1、1第六章 计算机控制系统的抗干扰技术6.1 工业现场的干扰及对系统的影响在对生产过程的计算机控制过程当中，常常会因为各种各样的干扰导致控制不准确或失常。很多从事计算机控制的人员都会有这样的经历，当他把经过千辛万苦安装和调试好的样机投入工业现场进行运行时，却不能够正常工作。为什么在实验室调试时就很好，到了现场就不行呢，原因就是在生产现场的工业环境中有强大的干扰，微机系统如果没有采取抗干扰措施，或者措施不力。 （当然，还有其它原因，比如设计本身的不完善导致出错，或者在运输安装过程中对设备有所损坏，接线不正确等，但这类原因可以比较容易发现并迅速改正。 ）因此，抗干扰技术对于计算机控制系统来讲是非常重
2、要的。所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。在生产过程中，人们不断的积累各种抗干扰技术，可以分为硬件措施和软件措施。一个成功的抗干扰系统是硬件和软件相结合构成的。硬件抗干扰效率高，但要增加系统的投资和设备；软件抗干扰投资低，以 CPU 的开销为代价的，影响到系统的工作效率和实时性。6.1.1 干扰的来源微机控制系统所受到的干扰源分为外部干扰和内部干扰。1 外部干扰外部干扰指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定的，主要是空间电与磁的影响，环境温度，湿度等气象条件也是外来干扰。外部干扰的主要来源有：电源电网的波动、大型用电设备(如天车、电炉、大电机、电焊机等
3、)的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。2 内部干扰内部干扰则是由系统结构，制造工艺等决定的。内部干扰主要有：系统的软件干扰、分布电容或分布电感产生的干扰、多点接地造成的电位差给系统带来的影响等。长线传输的波反射，多点接地的电位差，元器件产生的噪声也属于内部干扰。6.1.2 干扰的作用途径1 传导耦合干扰由导线进入电路中称为传导耦合。电源线、输入输出信号线都是干扰经常窜入的途径。2 静电耦合干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。系统内部各导线之间，印刷线路板的各线条之间，变压器线匝之间及绕组之间以及元件之间、元件与导线之间都存在着分布电容。具有一定频率的干扰信号通过这
4、些分布电容提供的电抗通道穿行，2对系统形成干扰。3 电磁耦合电磁耦合是指在空间磁场中电路之间的互感耦合。因为任何载流导体都会在周围的空间产生磁场，而交变磁场又会在周围的闭合电路中产生感应电势，所以这种电磁耦合总是存在的，只是程度强弱不同而已。4 公共阻抗耦合公共阻抗耦合是指多个电路的电流流经同一公共阻抗时所产生的相互影响。例如系统中往往是多个电路共用一个电源，各电路的电流都流经电源内阻 Rn 和线路电阻 RL，Rn 和 RL 就成为各电路的公共阻抗。每一个电路的电流在公共阻抗上造成的压降都将成为其它电路的干扰信号。6.1.3 干扰的作用形式各种干扰信号通过不同的耦合方式进入系统后，按照对系统的
5、作用形式又可分为共模干扰和串模干扰。1 共模干扰(共态干扰)共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。所谓共模干扰是指 A/D 转换器两个输入端上公有的干扰电压。因为在计算机控制系统中，一般要用长导线把计算机发出的控制信号传送到现场的某个控制对象，或者把安装在某个装置中的传感器所产生的被测信号传送到计算机的模数转换器。因此，被测信号的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成的，如图 6.1 所示。图 6.1 共模干扰示意图 图 6.2 串
