《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)》課件-第6章

第6章抗干擾技術(shù)6.1干擾的來源與傳播途徑6.2干擾的作用形式6.3硬件抗干擾措施6.4軟件抗干擾措施小結(jié)

6.1干擾的來源與傳播途徑6.1.1干擾的來源1.外部干擾外部干擾由使用條件和外部環(huán)境因素決定。外部干擾環(huán)境如圖6-1所示。外部干擾主要有:天電干擾,例如雷電或大氣電離作用以及其他氣象引起的干擾電波;天體干擾,例如太陽或其他星球輻射的電磁波;電氣設(shè)備的干擾,例如廣播電臺或通信發(fā)射臺發(fā)出的電磁波、動力機(jī)械、高頻爐、電焊機(jī)等都會產(chǎn)生干擾。此外,熒光燈、開關(guān)、電流斷路器、過載繼電器、指示燈等具有瞬變過程的設(shè)備也會產(chǎn)生較大的干擾;來自電源的工頻干擾也可視為外部干擾。

圖6-1外部干擾設(shè)備

2.內(nèi)部干擾

內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造工藝所引入的。內(nèi)部干擾環(huán)境如圖6-2所示。內(nèi)部干擾主要有:分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng),電磁場輻射感應(yīng),長線傳輸造成的波反射;多點(diǎn)接地造成的電位差引入的干擾;裝置及設(shè)備中各種寄生振蕩引入的干擾,以及熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等引入的干擾;還有元器件產(chǎn)生的噪聲等。

圖6-2內(nèi)部干擾環(huán)境

6.1.2干擾的傳播途徑

1.靜電耦合

靜電耦合是電場通過電容耦合途徑竄入其他線路形成的。兩根并排的導(dǎo)線之間會構(gòu)成分布電容,如印制線路板上印制線路之間、變壓器繞線之間都會構(gòu)成分布電容。圖6-3為兩根平行導(dǎo)線之間靜電耦合的示意電路,C12是兩個導(dǎo)線之間的分布電容,C1g、C2g是導(dǎo)線對地的電容,R是導(dǎo)線2對地電阻。如果導(dǎo)線1上有信號U1存在,那么它就會成為導(dǎo)線2的干擾源,在導(dǎo)線2上產(chǎn)生干擾電壓Un。顯然,干擾電壓Un與干擾源U1以及分布電容C1g、C2g的大小有關(guān)。

圖6-3兩根平行導(dǎo)線之間的靜電耦合

2.磁場耦合

空間的磁場耦合是通過導(dǎo)體間的互感耦合產(chǎn)生的。在任何載流導(dǎo)體周圍空間中都會產(chǎn)生磁場,而交變磁場會對其周圍的閉合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢。圖6-4是兩根導(dǎo)線平行架設(shè)時(shí)

的磁場干擾。

圖6-4兩根導(dǎo)線平行架設(shè)時(shí)的磁場干擾

3.公共阻抗耦合

公共阻抗耦合發(fā)生在兩個電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時(shí),一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路,從而產(chǎn)生干擾噪聲。圖6-5為公共電源線的阻抗耦合示意圖。

圖6-5公共電源線的阻抗耦合

6.2干擾的作用形式

6.2.1串模干擾電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)的干擾都和信號串聯(lián)有關(guān),也就是以串模干擾的形式出現(xiàn)。串模干擾是指干擾電壓與有效信號串聯(lián)疊加后作用到儀表上的干擾。它通常來自于高壓輸電線、與信號線平行鋪設(shè)的電源線及大電流控制線所產(chǎn)生的空間磁場。串模干擾又被稱作差模干擾。其示意圖如圖6-6所示。

圖6-6-串模干擾示意圖

6.2.2共模干擾

共模干擾是在電路輸入端相對公共接地點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干擾,即輸入通道上共有的干擾電壓,所以也被稱為共態(tài)電壓、對地干擾、縱向干擾、同向干擾等。共模干擾主要是由電源的地、放大器的地以及信號源的地之間的傳輸線上的電壓降造成的,如圖6-7所示。圖6-7共模干擾示意圖

