傳感器與自動檢測技術(shù)課件：第6章 檢測系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

1、第6章 檢測系統(tǒng)抗干擾技術(shù)6.1 干擾的分類6.2 干擾的引入6.3 干擾的抑制方法第6章 檢測系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 測量過程中常會遇到各種各樣的干擾，不僅能造成邏輯關(guān)系混亂，使系統(tǒng)測量和控制失靈，以致降低產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至造成系統(tǒng)無法正常工作，造成損壞和事故。尤其是電子裝置的小型化、集成化、數(shù)字化和智能化的廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展，有效地排除和抑制各種干擾，已是必需考慮并解決的問題。而提高檢測系統(tǒng)抗干擾能力，首先應(yīng)分析干擾產(chǎn)生的原因、干擾的引入方式及途徑，才可有針對性地解決系統(tǒng)抗干擾問題。6.1 干擾的分類 干擾來自干擾源，在工業(yè)現(xiàn)場和環(huán)境中干擾源是各種各樣的。按干擾的來源，可以將干擾分為內(nèi)部干擾和外部干

2、擾。6.1.1 外部干擾 外部干擾就是指那些與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)，由使用條件和外界環(huán)境因素所決定的干擾。它主要來自于自然界的干擾以及周圍電氣設(shè)備的干擾。 自然干擾主要有地球大氣放電(如雷電)、宇宙干擾(如太陽產(chǎn)生的無線電輻射)、地球大氣輻射以及水蒸氣、雨雪、砂塵、煙塵作用的靜電放電等，以及高壓輸電線、內(nèi)燃機(jī)、熒光燈、電焊機(jī)等電氣設(shè)備產(chǎn)生的放電干擾。 自然干擾主要來自天空，以電磁感應(yīng)的方式通過系統(tǒng)的殼體、導(dǎo)線、敏感器件等形成接收電路，造成對系統(tǒng)的干擾。尤其對通訊設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備有較大影響。 在檢測裝置中，半導(dǎo)體元器件均應(yīng)封裝在不透光的殼體內(nèi)。對于具有光敏作用的元器件，尤其要注意光的屏蔽問題。 各種電氣設(shè)

3、備所產(chǎn)生的干擾有電磁場、電火花、電弧焊接、高頻加熱、可控硅整流等強(qiáng)電系統(tǒng)所造成的干擾。這些干擾主要是通過供電電源對測量裝置和微型計算機(jī)產(chǎn)生影響。 大電流輸電線周圍所產(chǎn)生的交變電磁場，對安裝在其附近的智能儀器儀表也會產(chǎn)生干擾。 地磁場的影響及來自電源的高頻干擾也可視為外部干擾。 6.1.2 內(nèi)部干擾 內(nèi)部干擾是指系統(tǒng)內(nèi)部的各種元器件、信道、負(fù)載、電源等引起的各種干擾。計算機(jī)檢測系統(tǒng)重常見的信號通道干擾、電源電路干擾和數(shù)字電路干擾。（1）信號通道干擾 計算機(jī)檢測系統(tǒng)的信號采集、數(shù)據(jù)處理與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制等，都離不開信號通道的構(gòu)建與優(yōu)化。在進(jìn)行實際系統(tǒng)的信道設(shè)計時，必須注意其間的干擾問題。信號通道形成

4、的干擾主要有：1）共模干擾 共模干擾對檢測系統(tǒng)的放大電路的干擾較大。是指相對公共地電位為基準(zhǔn)點，在系統(tǒng)地兩個輸入端上同時出現(xiàn)的干擾，即兩個輸入端和地之間存在地電壓。2）靜電耦合干擾 靜電耦合干擾的形成，是由于電路之間的寄生電容使系統(tǒng)內(nèi)某一電路信號的變化，從而影響其它電路。只要電路中有尖峰信號和脈沖信號等高頻譜的信號存在，就可能存在靜電耦合干擾。3）傳導(dǎo)耦合干擾 計算機(jī)檢測系統(tǒng)中脈沖信號在傳輸過程中，容易出現(xiàn)延時、變形，并可能接收干擾信號，這些因素均會形成傳導(dǎo)耦合干擾。（2）電源干擾 對于電子、電氣設(shè)備來說，電源干擾是較為普遍的問題。在計算機(jī)檢測系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，大多數(shù)是采用是由工業(yè)用電網(wǎng)絡(luò)供電

