軟件抗干擾技術(shù)[文字可編輯]

1、軟件抗干擾技術(shù),一,研究的主要內(nèi)容,二,數(shù)字濾波技術(shù),三,開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù),四,CPU,抗干擾技術(shù),軟件抗干擾研究的主要內(nèi)容,1,采用軟件的方法抑制疊加在輸入輸出信號上噪,聲影響，如,模擬輸入信號的數(shù)字濾波技術(shù),2,由于干擾而使程序發(fā)生混亂，導(dǎo)致程序亂飛或,陷入死循環(huán)，采取使程序納入正規(guī)的措施，如,指令,冗余,軟件陷阱,看門狗”技術(shù),等,3,發(fā)現(xiàn)程序失控后，解決系統(tǒng)恢復(fù)正常運行的方,法，如,重要信息的恢復(fù),系統(tǒng)重入的條件,等,回目錄,數(shù)字濾波技術(shù),所謂數(shù)字濾波,就是通過一定的,計算或判斷,程序,減少干擾在有用信號中的比重。故實質(zhì),上它是一種程序濾波,與模擬濾波器相比，有以下幾個優(yōu)點,1,

2、數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可,靠性高，穩(wěn)定性好,2,數(shù)字濾波可以對頻率很低,如,0,01HZ,的信號實現(xiàn)濾波,克服了模擬濾波器的缺陷,3,數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法,或濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強的特點,主要數(shù)字濾波算法,算術(shù)平均值法、中位值濾波法、限幅濾,波法、慣性濾波法,數(shù)字濾波技術(shù),1,算術(shù)平均值法,算術(shù)平均值法是對輸入的,N,個采樣數(shù)據(jù),xi(i=1,N,尋找這樣一個,y,使,y,與各采樣值間的偏差的,min,1,2,N,i,i,x,y,E,N,i,i,x,N,y,1,1,例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10

3、,24,25,20,27,24,60,24,25,26,23,序,號,采樣值,采樣數(shù)據(jù)明顯存在,被干擾,現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù),采用算術(shù)平均值濾波后，其采樣值為,Y=(24+25+20+27+24+60+24+25,26+23)/10,28,干擾被平均到采樣值中去了,3,平均值濾波法一般適用于具有周期性干擾噪聲的信號,但對偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號，濾波效果尚不理想,特點,1,N,值決定了信號平滑度和靈敏度。隨著,N,的增大，平滑,度提高，靈敏度降低。應(yīng)該視具體情況選擇,N,以便得到滿,意的濾波效果,2,對每次采樣值給出相同的加權(quán)系數(shù)，即,1/N,在不同,采樣時刻采集數(shù)據(jù)受到同樣重視。實際上某些場合需要增

4、加,新采樣值在平均值中的比重，可采用加權(quán)平均值濾波法。濾,波公式為,Y=R,0,Y,0,R,1,Y,1,R,2,Y,2,R,m,Y,m,2,中位值濾波法,中位值濾波法的原理是對被測參數(shù)連續(xù)采樣,m,次,m,3,且是,奇數(shù)，并按大小順序排列；再,取中間值,作為本次采樣的有效,數(shù)據(jù),特點,中位值濾波法對脈沖干擾信號等,偶然因素引發(fā)的干擾,有良好的濾波效果,如對溫度、液位等變化緩慢的被測參,數(shù)采用此法會收到良好的濾波效果；對流量、速度等快速,變化的參數(shù)一般不宜采用中位值濾波法,中位值濾波法和平均值濾波法結(jié)合起來使用，濾波效果,會更好。即在每個采樣周期，先用中位值濾波法得到,m,個,濾波值，再對這,m

5、,個濾波值進行算術(shù)平均，得到可用的被,測參數(shù)。也稱為,去脈沖干擾平均值濾波法,1,2,3,4,5,6,7,8,9,24,25,20,27,24,60,24,25,26,例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下,序,號,采樣值,采樣數(shù)據(jù)明顯存在,被干擾,現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù),采用去脈沖干擾平均值濾波后，其采樣值為,25,對,1,2,3,次采樣中位值濾波后值,24,對,4,5,6,次采樣中位值濾波后值,27,對,7,8,9,次采樣中位值濾波后值,25,3,滑動平均值法濾波,在,RAM,區(qū)中設(shè)置一個先進先出的循環(huán)隊列作測量數(shù)據(jù)緩沖區(qū),其長度固定為,N,每采樣一個新數(shù)據(jù)，就將其存入隊尾，而丟,掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，而后求