6、模干扰示意图2 串模干扰串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。图 6.2 描述了串模干扰的情况。共模干扰对系统的影响是转换成串模干扰的形式作用的。所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。被测信号是指有用的直流信号或缓慢变化的交变信号，而干扰噪声是指无用的变化较快的杂乱交变信号。36.2 硬件抗干扰技术6.2.1 共模干扰的抑制抑制共模干扰的主要方法是设法消除不同接地点之间的电位差。1. 变压器隔离利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不成回路，从而抑制了共模干扰。注意，隔离前和隔离后应分别采用
7、两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系，如图 6.3 所示。图 6.3 变压器隔离图2. 光电隔离光电隔离是利用光电耦合器完成信号的传送，实现电路的隔离，如图 6.4 所示。根据所用的器件及电路不同，通过光电耦合器既可以实现模拟信号的隔离，更可以实现数字量的隔离。注意，光电隔离前后两部分电路应分别采用两组独立的电源。光电耦合器有以下几个特点：首先，由于是密封在一个管壳内，不会受到外界光的干扰。其次，由于是靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系。第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入端的干扰信号变得很小。第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数
8、相比，一般很小，其发光二极管只有在通过一定的电流时才发光，如果没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效的抑制干扰信号。图 6.4 光电隔离图3. 浮地屏蔽采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。所谓浮地，就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。4. 采用具有高共模抑制比的仪表放大器作为输入放大器仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。46.2.2 串模干扰的抑制抑制串模干扰主要从干扰信号与工作信号的不同特性入手，针对不同情况采取相应的措施。1. 在输入回路中接入模拟滤波器如果串模干扰
9、频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，应采用带通滤波器。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二阶阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。 2. 使用双积分式 A/D 转换器当尖峰型串模干扰为主要干扰时，使用双积分式 A/D 转换器，或在软件上采用判断滤波的方法加以消除。双积分式 A/D 转换器对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，所以对尖峰干扰具有抑制能力。如果取积分周期等于主要串模干扰的周期或为主要串模干扰周期的整数倍，则通过积分比较变换后，
10、对串模干扰有更好的抑制效果。3. 采用双绞线作为信号线若串模干扰和被测信号的频率相当，则很难用滤波的方法消除。此时，必须采用其它措施，消除干扰源。通常可在信号源到计算机之间选用带屏蔽层的双绞线或同轴电缆，并确保接地正确可靠。采用双绞线作为信号引线的目的是减少电磁。双绞线能使各个小环路的感应电势相互抵消。一般双绞线的节距越小抗干扰能力越强。4. 电流传送当传感器信号距离主机很远时很容易引入干扰。如果在传感器出口处将被测信号由电压转换为电流，以电流形式传送信号，将大大提高信噪比，从而提高传输过程中的抗干扰能力。5. 对信号提早处理电磁感应造成的串模干扰，对被测信号尽可能的进行前置放大，从而达到提高