5、。工業(yè)系統(tǒng)中的某些大設(shè)備的啟動、停機(jī)等，都可能引起電源的過壓、欠壓、浪涌、下陷及尖峰等，這些也是要加以重視的干擾因素。同時，這些電壓噪聲均通過電源的內(nèi)阻，耦合到系統(tǒng)內(nèi)部的電路，從而對系統(tǒng)造成極大的危害。（3）數(shù)字電路引起的干擾 從量值上看，數(shù)字集成電路邏輯門引出的直流電流一般只有mA級。由于一般的較低頻率的信號處理電路中對此問題考慮不多，所以容易使人忽略數(shù)字電路引起的干擾因素。但是，對于高速采樣及信道切換等場合，即當(dāng)電路處在高速開關(guān)狀態(tài)時，就會形成較大的干擾。6.2 干擾的引入 干擾是一種破壞因素，但它必須通過一定的傳播途徑才能影響到測量系統(tǒng)。所以有必要對干擾的引入或傳播進(jìn)行必要的分析，切斷或

6、抑制耦合通道，采取使接收電路對干擾不敏感或使用濾波等手段，有效地消除干擾。 干擾的引入和傳播主要有以下幾種： 靜電耦合：又稱靜電感應(yīng)，即干擾經(jīng)雜散電容耦合到電路中去。 電磁耦合：又稱電磁感應(yīng)，即干擾經(jīng)互感耦合到電路中去。 共阻抗耦合：即電流經(jīng)兩個以上電路之間的公共阻抗耦合到電路中去。 輻射電磁干擾和漏電流耦合：即在電能頻繁交換的地方和高頻換能裝置周圍存在的強(qiáng)烈電磁輻射對系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾和由于絕緣不良由流經(jīng)絕緣電阻的電流耦合到電流中去的干擾。 對于檢測系統(tǒng)，干擾引入的電路方式有串模干擾和共模干擾。 6.2 干 擾 的 引 入 串模干擾與共模干擾：串模干擾是指串聯(lián)于信號回路中的干擾，產(chǎn)生于傳輸線的互

7、感，和頻率有關(guān)，常用濾波和改善采樣頻率來減少。共模干擾是干擾電壓同時加到兩條信號線上出現(xiàn)的干擾，因此線路傳輸結(jié)構(gòu)保持平衡能很好地抑制共模干擾。串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾，共模干擾是加在儀表任一輸入端與地之間的干擾。作用方式：一種是疊加到測量信號上一般是雜亂變化、頻率較高的干擾噪聲稱為串模干擾。另一種是公有電壓干擾，可以是一種直流或交變的電壓信號，稱為共模干擾。按噪聲干擾模式不同，分 為共模干擾和差模干擾。共模 干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線 上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離 性能差的配電器供電室， 變送器輸出

8、信號的共模電壓普遍較高， 有的可高達(dá) 130V 以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元 器件損壞（這就是一些系統(tǒng) I/O 模件損壞率較高的主要原因），這種共模干擾可 為直流、亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間 電磁場在信號間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓， 這種讓直 接疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。 差模干擾在兩根信號線之間傳輸，屬于對稱性干擾。 6.2.1 串模干擾 串模干擾的等效電路如圖6.1所示。其中，Us為輸入信號，Un為干擾信號?？勾８蓴_能力用串模抑制比來表示： (6.3) 式中：Ucm為串模干擾源

9、 的電壓峰值； Un為串模干擾引起 的誤差電壓。圖6.1 串模干擾等效電路6.2.2 共模干擾 信號通道間可能存在共模干擾，其實此類干擾可以歸納為三類：（1）由被測信號源的特點產(chǎn)生共模干擾如圖6.2所示，具有雙端輸出的差分放大器和不平衡電橋等不具有對地電位地的形式產(chǎn)生的共模干擾。 差模電壓 共模電壓 (6.4) (6.5) (6.6) (6.7) 圖6.2 共模電壓示意圖（2）電磁場干擾引起共模干擾 當(dāng)高壓設(shè)備產(chǎn)生的電場同時通過分布電容耦合到無屏蔽的雙輸入線，而使之具有對地電位時，或者交流大電流設(shè)備的磁場通過雙輸入線的互感在雙輸入線中感應(yīng)出相同大小的電動勢時，都有可能產(chǎn)生共模電壓施加在兩個輸入