6、出包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的,N,個數(shù)據(jù),的算術(shù)平均值。這樣每進行一次采樣，就可計算出一個新的平,均值，從而提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和測量精度,特點：對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，靈敏度低,但對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾抑制作用差，不易消除由于脈沖干,擾引起的采樣值偏差。所以不適合脈沖干擾比較嚴(yán)重的場合,而適用于高頻振蕩系統(tǒng),N,值設(shè)定的工程經(jīng)驗值為,參數(shù),流量,壓力,液面,溫度,N,值,12,4,412,14,4,限幅濾波法,由于大的隨機干擾或采樣器的不穩(wěn)定，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實,際值太遠，為此,采用上、下限限幅,當(dāng)y(n)y,H,時，則取,y(n)=y,H,上限值,當(dāng)y(n)y,L,時，則取,y(n)=

7、y,L,下限值,當(dāng),y,L,y(n,y,H,時，則取,y(n,而且采用限速,亦稱,限制變化率,當(dāng),y(n)-y(n-1,y,0,時，則取,y(n,當(dāng),y(n)-y(n-1),y,0,時，則取,y(n)=y(n-1,其中y,0,為兩次相鄰采樣值之差的可能最大變化量。y,0,值的,選取，取決于采樣周期,T,及被測參數(shù),y,應(yīng)有的正常變化率。因,此,一定要按照實際情況來確定y,0,y,H,及,y,L,否則，非但達,不到濾波效果，反而會降低控制品質(zhì),5,慣性濾波法,常用的,RC,其中,T,f,RC,它的濾波效果取決于濾波時間常數(shù),T,f,因此,RC,濾波器不可能對,極低頻率的信號進行濾波。為此，人們模

8、仿上式做成一階慣性濾波器亦稱低,通濾波器,其中，稱為濾波系數(shù)，且,0,1,T,s,為采樣周期,T,f,為濾波,器時間常數(shù),根據(jù)慣性濾波器的頻率特性，若濾波系數(shù)越大，則帶寬越,窄，濾波頻率也越低。因此，需要根據(jù)實際情況，適當(dāng)選取,值，使得被測參數(shù)既不出現(xiàn)明顯的紋波，反應(yīng)又不太遲緩,回目錄,開關(guān)量,數(shù)字量,信號,輸入,抗干擾措施,干擾信號多呈毛刺狀，作用時間短，利用,這一特點，我們在采集某一開關(guān)量信號時,可,多次重復(fù)采集,直到連續(xù)兩次或兩次以,上,結(jié)果完全一致,方為有效,開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù),開關(guān)量,數(shù)字量,信號,輸出,抗干擾措施,輸出設(shè)備是電位控制型還是同步鎖存型，對干,擾的敏感性相差較大。前

9、者有良好的抗“毛刺”干,擾能力，后者不耐干擾，當(dāng)鎖存線上出現(xiàn)干擾時,它就會盲目鎖存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，也不管此時數(shù)據(jù)是否,有效,在軟件上，最為有效的方法就是,重復(fù)輸出同一,個數(shù)據(jù),只要有可能，其重復(fù)周期盡可能短些,回目錄,CPU,抗干擾技術(shù),當(dāng)干擾作用到,CPU,本身時,CPU,將不能按正,常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂,1,睡眠抗干擾,CMOS,型單片機通過執(zhí)行,ORL PCON,1,可以進入睡,眠狀態(tài)，只有定時,計數(shù)系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)處于值班狀態(tài),這時,CPU,對系統(tǒng)三總線上的出現(xiàn)的干擾不會作出什么反,應(yīng)，從而大大降低系統(tǒng)對干擾的敏感程度,軟件設(shè)計,主程序自檢、初始化,LOOP,ORL PCON,1,L