6.3硬件抗干擾措施

6.3.1串模干擾的抑制串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲,即干擾源串聯(lián)在信號源回路中。其表現(xiàn)形式與產(chǎn)生原因如圖6-8所示。圖中Us為信號源,Un為串模干擾電壓,鄰近導(dǎo)線(干擾線)有交變電流Ia流過。由Ia

產(chǎn)生的電磁干擾信號會通過分布電容C1和C2的耦合引至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入端。

圖6-8串模干擾

1.雙絞線作信號引線

雙絞線由兩根互相絕緣的導(dǎo)線扭絞纏繞組成,為了增強(qiáng)抗干擾能力,可在雙絞線的外面加金屬編織物或護(hù)套形成屏蔽雙絞線。圖6-9為帶有屏蔽護(hù)套的多股雙絞線實(shí)物。

采用雙絞線作信號線,是因?yàn)橥饨珉姶艌鰰陔p絞線相鄰的小環(huán)路上形成相反方向的感應(yīng)電勢,從而互相抵消減弱干擾作用。雙絞線相鄰的扭絞處之間為雙絞線的節(jié)距,雙絞

線不同的節(jié)距會對串模干擾起到不同的抑制效果,如表6-1所示。

圖6-9帶有屏蔽護(hù)套的多股雙絞線

2.引入濾波電路

采用硬件濾波器抑制串模干擾是一種常用的方法。根據(jù)串模干擾頻率與被測信號頻率的分布特性,可以選用低通、高通、帶通等濾波器。如果干擾頻率比被測信號頻率高,則選用低通濾波器;如果干擾頻率比被測信號頻率低,則選用高通濾波器;如果干擾頻率落在被測信號頻率的兩側(cè),則需用帶通濾波器。一般采用電阻R、電容C、電感L等無源元件構(gòu)成濾波器。圖6-10(a)所示為在模擬量輸入通道中引入的一個無源二級阻容低通濾波器,但它的缺點(diǎn)是對有用信號也會有較大的衰減。為了把增益與頻率特性結(jié)合起來,對于小信號可以采取以反饋放大器為基礎(chǔ)的有源濾波器,它不僅可以達(dá)到濾波效果,而且能夠提高信號的增益,如圖6-10(b)所示。

圖6-10分立元件構(gòu)成濾波器

6.3.2共模干擾的抑制

共模干擾是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入通道中信號放大器兩個輸入端上共有的干擾電壓,它可以是直流電壓,也可以是交流電壓,其幅值可達(dá)幾伏甚至更高,這取決于現(xiàn)場產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和計(jì)算機(jī)等設(shè)備的接地情況。其表現(xiàn)形式與產(chǎn)生原因如圖6-11所示。圖6-11共模干擾

共模干擾產(chǎn)生的原因是不同“地”之間存在的電壓,以及模擬信號系統(tǒng)對地的漏阻抗,那么,共模干擾電壓的抑制方法就應(yīng)當(dāng)是有效地隔離兩個地之間的電聯(lián)系,以及對被測信號的雙端采用差動輸入方式。具體的有變壓器隔離、光電隔離與浮地屏蔽3種措施。

1.變壓器隔離

利用變壓器把現(xiàn)場信號源的地與計(jì)算機(jī)的地隔離開來,也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開,此時(shí)被測信號通過變壓器耦合獲得通路,而共模干擾電壓由于不成回路而得到有效的抑制。

要注意的是,隔離前和隔離后應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源,以切斷兩部分的地線聯(lián)系,如圖6-12所示。被測信號Us經(jīng)雙絞線引到輸入通道中的放大器,放大后的直流信號Us1先通過調(diào)制器變換成交流信號,經(jīng)隔離變壓器T由原邊傳輸?shù)礁边?然后用解調(diào)器再將它變換為直流信號Us2,再對Us2進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這樣,被測信號通過變壓器的耦合獲得通路,而共模電壓由于變壓器的隔離無法形成回路而得到有效的抑制。