10、端。如圖6.3a所示，若U H很高，通過局部電容C C1，C C2，C C3，C C4耦合到無屏蔽雙輸入線上的對地電壓是U H在相應(yīng)電容上的分壓值U 1及U 2: (6.8) (6.9) 圖6.3 電磁場干擾引起共模電壓當(dāng)U 1U 2時，它們即是共模干擾電壓；當(dāng)U 1U 2時，則既有共模干擾電壓，又有差模干擾電壓。圖6.3b表示大電流導(dǎo)體的電磁場在雙輸入線中感應(yīng)產(chǎn)生的干擾電動勢E1及E2也具有相似的性質(zhì)。即當(dāng)E1E2時，產(chǎn)生共模干擾；當(dāng)E1E2時，既產(chǎn)生共模干擾又產(chǎn)生差模干擾電動勢EnE1E2。（3）由不同地電位引起的共模干擾 當(dāng)被測信號源與檢測裝置相隔較遠(yuǎn)，不能實現(xiàn)共同的“大地點”上接地時，

11、由于來自強(qiáng)電設(shè)備的大電流流經(jīng)大地或接地系統(tǒng)導(dǎo)體，使得各點電位不同，并造成兩個接地點的電位差Uce，即會產(chǎn)生共模干擾電壓，如圖6.4所示。圖中Re為兩個接地點間的等效電阻。6.3 干擾的抑制方法 目前在計算機(jī)檢測系統(tǒng)中，主要從硬件和軟件兩個方面來考慮干擾抑制問題。其中，接地、屏蔽、去耦，以及軟件抗干擾等是抑制干擾的主要方法。6.3.1 計算機(jī)檢測系統(tǒng)的接地 接地技術(shù)起源于強(qiáng)電，其概念是將電網(wǎng)的零線及各種設(shè)備的外殼接大地，以起到保障人身和設(shè)備安全的目的。在電子裝置與計算機(jī)系統(tǒng)中，接地又有了新的內(nèi)涵，這里的“地”是指輸入信號與輸出信號的公共零電位，它本身可能是與大地相隔離。而接地不僅是保護(hù)人身和設(shè)備

12、安全，也是抑制噪聲干擾，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)。在設(shè)計和安裝過程中，如果能把接地和屏蔽正確地結(jié)合起來使用，是可以抑制大部分干擾的。因此，接地是系統(tǒng)設(shè)計中必須加以充分而考慮的問題。 通過正確的接地，可消除各電路電流流經(jīng)公共地線阻抗時所產(chǎn)生的噪聲電壓；避免磁場和地電位差的影響，不使其形成地環(huán)路，避免噪聲耦合的影響。我們知道，作為導(dǎo)體，地球的體積非常大，其靜電容量也是非常大的，故其電位比較恒定。在實際的工程應(yīng)用中，常將地球電位作為基準(zhǔn)電位，即零電位。此外，通過導(dǎo)體與大地相連時，即使有少許的接地電阻，只要沒有電流導(dǎo)入大地，可以認(rèn)為導(dǎo)體的各部分以及與該導(dǎo)體連接的其他導(dǎo)體全都和大地一樣為零電位。 當(dāng)然

13、，檢測系統(tǒng)在工作時，系統(tǒng)和基準(zhǔn)電位之間總會有微小的電位差，要完全不讓電注流入接地點是困難的。因此，接地電位的變化是產(chǎn)生干擾的最大原因之一。6.3.2 接地的類型 檢測系統(tǒng)的接地主要有二種類型： 保護(hù)接地： 保護(hù)接地是為了避免因設(shè)備的絕緣損壞或性能下降時，系統(tǒng)操作人員遭受觸電危險和保證系統(tǒng)安全而采取的安全措施。 工作接地： 工作接地是為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，防止地環(huán)路引起干擾而采取的防干擾措施。 （1）一點接地和多點接地 一般來說，系統(tǒng)內(nèi)印制電路板接地的基本原則是高頻電路應(yīng)就近多點接地，低頻電路應(yīng)一點接地。 一般，頻率在1MHz以下，可用一點接地；而高于10MHz時，則應(yīng)多點接地。在110M