10、JMP LOOP,中斷喚醒,CPU,PC,指針自動壓棧,中斷服務(wù)程序,中斷返回,CPU,睡眠,PC,指針位置,2,指令冗余,CPU,受干擾后，往往將操作數(shù)當(dāng)作操作碼執(zhí)行，造成程序混亂,當(dāng)程序彈飛到一單字節(jié)指令上時，便自動納入正軌,當(dāng)程序彈飛到一雙字節(jié)指令上時（操作碼、操作數(shù)），有,可能落到操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯,當(dāng)程序彈飛到一三字節(jié)指令上時（操作碼、操作數(shù)、操作,數(shù)），因其有兩個操作數(shù)，從而繼續(xù)出錯機會更大,應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵地方人為插入一些單字,節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)書寫，提高彈飛程序納入,正軌的機會，這便是指令冗余,實現(xiàn)方法,在一些對程序流向起決定作用的,指令之前,插入兩

11、條,NOP,指令,以保證彈飛的程序迅速納入正確的控制軌道。這些指令有,RET,RETI,LCALL,LJMP,JZ/JNZ,JC/JNC,JB/JNB,JBC,CJNE,DJNZ,等,如：利用減法比較兩無符號數(shù)的大小程序（數(shù)放,A,B,中,無指令冗余程序,CLR,C,SUBB,A,B,JC,BBIG,BBIG,NOP,有指令冗余的情況,CLR,C,SUBB,A,B,NOP,NOP,JC,BBIG,BBIG,NOP,指令冗余缺點,降低指令執(zhí)行效率,指令冗余特點,1,降低正常程序執(zhí)行的效率,2,可以減少程序彈飛的次數(shù)，使其很快納入程序軌道,使,CPU,按“操作碼、操作數(shù)”方式運行，但不能保證失控,

12、期間不干壞事，更不能保證程序納入正常軌道后太平無事,因為彈飛的程序已經(jīng)偏離正常順序，做了不該做的事。解,決這個問題還要靠軟件容錯技術(shù)，減少或消滅程序誤動作,3,指令冗余使彈飛程序安定下來是有條件的，首先彈,飛的程序要落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行到冗余的指令,當(dāng)程序彈飛到非程序區(qū)時，或彈飛的程序碰到冗余指,令前已形成死循環(huán)，都會使冗余指令失去作用,3,軟件陷阱,所謂軟件陷阱,就是一條引導(dǎo)指令，強行,將撲獲的程序引向一個指定的地址，在那里,有一段專門對程序出錯進行處理的程序,軟件陷阱由三條指令構(gòu)成,NOP,NOP,LJMP,ERR,ERR,錯誤處理程序入口,軟件陷阱安排在下列四種地方,1,未使用的中斷

13、向量區(qū),2,未使用的大片,ROM,區(qū),3,表格區(qū)尾部,4,程序區(qū),軟件陷阱安排在程序的斷裂點處,這類指令有,LJMP,SJMP,AJMP,RET,RETI,正常執(zhí)行的程序到此便不會繼續(xù)往下執(zhí)行，如果還要順序執(zhí)行，必,然是出錯了，就有必要設(shè)陷阱將其撲捉出來,如根據(jù)累加器,A,內(nèi)容的正、負(fù)、零情況進行三分支的程序中,軟件陷阱,的安,置如下,JNZ,XYZ,零處理,LJMP ABC,NOP,NOP,LJMP ERR,XYZ: JB ACC.7,UVW,正數(shù)處理,LJMP ABC,NOP,NOP,LJMP ERR,UVW,負(fù)數(shù)處理,ABC:,取結(jié)果,RET,NOP,NOP,LJMP ERR,軟件,陷阱,斷裂點,4,程序運行監(jiān)視系統(tǒng),WATCHDOG,如果彈飛的程序彈飛到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中，冗余指令,和軟件陷阱就無能為力了。這時系統(tǒng)將完全癱瘓,解決方法,1,手動復(fù)位,2,采用程序運行監(jiān)視系統(tǒng),WATCHDOG,特性,1,本身是能獨立工作的定時器，基本不依賴,CPU,工作,2,CPU,在一個固定的時間間隔中和該系統(tǒng)打一次交道,喂一次狗），以表