圖6-12變壓器隔離

2.光電隔離

光電耦合隔離器是目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最常用的一種抗干擾方法。利用光耦隔離器的開關(guān)特性,可傳送數(shù)字信號使其隔離電磁干擾,即在數(shù)字信號通道中進(jìn)行隔離。開關(guān)量

輸入信號調(diào)理電路中,光耦隔離器不僅把開關(guān)狀態(tài)送至主機(jī)數(shù)據(jù)口,而且可實(shí)現(xiàn)外部與計(jì)算機(jī)的完全電隔離;在繼電器輸出驅(qū)動電路中,光耦隔離器不僅可以把CPU的控制數(shù)據(jù)信

號輸出到外部的繼電器,而且可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部的完全電隔離。

其實(shí)在模擬量輸入/輸出通道中也主要應(yīng)用這種數(shù)字信號通道的隔離方法,即在A/D轉(zhuǎn)換器與CPU或CPU與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號之間插入光耦隔離器,以進(jìn)行數(shù)據(jù)信號和控制信號的耦合傳送,如圖6-13所示。

圖6-13光耦隔離器

利用光耦隔離器的線性放大區(qū),也可傳送模擬信號而隔離電磁干擾,即在模擬信號通道中進(jìn)行隔離。例如,在現(xiàn)場傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器,或D/A轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場執(zhí)行器之間的模擬信號的線性傳送,就是在通道中進(jìn)行光電隔離的,如圖6-14所示。

圖6-14光電耦合器

光耦的這兩種隔離方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。模擬信號隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是使用的光耦數(shù)量少,成本低;缺點(diǎn)是調(diào)試?yán)щy,如果光耦挑選得不合適,就會影響系統(tǒng)的精度。數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試簡單,不影響系統(tǒng)的精度;缺點(diǎn)是使用的光耦器件較多,成本較高。但因光耦的價(jià)格越來越低廉,因此,目前在實(shí)際工程中主要使用的是光耦隔離器的數(shù)字信號隔離法。

3.浮地屏蔽

浮地屏蔽是利用屏蔽層使輸入信號的“模擬地”浮空,使共模輸入阻抗大為提高,共模電壓在輸入回路中引起的共模電流大為減少,從而抑制了共模干擾的來源,使共模干擾降

至很低。圖6-15為浮地輸入雙層屏蔽放大電路。

圖6-15浮地輸入雙層屏蔽放大電路

6.3.3長線傳輸干擾的抑制

信號在長線中的傳輸除了會受到外界干擾和引起信號延遲外,還可能會產(chǎn)生波反射現(xiàn)象。當(dāng)信號在長線中傳輸時(shí),由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響,信號會在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生正向前進(jìn)的電壓波和電流波,這被稱為入射波。

1.波阻抗的測量

為了進(jìn)行阻抗匹配,必須事先知道信號傳輸線的波阻抗Rp,波阻抗Rp的測量如圖6-16所示。圖中的信號傳輸線為雙絞線,在傳輸線始端通過與非門加入標(biāo)準(zhǔn)信號,用示波器觀察門A的輸出波形,調(diào)節(jié)傳輸線終端的可變電阻R,當(dāng)門A輸出的波形不畸變時(shí),說明傳輸線的波阻抗與終端阻抗完全匹配,反射波完全消失,這時(shí)的R值就是該傳輸線的波阻抗,即Rp=R。

圖6-16-波阻抗Rp的測量

2.終端阻抗匹配

最簡單的終端阻抗匹配方法如圖6-17(a)所示。如果傳輸線的波阻抗是Rp,那么當(dāng)R=Rp時(shí),便實(shí)現(xiàn)了終端匹配,消除了波反射。此時(shí)終端波形和始端波形的形狀一致,只是在時(shí)間上滯后。由于終端電阻變低,則加大負(fù)載,使波形的高電平下降,從而降低了高電平的抗干擾能力,但對波形的低電平?jīng)]有影響。