11、回路中信号噪声比的目的；或者尽可能早的完成 A/D 转换或者采取隔离和屏蔽措施。6. 选择合理的逻辑器件来抑制。一是采用高抗扰度逻辑器件，通过高阈值电平来抑制低噪声的干扰；二是采用低速的逻辑器件来抑制高频干扰。6.2.3 长线传输干扰的抑制在计算机控制系统中，由于数字信号的频率很高，很多情况下传输线要按长线对待。例如，对于 10ns 级的电路，几米长的连线应作为长线来考虑，而对于 ns 级5的电路，1 米长的连线就要当作长线处理。1.长线传输的干扰信号在长线中传输时会遇到三个问题：一是长线传输易受到外界干扰；二是具有信号延时；三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。当信号在长线
12、中传输时，由于传输线的分布电容和分布电感的影响，信号会在传输线内部产生向前进的电压波和电流波，称为入射波；另外，如果传输线的终端阻抗与传输线的波阻抗不匹配，那么当入射波到达终端时，便会引起反射；同样，反射波到达传输线始端时，如果始端阻抗不匹配，还会引起新的反射。这种信号的多次反射现象，使信号波形失真和畸变，并且引起干扰脉冲。2.抗干扰措施采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。（1）波阻抗 RP的求解为了进行阻抗匹配，必须事先知道传输线的波阻抗 RP，波阻抗的测量如图 6.5 所示。图 6.5 测量传输线波阻抗图图 6.6 终端匹配图0CLRP（2）终
13、端匹配最简单的终端匹配方法如图 6.6(a)所示，如果传输线的波阻抗是 RP，那么当R=RP 时，便实现了终端匹配，消除了波反射。此时终端波形和始端波形的形状相一致，只是时间上滞后。由于终端电阻变低，则加大负载，使波形的高电平下降，从而降低了高电平的抗干扰能力，但对波形的低电平没有影响。为了克服上述匹配方法的缺点，可采用图 6.6(b)所示的终端匹配方法。（3）始端匹配在传输线始端串入电阻 R，如图 6.7 所示，也能基本上消除反射，达到改善波形的目的。6图 6.7 始端匹配图6.2.4 CPU 抗干扰技术计算机控制系统的 CPU 抗干扰措施常常采用 Watchdog（看门狗） ，电源监控（掉
14、电检测及保护） ，复位等方法。常用的微处理器监控电路 MAX1232 来实现这些功能。1 MAX1232 的结构原理MAX1232 微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能。它通过监控微处理器系统电源供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性。如图 6.8A 所示，其引脚含义为：（1） ：按键复位输入。是一个反弹的（无锁的）手动复位输入，低PBRST电平有效输入，忽略小于 1ms 宽度的脉冲，确保识别 20ms 或更宽的输入脉冲。图 6.8 微处理器监控电路 MAX12327（2）TD：时间延迟，Watchdog 时基选择输入。TD=0V 时，；TD 悬空时， ；TD=V ss
15、 时， 。mstTD150mstTD60stTD2.1（3）TOL：容差输入。TOL 接地时选择 5的容差；TOL 接 Vcc 时选取 10的容差。（4）GND：地。（5）RST：复位输出。高电平有效。当下述情况发生时，RST 产生：若 Vcc 下降低于所选择的复位电压阈值，则产生 RST 输出；若 变低，则产生 RSTPBRST输出；若在最小暂停周期内 未选通，则产生 RST 输出；若在加电源期间，则产ST生 RST 输出。（6） ：复位输出。低电平有效。产生条件同 RST。RS（7） ：选通输入。Watchdog 定时器输入。T（8）V cc 为5V 电源。2 MAX1232 的主要功能（
16、1） 电源监控电压监测器监控 Vcc，每当 Vcc 低于所选择的容限时就输出并保持复位信号。（5容限时的电压典型时为 4.62V，10容限时的电压典型时为 4.37V。 ）当 Vcc 恢复到容许极限内，复位输出信号至少保持 250ms 的宽度，才允许电源供电并使微处理器稳定工作。（2） 按钮复位输入端靠手动强制复位输出，一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱PBRST动 ，忽略小于 1ms 宽度的脉冲，确保识别 20ms 或更宽的输入脉冲。（3） 监控定时器Watchdog 俗称 “看门狗” ，是工业控制器普遍采用的抗干扰措施。微处理器用一根 I/O 线来驱动 输入端（其时间取决于 TD 的选