14、Hz之間時，如果采用一點接地的方式，其地線長度就不要超過波長的1/20。否則，應(yīng)采用多點接地的方式。（2）交流地與信號地 在一段電源地線的兩點間會有數(shù)毫伏，甚至幾伏電壓。對低電平的信號電路來說，這是一個非常嚴(yán)重的干擾，必須加以隔離和防止，因此，交流地和信號地不能共用。（3）浮地與接地 多數(shù)的系統(tǒng)應(yīng)接大地，有些特殊的場合，如飛行器或船艦上使用的儀器儀表不可能接大地，則應(yīng)采用浮地方式。系統(tǒng)的浮地就是將系統(tǒng)的各個部分全部與大地浮置起來，即浮空，其目的是為了阻斷干擾電流的通路。浮地后，檢測電路的公共線與大地（或者機(jī)殼）之間的阻抗很大，所以，浮地同接地相比，能更強(qiáng)地抑制共模干擾電流。浮地方法簡單，但全系

15、統(tǒng)與地的絕緣電阻不能小于50M。這種方法有一定的抗干擾能力，但一旦絕緣下降便會帶來干擾；此外，浮空容易產(chǎn)生靜電，也會導(dǎo)致干擾。 還有一種方法，將系統(tǒng)的機(jī)殼接地，其余部分浮空。（4）數(shù)字地 數(shù)字地又稱邏輯地，主要是邏輯開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，如TTL、CMOS印刷板等數(shù)字邏輯電路的零電位。印刷板中的地線應(yīng)呈網(wǎng)狀，而且其他布線不要形成環(huán)路，特別是環(huán)繞外周的環(huán)路，在噪聲干擾上這是很重要的問題。印刷板中的條狀線不要長距離平行，不得已時，應(yīng)加隔離電極和跨接線,或作屏蔽處理。（5）模擬地 在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，利用A/D轉(zhuǎn)換為常用方式，而模擬量的接地問題是必須重視的。當(dāng)輸入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號較弱(050mV)時，模擬地

16、的接法顯得尤為重要。 為了提高抗共模干擾的能力，可采用三線采樣雙層屏蔽浮地技術(shù)。所謂三線采樣，就是將地線和信號線一起采樣，這樣的雙層屏蔽技術(shù)是抗共模干擾最有效的辦法。如圖6.5所示,其中，圖6.5（b）為圖6.5（a）的等效電路。 在等效電路圖中，R3為測量裝置A/D轉(zhuǎn)換器的等效輸入電阻；R4為低端到內(nèi)屏蔽的漏電阻，約109；C4為低端到內(nèi)屏蔽的寄生電容，約為2500pF；R5為內(nèi)屏蔽到外蔽漏電阻，約109；C5為內(nèi)屏蔽到外屏蔽的寄生電容，約為2500pF；R6為低端到外屏蔽的漏電阻，約1011；C6為低瑞到外屏蔽的寄生電容，約2pF。共模電壓(U/2+Uac)所引起的共模電流IcMl、IcM

17、2、IcM3中，IcMl是主要部分，它通過內(nèi)屏蔽R5、C5入地，不通過R2，所以不會引起與信號源相串聯(lián)的常態(tài)干擾；IcM2流過的阻抗比IcMl流過的大一倍，其電流只有IcMl的一半；IcM3在R2上所產(chǎn)生的壓降可以忽略不計。此時只有IcM2在R2上的壓降導(dǎo)致常態(tài)干擾而引起誤差，但其數(shù)值很小。如10V(DC)的共模電壓僅產(chǎn)生0.1V的DC常態(tài)型電壓和20V的AC常態(tài)型電壓。 在實際應(yīng)用中，由于傳感器和機(jī)殼之間容易引起共模干擾，所以A/D轉(zhuǎn)換器的模擬地一般采用浮空隔離的方式，即A/D轉(zhuǎn)換器不接地，它的電源自成回路。A/D轉(zhuǎn)換器和計算機(jī)的連接通過脈沖變壓器或光電耦合器來實現(xiàn)。 圖6.5 A/D轉(zhuǎn)換器

