軟件抗干擾技術(shù)

1、軟件抗干擾技術(shù)v一、研究的主要內(nèi)容v二、數(shù)字濾波技術(shù)v三、開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)v四、CPU抗干擾技術(shù)軟件抗干擾研究的主要內(nèi)容v1、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)；v2、由于干擾而使程序發(fā)生混亂，導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；v3、發(fā)現(xiàn)程序失控后，解決系統(tǒng)恢復正常運行的方法，如重要信息的恢復，系統(tǒng)重入的條件等；回目錄回目錄數(shù)字濾波技術(shù)與模擬濾波器相比，有以下幾個優(yōu)點與模擬濾波器相比，有以下幾個優(yōu)點:v1、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、數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加

2、硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好?？啃愿撸€(wěn)定性好。v2、數(shù)字濾波可以對頻率很低、數(shù)字濾波可以對頻率很低(如如001HZ)的信號實現(xiàn)濾波，的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷?？朔四M濾波器的缺陷。v3、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、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?；驗V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)平均值法算術(shù)平均值法是對輸入的算術(shù)平均值法是對輸入的N個采樣數(shù)據(jù)個采樣數(shù)據(jù)xi(i=1N)，尋找這樣一個尋找

3、這樣一個y，使，使y與各采樣值間的偏差的平方和與各采樣值間的偏差的平方和為最小，使為最小，使由一元函數(shù)求極值原理可得：由一元函數(shù)求極值原理可得：)(min12NiixyENiixNy11例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下：123456789102425 2027 24 6024252623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。 特點特點：1）、N值決定了

4、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=R0Y0+ R1Y1+ R2Y2+ RmYm。2 2中位值濾波法中位值濾波法v中位值濾波法的原理是對被測參數(shù)連續(xù)采樣m次(m3)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；

5、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. 1234567892425 2027 24 60242526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：253 3 滑動平均值法濾波滑動平均值法濾波 在在RAMRAM區(qū)中

6、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)，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)，其長度固定為其長度固定為N N，每采樣一個新數(shù)據(jù)，就將其存入隊尾，而丟，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)，而后求出包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，而后求出包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的N N個數(shù)據(jù)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。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

7、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124412144限幅濾波法v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，即 當y(n)yH時，則取y(n)=yH(上限值)； 當y(n)yL時，則取y(n)=yL(下限值)； 當yLy(n)yH時，則取y(n)。 而且采用限速(亦稱限制變化率)，即 當|y(n)-y(n-1)|y0時，則取y(n); 當|y(n)-y(n-1)|y0時，則取y(n)=y(n-1)。v其中y0為兩次相鄰采樣值之差的可能最大變化量。y0值的

8、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y0、yH及yL，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 v常用的RC濾波器的傳遞函數(shù)是 其中Tf=RC,它的濾波效果取決于濾波時間常數(shù)Tf。因此，RC濾波器不可能對極低頻率的信號進行濾波。為此，人們模仿上式做成一階慣性濾波器亦稱低通濾波器。 即將上式寫成差分方程 稍加整理得 其中，稱為濾波系數(shù)，且01，Ts為采樣周期，Tf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

9、。回目錄回目錄開關(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。前者有良好的抗“毛刺”干擾能力，后者不耐干擾，當鎖存線上出現(xiàn)干擾時，它就會盲目鎖存當前的數(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輸出同一個數(shù)據(jù)。只要有可能，其重復周期盡可能短些。 回目錄回目錄CPU抗干擾技術(shù) 當干擾作用到當干擾作用到CPU本身時，本身時，CPU將不能按正將

10、不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂。常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂。1、睡眠抗干擾、睡眠抗干擾CMOS型單片機通過執(zhí)行型單片機通過執(zhí)行ORL PCON，#1可以進入睡可以進入睡眠狀態(tài)，只有定時眠狀態(tài)，只有定時/計數(shù)系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)處于值班狀態(tài)。計數(shù)系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)處于值班狀態(tài)。這時這時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。應(yīng)，從而大大降低系統(tǒng)對干擾的敏感程度。軟件設(shè)計：軟件設(shè)計： 主程序自檢、初始化主程序自檢、初始化LOOP：ORL PCON，#1LJMP LOOP中斷喚醒中斷喚醒CPUPC指針自動壓棧指針自動壓