17、择） ，以便来检测正常的软件ST执行。如果一个硬件或软件的失误导致 没有被触发，在一个最小的超时时间间ST隔内，MAX1232 的复位输出 RST 有效，至少保持 250ms 的宽度。 3 掉电保护和恢复运行电网瞬间断电或电压突然下降将使微机系统陷入混乱状态，电网电压恢复正常后，微机系统难以恢复正常。掉电信号由监控电路 MAX1232 检测得到，加到微处8理器的外部的外部中断输入端。在软件中将掉电中断规定为高级中断，使系统能够及时对掉电作出反应。在掉电中断服务子程序中，首先进行现场保护，把当时的重要参数，中间结果，某些专用寄存器的内容转移到专用的有后备电源的 RAM 中。其次是对有关外设作出妥
18、善的处理，如关闭各输入输出接口，使外设处于某一个非工作状态等。最后必须在专用的有后备电源的 RAM 中某一个或两个单元上作出特定标记即掉电标记。为保证掉电子程序能顺利执行，掉电检测电路必须在电源电压下降到 CPU 最低工作电压之前就提出中断申请，提前时间为几百微秒至数毫秒。当电源恢复正常时，CPU 重新上电复位，复位后应首先检查是否有掉电标记，如果没有，按一般开机程序执行。如果有掉电标记，不应将系统初始化，而应按照掉电中断服务子程序相反的方式恢复现场，以一种合理的安全方式使系统继续未完成的工作。6.3 系统供电与接地技术6.3.1 供电技术计算机控制系统的供电一般采用图 6.9 所示的结构。为
19、了抑制电网电压的波动影响而设置交流稳压器，保证 220V 交流供电。交流电网频率为 50Hz，其中混杂了部分高频干扰信号，为此采用低通滤波器让 50Hz 的基波通过，而滤掉高频干扰信号。最后由直流稳压电源给计算机供电，建议采用开关电源。开关电源用调节脉冲宽度的办法调整直流电压，调整管以开关方式工作，功耗低。计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将会影响生产。为此，可采用不见断 UPS，其结构图如图 6.10 所示。正常情况下由交流电网供电，同时电池组处于浮充状态。如果交流电网供电中断，电池组经逆变器输出交流代替外界的交流供电，这是一种无触点的不见断切换。UPS 是用电池组作为后备电源。6.3
20、.2 电源系统的抗干扰技术1 抗干扰稳压电源的设计交流交流稳压器稳压器低通低通滤波器滤波器直流直流稳压器稳压器计算机计算机220V AC图 6.9 一般供电结构电池充电器电池组 逆变器 计算机交流稳压器控制器 直流稳压器220V AC图 6.10 具有不间断电源的供电结构9微机常用的直流稳压电源如图 6.11 所示。该电源采用了双隔离、双滤波和双稳压措施，具有较强的抗干扰能力，可用于一般工业控制场合。图 6.11 抗干扰直流稳压电源示意图(1) 隔离变压器隔离变压器的作用有两个：其一是防止浪涌电压和尖峰电压直接窜入而损坏系统；其二是利用其屏蔽层阻止高频干扰信号窜入。为了阻断高频干扰经耦合电容传
21、播，隔离变压器设计为双屏蔽形式，原副边绕组分别用屏蔽层屏蔽起来，两个屏蔽层分别接地。这里的屏蔽为电场屏蔽，屏蔽层可用铜网、铜箔或铝网、铝箔等非导磁材料构成。(2) 低通滤波器各种干扰信号一般都有很强的高频分量，低通滤波器是有效的抗干扰器件，它允许工频 50Hz 电源通过，而滤掉高次谐波，从而改善供电质量。低通滤波器一般由电感和电容 组成，在市场上有各种低通滤波器产品供选用。一般来说，在低压大电流场合应选用小电感大电容滤波器，在高压小电流场合，应选大电感小电容滤波器。(3) 交流稳压器交流稳压器的作用是保证供电的稳定性，防止电源电压波动对系统的影响。(4) 电源变压器电源变压器是为直流稳压电源提
22、供必要的电压而设置的。为了增加系统的抗干扰能力，电源变压器做成双屏蔽形式。(5) 直流稳压系统直流稳压系统包括整流器、滤波器、直流稳压器和高频滤波器等几部分，常用的直流稳压电路如图 6.12 所示。10图 6.14 汇流法接地图 6.12 直流稳压系统电路图一般直流稳压电源用的整流器多为单相桥式整流，直流侧常采用电容滤波。图中 C1 为平滑滤波电容，常选用几百几千 F 的电解电容，用以减轻整流桥输出电压的脉动。C2 为高频滤波电容，常选用 0.010.1F 的瓷片电容，用于抑制浪涌的尖峰。作为直流稳压器件，现在常用的就是三端稳压器 78XX 和 79XX 系列芯片，这类稳压器结构简单，使用方便
