软件抗干扰技术[文字可编辑]

1、软件抗干扰技术,一,研究的主要内容,二,数字滤波技术,三,开关量的软件抗干扰技术,四,CPU,抗干扰技术,软件抗干扰研究的主要内容,1,采用软件的方法抑制叠加在输入输出信号上噪,声影响，如,模拟输入信号的数字滤波技术,2,由于干扰而使程序发生混乱，导致程序乱飞或,陷入死循环，采取使程序纳入正规的措施，如,指令,冗余,软件陷阱,看门狗”技术,等,3,发现程序失控后，解决系统恢复正常运行的方,法，如,重要信息的恢复,系统重入的条件,等,回目录,数字滤波技术,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,与模拟滤波器相比，有以下几个优点,1,

2、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,数字滤波器可以根据信号的不同，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,主要数字滤波算法,算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤,波法、惯性滤波法,数字滤波技术,1,算术平均值法,算术平均值法是对输入的,N,个采样数据,xi(i=1,N,寻找这样一个,y,使,y,与各采样值间的偏差的,min,1,2,N,i,i,x,y,E,N,i,i,x,N,y,1,1,例：某压力仪表采样数据如下,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10

3、,24,25,20,27,24,60,24,25,26,23,序,号,采样值,采样数据明显存在,被干扰,现象（彩色数据,采用算术平均值滤波后，其采样值为,Y=(24+25+20+27+24+60+24+25,26+23)/10,28,干扰被平均到采样值中去了,3,平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号,但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想,特点,1,N,值决定了信号平滑度和灵敏度。随着,N,的增大，平滑,度提高，灵敏度降低。应该视具体情况选择,N,以便得到满,意的滤波效果,2,对每次采样值给出相同的加权系数，即,1/N,在不同,采样时刻采集数据受到同样重视。实际上某些场合需要增

4、加,新采样值在平均值中的比重，可采用加权平均值滤波法。滤,波公式为,Y=R,0,Y,0,R,1,Y,1,R,2,Y,2,R,m,Y,m,2,中位值滤波法,中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样,m,次,m,3,且是,奇数，并按大小顺序排列；再,取中间值,作为本次采样的有效,数据,特点,中位值滤波法对脉冲干扰信号等,偶然因素引发的干扰,有良好的滤波效果,如对温度、液位等变化缓慢的被测参,数采用此法会收到良好的滤波效果；对流量、速度等快速,变化的参数一般不宜采用中位值滤波法,中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果,会更好。即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到,m,个,滤波值，再对这,m

5、,个滤波值进行算术平均，得到可用的被,测参数。也称为,去脉冲干扰平均值滤波法,1,2,3,4,5,6,7,8,9,24,25,20,27,24,60,24,25,26,例：某压力仪表采样数据如下,序,号,采样值,采样数据明显存在,被干扰,现象（彩色数据,采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为,25,对,1,2,3,次采样中位值滤波后值,24,对,4,5,6,次采样中位值滤波后值,27,对,7,8,9,次采样中位值滤波后值,25,3,滑动平均值法滤波,在,RAM,区中设置一个先进先出的循环队列作测量数据缓冲区,其长度固定为,N,每采样一个新数据，就将其存入队尾，而丢,掉原来队首的一个数据，而后求

6、出包括新数据在内的,N,个数据,的算术平均值。这样每进行一次采样，就可计算出一个新的平,均值，从而提高了系统响应速度和测量精度,特点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低,但对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差，不易消除由于脉冲干,扰引起的采样值偏差。所以不适合脉冲干扰比较严重的场合,而适用于高频振荡系统,N,值设定的工程经验值为,参数,流量,压力,液面,温度,N,值,12,4,412,14,4,限幅滤波法,由于大的随机干扰或采样器的不稳定，使得采样数据偏离实,际值太远，为此,采用上、下限限幅,当y(n)y,H,时，则取,y(n)=y,H,上限值,当y(n)y,L,时，则取,y(n)=

7、y,L,下限值,当,y,L,y(n,y,H,时，则取,y(n,而且采用限速,亦称,限制变化率,当,y(n)-y(n-1,y,0,时，则取,y(n,当,y(n)-y(n-1),y,0,时，则取,y(n)=y(n-1,其中y,0,为两次相邻采样值之差的可能最大变化量。y,0,值的,选取，取决于采样周期,T,及被测参数,y,应有的正常变化率。因,此,一定要按照实际情况来确定y,0,y,H,及,y,L,否则，非但达,不到滤波效果，反而会降低控制品质,5,惯性滤波法,常用的,RC,其中,T,f,RC,它的滤波效果取决于滤波时间常数,T,f,因此,RC,滤波器不可能对,极低频率的信号进行滤波。为此，人们模