11、棧中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序中斷返回中斷返回CPU睡眠睡眠PC指針位置指針位置2、指令冗余、指令冗余CPU受干擾后，往往將操作數(shù)當作操作碼執(zhí)行，造成程序混亂。受干擾后，往往將操作數(shù)當作操作碼執(zhí)行，造成程序混亂。當程序彈飛到一單字節(jié)指令上時，便自動納入正軌；當程序彈飛到一單字節(jié)指令上時，便自動納入正軌；當程序彈飛到一雙字節(jié)指令上時（操作碼、操作數(shù)），有當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；可能落到操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯；當程序彈飛到一三字節(jié)指令上時（操作碼、操作數(shù)、操當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

12、會更大作數(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)指令重復書寫，提高彈飛程序納入節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復書寫，提高彈飛程序納入正軌的機會，這便是指令冗余。正軌的機會，這便是指令冗余。實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法：在一些對程序流向起決定作用的在一些對程序流向起決定作用的指令之前指令之前插入兩條插入兩條NOP指令，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：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

13、/JNC、JB/JNB、JBC、CJNE、DJNZ等。等。如：利用減法比較兩無符號數(shù)的大小程序（數(shù)放如：利用減法比較兩無符號數(shù)的大小程序（數(shù)放A、B中）：中）：無指令冗余程序無指令冗余程序：CLRCSUBB A,BJCBBIGBBIG:NOP.有指令冗余的情況：有指令冗余的情況：CLRCSUBB A,BNOPNOPJCBBIGBBIG:NOP.指令冗余缺點：指令冗余缺點：降低指令執(zhí)行效率降低指令執(zhí)行效率指令冗余特點指令冗余特點：1、降低正常程序執(zhí)行的效率；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，可以減少程序彈飛的次數(shù)，使其很快納入程序軌道，使使CPU按按“操作

14、碼、操作數(shù)操作碼、操作數(shù)”方式運行，但不能保證失控方式運行，但不能保證失控期間不干壞事，更不能保證程序納入正常軌道后太平無事。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。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。令。當程序彈飛到非程序區(qū)時，或彈飛

15、的程序碰到冗余指當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。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、軟件陷阱所謂軟件陷阱所謂軟件陷阱，就是一條引導指令，強行，就是一條引導指令，強行將撲獲的程序引向一個指定的地址，在那里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。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：軟件陷阱由三條指令構(gòu)成：NOPNOPLJMP ERR ;ERR錯誤處理程序入口錯誤處理程序入口軟件陷阱安排在下列四種地方：軟件陷阱安排在下列四種地方：1）、未使用的中斷向量區(qū)）、未使用的中

16、斷向量區(qū)2）、未使用的大片）、未使用的大片ROM區(qū)區(qū)3）、表格區(qū)尾部）、表格區(qū)尾部4）、程序區(qū)）、程序區(qū)軟件陷阱安排在程序的斷裂點處軟件陷阱安排在程序的斷裂點處，這類指令有，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，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。然是出錯了，就有必要設(shè)陷阱將其撲捉出來。如根據(jù)累加器如根據(jù)累加器A內(nèi)容的正、負、零情況進行三分支的程序中，內(nèi)容的正、負、零情況進行三分支的程序中，軟件陷阱軟件陷阱的安的安置如下：置如下： JNZ XYZ ;零處

17、理零處理 LJMP ABC NOP NOP LJMP ERRXYZ: JB ACC.7,UVW ；正數(shù)處理；正數(shù)處理 LJMP ABC NOP NOP LJMP ERRUVW: ；負數(shù)處理；負數(shù)處理ABC: ；取結(jié)果；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)（、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。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：解決方法：1）、手動復位；）、手動復位； 2）、）、采用程序運行監(jiān)視系統(tǒng)采用程序運行監(jiān)視系統(tǒng)WATCHDOG特性特性： 1）、本身是能獨立工作的定時器，基本不依賴）、本身是能獨立工作的定時器，基本不依賴CPU工作。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），以表明系統(tǒng)（喂一次狗），以表明系統(tǒng)“目前正常目前正?！?。 3）、當）、當CPU掉入死循環(huán)后，能及時發(fā)現(xiàn)并使系統(tǒng)復位。掉入死循環(huán)后，