為了克服上述匹配方法的缺點(diǎn),可采用圖6-17(b)所示的終端匹配方法。

圖6-17終端阻抗匹配

3.始端阻抗匹配

在傳輸線始端串入電阻R,如圖6-18所示,也能基本上消除反射,達(dá)到改善波形的目的。一般選擇始端匹配電阻R為:R=Rp-Rsc,其中,Rsc為門A輸出低電平時(shí)的輸出阻抗。圖6-18始端阻抗匹配

6.3.4信號線的選擇與敷設(shè)

1.信號線的選擇

對信號線的選擇,一般應(yīng)從抗干擾和經(jīng)濟(jì)實(shí)用這兩個方面考慮,而抗干擾能力應(yīng)放在首位。不同的使用現(xiàn)場,干擾情況不同,應(yīng)選擇不同的信號線。在不降低抗干擾能力的條件

下,應(yīng)該盡量選用價(jià)錢便宜、敷設(shè)方便的信號線。

(1)信號線類型的選擇。在精度要求高、干擾嚴(yán)重的場合,應(yīng)當(dāng)采用屏蔽信號線。表6-2所列為幾種常用的屏蔽信號線的結(jié)構(gòu)類型及其對干擾的抑制效果。有屏蔽層的塑料電

纜是按抗干擾原理設(shè)計(jì)的,幾十對信號在同一電纜中也不會互相干擾。屏蔽雙絞線與屏蔽電纜相比性能稍差,但波阻抗高、體積小、可撓性好、裝配焊接方便,特別適用于互補(bǔ)信號的傳輸。雙絞線之間的串模干擾小、價(jià)格低廉,是計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)系統(tǒng)常用的傳輸介質(zhì)。

(2)信號線粗細(xì)的選擇。從信號線價(jià)格、強(qiáng)度及施工方便等因素出發(fā)考慮,信號線的截面積應(yīng)在2mm2以下為宜,一般采用1.5mm2和1.0mm2兩種。采用多股線電纜較好,其優(yōu)點(diǎn)是可撓性好,適宜于電纜溝有拐角和狹窄的地方。

2.信號線的敷設(shè)

選擇了合適的信號線,還必須合理地進(jìn)行敷設(shè)。否則,不僅達(dá)不到抗干擾的效果,反而會引起干擾。信號線的敷設(shè)要注意以下事項(xiàng)。

(1)模擬信號線與數(shù)字信號線不能合用同一根電纜,要絕對避免信號線與電源線合用同一根電纜。

(2)屏蔽信號線的屏蔽層要一端接地,同時(shí)要避免多點(diǎn)接地。

(3)信號線的敷設(shè)要盡量遠(yuǎn)離干擾源,例如避免敷設(shè)在大容量變壓器、電動機(jī)等電氣設(shè)備的附近。

(4)信號電纜與電源電纜必須分開,并盡量避免平行敷設(shè)。如果現(xiàn)場條件有限,信號電纜與電源電纜不得不敷設(shè)在一起時(shí),則應(yīng)滿足以下條件:電纜溝內(nèi)要設(shè)置隔板,且使隔板與大地連接,如圖6-19(a)所示;電纜溝內(nèi)用電纜架或在溝底自由敷設(shè)時(shí),信號電纜與電源電纜間距一般應(yīng)在15cm以上,如圖6-19(b)、圖6-19(c)所示;如果電源電纜無屏蔽,且交流電壓為220V、電流為10A時(shí),兩者間距應(yīng)在60cm以上;電源電纜應(yīng)使用屏蔽罩,

如圖6-19(d)所示。

圖6-19信號電纜與電源電纜的敷設(shè)

6.4軟件抗干擾措施

6.4.1軟件出錯對系統(tǒng)的危害

1.數(shù)據(jù)采集不可靠

在數(shù)據(jù)采集通道上,盡管采取了一些必要的抗干擾措施,但在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中仍然會有一些干擾入侵系統(tǒng),造成采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,形成誤差。