23、，负载稳定度为 15mV，具有过电流和输出短路保护，可用于一般微机系统。三端稳压电源的输出端常接两个电容 C3 和 C4，C3 主要起负载匹配作用，常选用几十几百 F 的电解电容；C4 中抗高频干扰电容，常选取0.010.1F 的瓷片电容。简易直流稳压电源结构如图 6.13 所示。图 6.13 简易直流稳压电源示意图2 电源系统的异常保护(1) 不间断电源 UPS在正常情况下，由交流电网向微机系统供电，并同时给 UPS 的电池组充电。一旦交流电网出现断电，则不间断电源 UPS 自动切换到逆变器供电，逆变器将电池组的直流电压逆变成为与工频电网同频的交流电压，此电压送给直流稳压器后继续保持对系统的
24、供电。(2) 连续备用供电系统连续备用供电系统是由柴油发电机供电，在两种供电系统转换期间，由电池完成平稳过渡，以避免电源更换对系统的冲击。6.3.3 接地技术1 微机控制系统中的地线(1) 数字地，也叫逻辑地。它是微机系11统中各种 TTL、CMOS 芯片及其它数字电路的零电位。数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的影响。(2) 模拟地。它是放大器，A/D，D/A 转换器中的模拟电路零电位。(3) 安全地。安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身和设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，屏蔽地(4) 系统地。是上述几种地的最终
25、回流点，直接与大地相连。(5) 直流地。直流电源的地线。(6) 交流地。交流 50Hz 电源的地线，它是噪声地。交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定。因此，交流地要绝对与上述地线分开。2 常用的接地方法（1） 一点接地和多点接地对于信号频率小于 1MHz 的低频电路，其布线和元器件间的电感影响较小，地线阻抗不大，而接地电路形成的环流有较大的干扰作用，因而应采用一点接地，防止地环流的产生。当信号频率大于 10MHz 时，布线与元器件间的电感使得地线阻抗变得很大。为了降低地线阻抗，应采用就近多点接地。如果信号频率在 110MHz之间，当地线长度不超过信号波长的 1/20 时
26、，可以采用一点接地，否则就要多点接地。由于在工业过程控制系统中，信号频率大都小于 1MHz，故通常采用一点接地。（2） 模拟地和数字地的连接图 6.15 并联一点接地图 6.16 串联一点接地12图 6.17 模拟地与数字地的连接线路图图 6.18 外壳接地，机芯浮空数字地主要是指 TTL 或 CMOS 芯片、I/O 接口芯片、CPU 芯片等数字逻辑电路的地端，以及 A/D、D/A 转换器的数字地。而模拟地则是指放大器、采样/保持器和A/D、D/A 中模拟信号的接地端。在微机控制系统中，数字地和模拟地必须分别接地，然后仅在一点处把两种地连接起来。否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源
27、，将会对模拟信号产生影响。其连接线路如图 6.17 所示。（3） 主机外壳接地为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于 50M，即机内信号地浮空。（4） 多机系统的接地在计算机网络系统中，多台计算机之间相互通信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网络无法正常运行。近距离的可以采用多机一点接地方法。6.4 软件抗干扰技术6.4.1 软件出错对系统的危害1. 数据采集不可靠在数据采集通道，尽管我们采取了一些必要的抗干扰措施，但在数据传输过程中仍然会有一些干扰侵入系统，造成采集的数据不准确形成误差。2. 控制失灵一般情况下，控制状态的输出是通过微机
