，从内部增加单片机的抗干扰能力。
（一）指令冗余技术
单片机的内部程序中的计数器PC值最容易受到干扰。在较强的干扰下，PC值会发生变化并且不确定，这就导致了程序位置的偏移。处理这种情况，需要使用指令冗余的方法。可以将单字节的指令插在一些关键的地方，或者可以把有效的单字节指令重写，变为指令冗余。这样，就避免了程序的指令被多次执行，保证了单片机的系统工作步入正轨。
（二）软件滤波技术
通过采用滤波技术，可以避免传感器中干扰信号的影响，保证数据采集的正确性。对数据进行采样，去掉最大值而后最小值，求出平均值。这种方法，对由于脉冲干扰引起的采样值偏差有着过滤作用并且非常有效，可以滤去受随机干扰影响或者是传感器不稳定的影响而产生的误差。
（三）开发系统自检程序
应用单片机的领域，为了减少干扰对程序运行和系统工作的影响，需要开发系统的自检程序，对单片机内部的各种故障进行定期的检查和诊断，并随出现的问题作出合理的解决，进而提高单片机系统工作的可靠性和安全性。
（四）学校在单片机电脑中，安装保护程序
中职学生基础差，有些学生学习态度不够端正，很多学生做实验时不愿动手心不在焉，还有的趁老师不注意将私自携带的优盘内容拷贝入电脑，进行打游戏等与课堂无关的活动。更加严重的是，很多学生的优盘中携带了大量病毒，一旦通过电脑系统感染到单片机，后果不堪设想。因此学校在实验室电脑安装了保护程序，不允许外接优盘拷入系统，这样可以保证单片机电脑系统的纯洁安全，从而防患于未然。
（五）学校实验室采取单片机仿真器
由于单片机芯片要专门烧录，而学校教学一般采取一周两次理论一次实验课，不可能每周都烧录芯片，但又要学生练习编程，为此目的，学校采取了单片机仿真器，做实验时可适当采用仿真而不是直接用单片机芯片，一来避免了每次实验烧录的繁琐，二来减少了单片机使用的频率，更好地保护好单片机，以便延长单片机的使用周期。
【结语】：分析和实践证明，硬件方面和软件方面的抗干扰相辅相成，相互协调，可以提高单片机应用系统的抗干扰能力。硬件设施起着重要的作用，软件方面的设计作为补充，二者相互配合，不断提高单片机的抗干扰能力只有将两者有效的结合，才能保证单片机系统的长期可靠的运行。同时要加强对使用者的培训，做到合理规范使用单片机。
参考文献
[1]丁跃军，吴清荣，PIC单片机抗干扰设计技术[J]，机电技术，2011（02）
[2]张丽，樊文生，单片机应用系统的软件抗干扰策略[J]，通信技术，2008（41）
[3]赵静，单片机程序抗干扰的软件措施[J]，中国科技纵横，2010（18）
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