2.控制失靈

一般情況下,控制狀態(tài)的輸出是通過微機(jī)控制系統(tǒng)的輸出通道實(shí)現(xiàn)的。由于控制信號輸出功率比較大,因此不易直接受到外界的干擾。但是在微機(jī)控制系統(tǒng)中,控制狀態(tài)的輸

出常常取決于某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結(jié)果。在這些環(huán)節(jié)中,由于干擾的侵入,可能會造成條件狀態(tài)的偏差、失誤,致使輸出控制誤差加大,甚至控制失靈。

3.程序運(yùn)行失常

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被引入強(qiáng)干擾時(shí),程序計(jì)數(shù)器(PC)的值可能被改變,這會破壞程序的正常運(yùn)行。被干擾后的PC是隨機(jī)的,這將引起程序執(zhí)行一系列毫無意義的指令,最終可能

導(dǎo)致程序“死循環(huán)”。

6.4.2數(shù)字濾波方法

所謂數(shù)字濾波,就是通過一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比例,實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波。數(shù)字濾波是提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性最有效的方法,因此在微機(jī)控制

系統(tǒng)中一般都要使用數(shù)字濾波。

與模擬濾波器相比,數(shù)字濾波有以下幾個優(yōu)點(diǎn):

(1)數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的,不需要增加硬件設(shè)備。

(2)可以對頻率很低(如0.01Hz)的信號實(shí)現(xiàn)濾波,克服了模擬濾波器的缺陷。

(3)可根據(jù)信號的不同,采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù),具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。

1.限幅濾波法

限幅濾波法又稱程序判斷濾波法,其做法是把相鄰兩次的采樣值相減,求出其增量(以絕對值表示),然后與兩次采樣允許的最大差值(由被控對象的實(shí)際情況決定)Δy進(jìn)行比較。若增量小于或等于Δy,則取本次采樣值;若增量大于Δy,則仍取上次采樣值作為本次采樣值,即有以下采樣方法。

2.中位值濾波法

中位值濾波法是連續(xù)采樣N次(N取奇數(shù)),把N個采樣值按大小排列,取中間值為本次有效值。這樣能有效地克服因偶然因素引起的波動干擾,對溫度、液位等變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果,但對流量、速度等快速變化的參數(shù)不適合。

3.算術(shù)平均濾波法

算術(shù)平均濾波法是連續(xù)取N個采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。N值較大時(shí),信號平滑度較高,但靈敏度較低;N值較小時(shí),信號平滑度低,但靈敏度較高。N值的選取:流量可取

N=2,壓力取N=4。其計(jì)算公式如下:

該方法適用于對具有隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波。

4.遞推平均濾波法

遞推平均濾波法是把連續(xù)取的N個采樣值看成一個隊(duì)列,隊(duì)列的長度固定為N,每次采樣得到一個新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾,并去掉原來隊(duì)首的一個數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原則),把隊(duì)列中的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算,就可以獲得新的濾波結(jié)果。N值的選取:流量可取N=12;壓力取N=4;液面取N=4~12;溫度取N=1~4。

該方法對周期性干擾有良好的抑制作用,平滑度高,適用于高頻振蕩系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是靈敏度低,對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差,不易消除由于脈沖干擾所引起的采

樣值偏差,不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場合,比較浪費(fèi)存儲空間。

5.中位值平均濾波法

中位值平均濾波法相當(dāng)于“中位值濾波法”和“算術(shù)平均濾波法”兩種方法的混合使用,即連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù),去掉一個最大值和一個最小值,然后計(jì)算N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均

值。N值的選取范圍為3~14。兩種方法的混合使用融合了兩種濾波法的優(yōu)點(diǎn),對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾,可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。其缺點(diǎn)是測量速度較慢,和算術(shù)平均濾波法一樣,比較浪費(fèi)存儲空間。

6.限幅平均濾波法

限幅平均濾波法相當(dāng)于同時(shí)使用了“限幅濾波法”和“遞推平均濾波法”,對每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進(jìn)行限幅處理,再送入隊(duì)列進(jìn)行遞推平均濾波處理。所以其優(yōu)點(diǎn)是融合了兩種濾波法的長處,對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾,可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。不足之處是比較浪費(fèi)存儲空間。