28、控制系统的输出通道实现的。由于控过程通道 打印机主机 绘图仪 操作台图 6.19 多机系统的接地13制信号输出功率较大，不易直接受到外界干扰。但是在微机控制系统中，控制状态的输出常常取决于某些条件状态的输入和条件状态的逻辑处理结果，而在这些环节中，由于干扰的侵入，可能造成条件状态偏差、失误，致使输出控制误差加大，甚至控制失灵。3. 程序运行失常微型计算机系统引入强干扰后，程序计数器 PC 的值可能被改变，因此会破坏程序的正常运行。被干扰后的 PC 值是随机的，这将引起程序执行一系列毫无意义的指令，最终可能导致程序“死循环” 。6.4.2 数字滤波方法数字滤波是提高数据采集系统可靠性最有效的方法
29、，因此在微机控制系统中一般都要进行数字滤波。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点：(1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好；(2)数字滤波可以对频率很低(如 0.01Hz)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷；(3)数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。1. 程序判断滤波法(1) 限幅滤波法限幅滤波的做法是把两次相邻的采样值相减，求出其增量(以绝对值表示)，然后与两次采样允许的最大差值(由
30、被控对象的实际情况决定)Y 进行比较。若小于或等于 Y，则取本次采样值；若大于 Y，则仍取上次采样值作为本次采样值，即Y(k)-Y(k-1)Y,则 Y(k)=Y(k)，取本次采样值Y(k)-Y(k-1)Y,则 Y(k)=Y(k-1)，取上次采样值其中，Y(k)是第 k 次采样值；Y(k-1)是第(k-1)次采样值；Y 是相邻两次采样值所允许的最大偏差，其大小取决于采样周期 T 及 Y 值的动态响应。(2)限速滤波法限速滤波是用三次采样值来决定采样结果。其方法是，当Y(2)-Y(1)Y时，再采样一次，取得 Y(3)，然后根据Y(3)-Y(2)与 Y 的大小关系来决定本次采样值。具体判别式如下：设
31、顺序采样时刻 t1,t2,t3 所采集的参数分别为 Y(1)，Y(2)，Y(3)，那么当Y(2)-Y(1)Y 时，取 Y(2)输入计算机；14当Y(2)-Y(1)Y 时，Y(2)不采用，但仍保留，继续采样取得 Y(3)；当Y(3)-Y(2)Y 时，取 Y(3)输入计算机；当Y(3)-Y(2)Y 时，取 Y(2)= （Y(2)+Y(3)）/ 2 输入计算机。2. 中值滤波法这种滤波法是将被测参数连续采样 N 次(一般 N 取奇数)，然后把采样值按大小顺序排列，再取中间值作为本次的采样值。3. 算术平均值滤波法这种方法就是在一个采样期内，对信号 x 的 N 次测量值进行算术平均，作为时刻 k 的输
32、出。 Nixx1)(4. 加权平均值滤波算术平均值对于 N 次以内所有的采样值来说，所占的比例是相同的，亦即取每次采样值的 1/N。有时为了提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，然后再相加，此方法称为加权平均值法。并且：其中 C0，C 1，C N-1为各次采样值的系数，它体现了各次采样值在平均值中所占的比例。5. 滑动平均值滤波法不管是算术平均值滤波，还是加权平均值滤波，都需连续采样 N 个数据，这种方法适合于有脉动干扰的场合。但是由于必须采样 N 次，需要时间较长，故检测速度慢。为了克服这一缺点，可采用滑动平均值滤波法，即依次存放 N 次采样值，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢掉，