18、的屏蔽圖6.5 A/D轉(zhuǎn)換器的屏蔽（6）信號地(傳感器地) 傳感器的信號傳輸線應(yīng)當(dāng)采取屏蔽措施，以減少電磁輻射影響和傳導(dǎo)耦合干擾。 傳感器的地，一般以5導(dǎo)體(接地電阻)一點入地，注意這種地是不浮空的。（7）屏蔽地 屏蔽接地的目的是避免電場磁場對系統(tǒng)的干擾。實用中屏蔽的接法根據(jù)屏蔽對象的不同也各有不同： 電場屏蔽。電場屏蔽的目的是解決分布電容的問題，一般以接大地的方式解決。 電磁場屏蔽。主要是為了避免雷達(dá)、短波電臺等高頻電磁場的輻射干擾問題，屏蔽材料要利用低阻金屬材料，最好接大地。 磁路屏蔽。磁路屏蔽是為了防磁鐵、電動機(jī)、變壓器、線圈等磁感應(yīng)、磁耦合而采取的抗干擾方法，其屏蔽材料為高磁材料。磁路

19、屏蔽以封閉式結(jié)構(gòu)為妥，并且接大地。 放大電路的屏蔽。檢測系統(tǒng)分機(jī)中的高增益放大電路最好用金屬罩屏蔽起來。解決的辦法就是將屏蔽體接到放大電路的公共端，將寄生電容短路以防止反饋，達(dá)到避免放大電路的振蕩的目的。 若信號電路是一點接地，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)是一點接地。如果電纜的屏蔽層接地點有一個以上，就會產(chǎn)生噪聲電流。對于扭絞電纜的芯線來說，屏蔽層中的電流便在芯線中耦合出不同的電壓，形成干擾源。 若電路有一個不接地的信號源與一個接地的(即使不是接大地)放大電路相連，輸入端的屏蔽應(yīng)接至放大電路的公共端。相反，若接地的信號源與不接地的放大器連接，即使信號源接的不是大地，放大電路的輸入端也應(yīng)接到信號源的公共

20、端。（8）電纜和接插件的屏蔽 檢測系統(tǒng)中，信號的傳輸距離可能較遠(yuǎn)，在布線走線時應(yīng)注意減少這些現(xiàn)象的發(fā)生，并應(yīng)做到以下幾點： 1)高電平線和低電平線不要走同一條電纜。當(dāng)不得已時，高電平線應(yīng)組合一起，并要單獨加以屏蔽。同時要仔細(xì)選擇低電平線的位置。 2)高電平線和低電平線不走同一接插件。不得巳時，要將高電平端子和低電平端子分支兩端，中間留備用端子，并在中間接高電平引線地線和低電平引線地線。 3)系統(tǒng)的出入電纜部分應(yīng)保持屏蔽完整。電纜的屏蔽體也要經(jīng)過接插件予以連接。當(dāng)兩條以上屏蔽電纜共用一個插件時，每條電纜的屏蔽層都要單獨用一個接線端子。以免造成地環(huán)路使電流在各屏蔽層中間流動，產(chǎn)生新的干擾。 4)低

21、電平電纜的屏蔽層要實施一端接地，屏蔽層外面要有絕緣層，以防與其他地線接觸。 （9）其他接地 功率地。這種地線的電流較大，接地線的線徑應(yīng)較粗，且與小信號地線分開，連直流地。 小信號前置放大電路與內(nèi)存放大電路的地。放大電路本身采用一點入地，不能一個電路多點接地，否則地線中的電位差將對放大電路產(chǎn)生干擾。A/D前置放大電路一般浮空。內(nèi)存放大電路的印刷電路板上一點入地。這類放大器的地線一定要遠(yuǎn)離功率地和噪聲地(即繼電器、電動機(jī)等的地)。 6.3.3 隔離與耦合 在抗干擾措施中，還采用各種隔離與耦合的方式來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。使用這種方法可以讓兩個電路相互獨立而不形成一個回路。 此外，檢測系統(tǒng)中單片機(jī)與