7.一階滯后濾波法

前面講的幾種濾波方法基本上屬于靜態(tài)濾波,適用于變化過程比較快的參數(shù),例如壓力、流量等。但對于慢速隨機(jī)變量采用短時(shí)間內(nèi)連續(xù)采樣求平均值的方法,其濾波效果往

往不夠理想。為了提高濾波效果,可以仿照模擬濾波器,用數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)低通濾波。

8.加權(quán)遞推平均濾波法

加權(quán)遞推平均濾波法是對遞推平均濾波法的改進(jìn),即不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)值。通常,越接近現(xiàn)在時(shí)刻的數(shù)據(jù),權(quán)越大。給予新采樣值的權(quán)系數(shù)越大,則靈敏度越高,

但信號平滑度越低,其公式為

該種方法適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)的對象和采樣周期較短的系統(tǒng)。

9.消抖濾波法

消抖濾波法具體的做法是設(shè)置一個濾波計(jì)數(shù)器,將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較。如果“采樣值=當(dāng)前有效值”,則計(jì)數(shù)器清零。如果“采樣值≠當(dāng)前有效值”,則計(jì)數(shù)器+1,并

判斷“計(jì)數(shù)器是否≥上限N(溢出)”。如果計(jì)數(shù)器溢出,則將本次值替換為當(dāng)前有效值,并將計(jì)數(shù)器清零。

消抖濾波法對于變換緩慢的被測參數(shù)有較好的濾波效果,可避免在臨界值附近控制器的反復(fù)開/關(guān)跳動或顯示器上的數(shù)值抖動。其缺點(diǎn)是對于快速變化的參數(shù),如果在計(jì)數(shù)器溢出的那一次的采樣值恰好為干擾值,則干擾值將會被誤認(rèn)為有效值導(dǎo)入系統(tǒng)。

10.限幅消抖濾波法

限幅消抖濾波法相當(dāng)于“限幅濾波法+消抖濾波法”,先限幅,后消抖,繼承了“限幅”和“消抖”的優(yōu)點(diǎn),改進(jìn)了消抖濾波法中的某些缺點(diǎn),避免將干擾值導(dǎo)入系統(tǒng),對于快速變

換的參數(shù)仍然不適合使用。

6.4.3輸入/輸出軟件抗干擾措施

對于控制系統(tǒng),將控制條件的“一次采樣、處理控制輸出”改為“多次采樣、處理控制輸出”,可有效消除偶然干擾。

1.數(shù)字量信號輸入抗干擾措施

對于數(shù)字量的輸入,為了確保信息準(zhǔn)確無誤,在軟件上可采取多次讀取的方法(至少讀取兩次),認(rèn)為無誤后再行輸入,其流程如圖6-20所示。

圖6-20多次讀取流程圖

2.數(shù)字量信號輸出抗干擾措施

當(dāng)計(jì)算機(jī)輸出數(shù)字量控制閘門、料斗等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作時(shí),這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能會由于外界干擾而誤動作,例如已關(guān)閉的閘門、料斗可能中途打開,已開的閘門、料斗可能中途突然

關(guān)閉。對于這些誤動作,應(yīng)在輸出端采取抗干擾措施(RS鎖存),這樣就可以較好地消除由于干擾而引起的誤動作(開/關(guān))。

6.4.4程序運(yùn)行失常的軟件抗干擾

無論何種控制系統(tǒng),死機(jī)現(xiàn)象都是不允許的?？朔罊C(jī)現(xiàn)象最有效的辦法就是采用系統(tǒng)加硬件定時(shí)器,俗稱看門狗(WatchdogTimer,WDT)電路。然而,即使有硬件定時(shí)器電路后仍然有死機(jī)現(xiàn)象,分析原因,可能有以下3個方面。

(1)因?yàn)槟撤N原因,程序混亂后,定時(shí)器電路雖然發(fā)出了復(fù)位脈沖,但程序剛剛正常還來不及發(fā)出一個脈沖信號,此時(shí)程序再次被干擾,而這時(shí)定時(shí)器電路已處于穩(wěn)態(tài),不能再發(fā)出復(fù)位脈沖。