8、仿上式做成一阶惯性滤波器亦称低,通滤波器,其中，称为滤波系数，且,0,1,T,s,为采样周期,T,f,为滤波,器时间常数,根据惯性滤波器的频率特性，若滤波系数越大，则带宽越,窄，滤波频率也越低。因此，需要根据实际情况，适当选取,值，使得被测参数既不出现明显的纹波，反应又不太迟缓,回目录,开关量,数字量,信号,输入,抗干扰措施,干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用,这一特点，我们在采集某一开关量信号时,可,多次重复采集,直到连续两次或两次以,上,结果完全一致,方为有效,开关量的软件抗干扰技术,开关量,数字量,信号,输出,抗干扰措施,输出设备是电位控制型还是同步锁存型，对干,扰的敏感性相差较大。前

9、者有良好的抗“毛刺”干,扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时,它就会盲目锁存当前的数据，也不管此时数据是否,有效,在软件上，最为有效的方法就是,重复输出同一,个数据,只要有可能，其重复周期尽可能短些,回目录,CPU,抗干扰技术,当干扰作用到,CPU,本身时,CPU,将不能按正,常状态执行程序，从而引起混乱,1,睡眠抗干扰,CMOS,型单片机通过执行,ORL PCON,1,可以进入睡,眠状态，只有定时,计数系统和中断系统处于值班状态,这时,CPU,对系统三总线上的出现的干扰不会作出什么反,应，从而大大降低系统对干扰的敏感程度,软件设计,主程序自检、初始化,LOOP,ORL PCON,1,L

10、JMP LOOP,中断唤醒,CPU,PC,指针自动压栈,中断服务程序,中断返回,CPU,睡眠,PC,指针位置,2,指令冗余,CPU,受干扰后，往往将操作数当作操作码执行，造成程序混乱,当程序弹飞到一单字节指令上时，便自动纳入正轨,当程序弹飞到一双字节指令上时（操作码、操作数），有,可能落到操作数上，从而继续出错,当程序弹飞到一三字节指令上时（操作码、操作数、操作,数），因其有两个操作数，从而继续出错机会更大,应多采用单字节指令，并在关键地方人为插入一些单字,节指令，或将有效单字节指令重复书写，提高弹飞程序纳入,正轨的机会，这便是指令冗余,实现方法,在一些对程序流向起决定作用的,指令之前,插入两

11、条,NOP,指令,以保证弹飞的程序迅速纳入正确的控制轨道。这些指令有,RET,RETI,LCALL,LJMP,JZ/JNZ,JC/JNC,JB/JNB,JBC,CJNE,DJNZ,等,如：利用减法比较两无符号数的大小程序（数放,A,B,中,无指令冗余程序,CLR,C,SUBB,A,B,JC,BBIG,BBIG,NOP,有指令冗余的情况,CLR,C,SUBB,A,B,NOP,NOP,JC,BBIG,BBIG,NOP,指令冗余缺点,降低指令执行效率,指令冗余特点,1,降低正常程序执行的效率,2,可以减少程序弹飞的次数，使其很快纳入程序轨道,使,CPU,按“操作码、操作数”方式运行，但不能保证失控,

12、期间不干坏事，更不能保证程序纳入正常轨道后太平无事,因为弹飞的程序已经偏离正常顺序，做了不该做的事。解,决这个问题还要靠软件容错技术，减少或消灭程序误动作,3,指令冗余使弹飞程序安定下来是有条件的，首先弹,飞的程序要落到程序区，其次必须执行到冗余的指令,当程序弹飞到非程序区时，或弹飞的程序碰到冗余指,令前已形成死循环，都会使冗余指令失去作用,3,软件陷阱,所谓软件陷阱,就是一条引导指令，强行,将扑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进行处理的程序,软件陷阱由三条指令构成,NOP,NOP,LJMP,ERR,ERR,错误处理程序入口,软件陷阱安排在下列四种地方,1,未使用的中断

13、向量区,2,未使用的大片,ROM,区,3,表格区尾部,4,程序区,软件陷阱安排在程序的断裂点处,这类指令有,LJMP,SJMP,AJMP,RET,RETI,正常执行的程序到此便不会继续往下执行，如果还要顺序执行，必,然是出错了，就有必要设陷阱将其扑捉出来,如根据累加器,A,内容的正、负、零情况进行三分支的程序中,软件陷阱,的安,置如下,JNZ,XYZ,零处理,LJMP ABC,NOP,NOP,LJMP ERR,XYZ: JB ACC.7,UVW,正数处理,LJMP ABC,NOP,NOP,LJMP ERR,UVW,负数处理,ABC:,取结果,RET,NOP,NOP,LJMP ERR,软件,陷阱,断裂点,4,程序运行监视系统,WATCHDOG,如果弹飞的程序弹飞到一个临时构成的死循环中，冗余指令,和软件陷阱就无能为力了。这时系统将完全瘫痪,解决方法,1,手动复位,2,采用程序运行监视系统,WATCHDOG,特性,1,本身是能独立工作的定时器，基本不依赖,CPU,工作,2,CPU,在一个固定的时间间隔中和该系统打一次交道,喂一次狗），以表