33、然后求包含新值在内的 N 个数据的算术平均值或加权平均值。6. 惯性滤波法前面讲的几种滤波方法基本上属于静态滤波，主要适用于变化过程比较快的参数，如压力、流量等。但对于慢速随机变量采用短时间内连续采样求平均值的方法，其滤波效果往往不够理想。为了提高滤波效果，可以仿照模拟滤波器，用数字形式实现低通滤波。一阶 RC 滤波器的传递函数为 sTsGf1)(其中滤波时间常数 RCTf 10niiCinixky1)(15图 6.20 多次读入流程图离散化为 )()1()kuxTkxf 整理可得：)()1()ukx其中 u(k)为采样值，x(k)为滤波器的计算输出值， Tf为滤波系数，显然 01,T 为采样
34、周期。7. 复合数字滤波复合滤波就是把两种以上的滤波方法结合起来使用。例如把中值滤波的思想与算术平均的方法结合起来，就是一种常用的复合滤波法。具体方法是首先将采样值按大小排队，去掉最大和最小的，然后再把剩下的取平均值。这样显然比单纯的平均值滤波的效果要好。6.4.3 输入/输出软件抗干扰措施1. 开关量(数字量)信号输入抗干扰措施对于开关量的输入，为了确保信息准确无误，在软件上可采取多次读取的方法(至少读两次)，认为无误后再行输入，如图6.20 所示。2. 开关量(数字量)信号输出抗干扰措施当计算机输出开关量控制闸门、料斗等执行机构动作时，为了防止这些执行机构由于外界干扰而误动作，比如已关的闸
35、门、料斗可能中途打开；已开的闸门、料斗可能中途突然关闭。对于这些误动作，可以在应用程序中每隔一段时间(比如几个 ms)发出一次输出命令，不断地关闭闸门或者开闸门。这样，就可以较好地消除由于扰动而引起的误动作(开或关)。6.4.4 软件冗余技术1. 数据冗余RAM 数据冗余就是将要保护的原始数据在另外两个区域同时存放，建立两个备份，当原始数据块被破坏时，用备份数据块去修复。备份数据的存放地址应远离原始的存放地址以免被同时破坏。数据区也不要靠近栈区，以防止万一堆栈溢出而冲掉数据。162. 程序冗余(指令冗余)当 CPU 受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。当程序弹飞到某一单
36、字节指令上时，便自动纳入正轨。当弹飞到某一双字节指令上时，有可能落到其操作数上，从而继续出错。当程序弹飞到三字节指令上时，因它有两个操作数，继续出错的机会更大。因此，我们应多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令(NOP)或将有效单字节指令重复书写，这便是软件冗余（指令冗余） 。指令冗余发生的条件：一是弹飞的程序必须落到程序区；二是必须保证能够执行到冗余指令。指令冗余技术可以减少程序弹飞的次数，使其很快纳入程序轨道，但这并不能保证程序纳入正常轨道后就太平无事了，也不能保证在失控期间不敢坏事，要想解决此问题就要用到下面的软件抗干扰技术。6.4.5 程序运行失常的软件抗干扰为了防止
37、“死机” ，一旦发现程序运行失常后能及时引导程序恢复原始状态，必须采取一些相应的软件抗干扰措施。1. 设置软件陷阱当干扰导致程序计数器 PC 值混乱时，可能造成 CPU 离开正确的指令顺序而跑飞到非程序区去执行一些无意义地址中的内容，或进入数据区，把数据当作操作码来执行，使整个工作紊乱，系统失控。针对这种情况，可以在非程序区设置陷阱，一旦程序飞到非程序区，很快进入陷阱，然后强迫程序由陷阱进入初始状态。所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错处理的程序。软件陷阱安排在以下 4 种地方：（1）未使用的中断向量区；(2)未使用的大片 ROM 空间
38、；(3)表格；(4)非程序区。2. 设置监视跟踪定时器监视跟踪定时器，也称为看门狗定时器(Watchdog)，可以使陷入“死机”的系统产生复位，重新启动程序运行。这是目前用于监视跟踪程序运行是否正常的最有效的方法之一，近来得到了广泛的应用。每一个微机控制系统都有自己的程序运行周期。在初始化时，将 Watchdog 定时器的时间常数定为略大于程序的运行周期，并且在程序运行的每个循环周期内，每次都对定时器重新初始化。如果程序运行失常，跑飞或进入局部死循环，不能按正常循环路线运行，则 Watchdog 定时器得不到及时的重新初始化而使定时时间到，引起定时中断，在中断服务程序中将系统复位，再次将程序的运行拉入正常的循环轨道。