(2)在有嚴(yán)重干擾時(shí),程序進(jìn)入死循環(huán),在該死循環(huán)中恰好又有定時(shí)器監(jiān)視I/O口上操作的指令,而該I/O口仍然有脈沖信號輸出,定時(shí)器檢測不到這種異常狀況。

(3)在有嚴(yán)重干擾時(shí),中斷方式控制字有時(shí)會受到破壞,導(dǎo)致中斷關(guān)閉。

可見,只用硬件定時(shí)器電路是無法確保單片機(jī)正常工作的,必須采取一些相應(yīng)的軟件抗干擾措施。

1.冗余技術(shù)

當(dāng)CPU受到二次干擾后,程序會將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行,從而引起程序混亂。以MCS5l系統(tǒng)為例,系統(tǒng)所有指令都不超過3個字節(jié),而且有很多單字節(jié)指令。當(dāng)程序“跑飛”到某一條單字節(jié)指令上時(shí),它便自動納入正軌。當(dāng)“跑飛”到某一雙字節(jié)或三字節(jié)指令上時(shí),有可能落到其操作數(shù)上,程序就會出錯。

需要注意的是,加入的冗余指令不能太多,以免明顯降低程序正常運(yùn)行的速率。通常在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令,此類指令有RET、RETI、

LCALL、SJMP、JZ、CJNE、JNC等。

2.軟件陷阱

指令冗余使“跑飛”的程序安定下來是有條件的。首先“跑飛”的程序必須落到程序區(qū),其次必須執(zhí)行到冗余指令。當(dāng)“跑飛”的程序落到非程序區(qū)(例如E2PROM中未使用的空間、程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū))時(shí)前一個條件即不滿足,當(dāng)“跑飛”的程序在沒有碰到冗余指令之前,已經(jīng)自動形成一個死循環(huán),這時(shí)第二個條件也不滿足。對付前一種情況采取的措施就是設(shè)立軟件陷阱,對于后一種情況采取的措施是建立程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)。

所謂軟件陷阱,就是一條引導(dǎo)指令,強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個指定的地址,使程序從頭開始運(yùn)行或者引向一段專門處理程序出錯的程序。為加強(qiáng)其捕捉效果,一般還在它前面加兩條NOP指令,所以真正的軟件陷阱由3條指令構(gòu)成:

其中,ERR是錯誤處理程序的首地址。

軟件陷阱一般安排在下列4個地方。

(1)未使用的中斷向量區(qū)。

(2)未使用的大片ROM空間。

(3)表格。有兩類表格,一類是數(shù)據(jù)表格,供“MOVCA,@A+PC”指令或“MOVCA,@A+DPTR”指令使用,其內(nèi)容不完全是指令。另一類是跳轉(zhuǎn)表格,供“JMP@A+DPTR”指令使用,其內(nèi)容為一系列的三字節(jié)指令LJMP或兩字節(jié)指令A(yù)JMP。

(4)程序區(qū)。

3.軟件定時(shí)技術(shù)

若失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”,通常采用定時(shí)器技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。

定時(shí)器實(shí)際上是一個計(jì)數(shù)器,系統(tǒng)初始化時(shí)給定時(shí)器一個較大的初始值,程序開始運(yùn)行后定時(shí)器開始倒計(jì)數(shù)。如果程序運(yùn)行正常,CPU應(yīng)定期發(fā)出指令讓定時(shí)器復(fù)位(俗稱“喂

狗”),即計(jì)數(shù)器重置回初始值,重新開始倒計(jì)數(shù)。如果程序運(yùn)行失常,“跑飛”或進(jìn)入局部死循環(huán),不能按正常循環(huán)路線運(yùn)行,則定時(shí)器會因得不到及時(shí)復(fù)位而減到0,一旦定時(shí)時(shí)間到了,就會強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。定時(shí)器工作原理如圖6-21所示。

圖6-