22、數(shù)字電路、脈沖電路、開關(guān)電路的接口，一般也用光電耦合器進(jìn)行隔離，以切斷公共阻抗環(huán)路，避免長線感應(yīng)和共模干擾。 高增益的放大器（60dB），需要在輸入級設(shè)級間耦合。在需要采用較長信號傳輸線的場合，可以采用屏蔽與光電耦合相結(jié)合的辦法。 常用的隔離方法有光電耦合器件隔離、繼電器隔離、隔離放大器隔離和隔離變壓器隔離等。 圖6.6為采用光電耦合器隔離前級放大和后級放大電路的方法。 圖6.7為幾種使用光電耦合器進(jìn)行隔離的方式。圖6.6放大器間的光電隔離圖6.7采用光電耦合器隔離的方法6.3.4 布線抗干擾措施 在檢測系統(tǒng)中，印制板上電力線、信號線等線路的布局、板上器件空余管腳安排、測試設(shè)備與儀器儀表的信號

23、傳輸線的連接等，都是實際應(yīng)用中要考慮的問題。（1）走線原則 在長線傳輸中，為了防止竄擾，行之有效的辦法是采用交叉走線法。長線傳送時，應(yīng)遵循功率線、載流線和信號線要分開，電位線和脈沖線分開的原則。在傳送050mv的小信號時，更應(yīng)該如此。 電力電纜最好用屏蔽電纜，并且單獨走線，與信號線不能平行，更不能將電力線與信號線裝在同一電纜中。（2）元器件空余輸入端的處理 電路設(shè)計中常常會出現(xiàn)器件管腳空余的現(xiàn)象，一般不能將這些管腳隨意處置，特別是元器件空余輸入端，處理不好往往可能造成較大的干擾輸入，所以應(yīng)采取一定的處理方法，以降低干擾。實踐中常采取如下方法： 把空余的輸入端與使用輸入端并聯(lián)。這種方法簡單易行，

24、但增加了前級電路的輸出負(fù)擔(dān)； 把空余的輸入端通過一個電阻接高電平。這種方法適用于慢速、多干擾的場合； 把空余的輸入端懸空，用一反相器接地。這種方法適用于要求嚴(yán)格的場合，但多用了一個組件。（3）數(shù)字電路的抗干擾措施 每一塊數(shù)字電路組件上，都有高頻去耦電容，一般為0.010.02F。在布局上這些電容應(yīng)充分靠近集成塊，并且不應(yīng)集中在印刷板上每一端。每塊印刷板上的電源輸入端也應(yīng)加10100F的去耦電容。直流配電線的引出端也應(yīng)盡可能地做成低阻抗傳輸線的形式。 所有裝有大量邏輯電路的印制板，都必須有良好的接地。實際設(shè)計中，這個地可以是低阻泄流排，或者是印制板上大面積的銅箔作接地，其接地面積應(yīng)占印制板面積的

25、60以上。 在檢查印制板的接地時要注意是否接觸良好、可靠。 6.3.5 軟件抗干擾措施 干擾不僅影響檢測系統(tǒng)的硬件，而且對其軟件系統(tǒng)也會形成破壞。軟件的抗干擾設(shè)計對計算機(jī)檢測系統(tǒng)是至關(guān)重要的。 實際的工程應(yīng)用中，僅采用硬件措施往往滿足不了需要，所以應(yīng)該尋求軟件方法。 在軟件方法中已有不少有效的措施，如數(shù)字濾波、選頻和相關(guān)處理等，這些軟件處理程序可以方便地提取淹沒在噪聲中的有用信號。 設(shè)計實踐證明：軟件抗干擾不僅效果好，而且降低了產(chǎn)品成本。 在系統(tǒng)運(yùn)行速度和內(nèi)存容量許可的條件下、應(yīng)盡量采用軟件抗干擾設(shè)計。（1）干擾對系統(tǒng)軟件的影響 外界的干擾對智能儀器儀表中單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾后，可能引起RAM、

26、程序計數(shù)器獲總線上的數(shù)字信號發(fā)生錯亂，CPU根據(jù)錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到錯誤的操作數(shù)和結(jié)果，在沒有任何糾錯措施的情況下，這個錯誤會一直傳遞下去。 計算機(jī)系統(tǒng)中的片內(nèi)RAM、擴(kuò)展RAM以及片內(nèi)的各種特殊功能寄存器等，都可能因外界干擾引起狀態(tài)的改變。 如果某個中斷專用寄存器的數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤，中斷設(shè)置方式的設(shè)計與維護(hù)中必須采取措施，維持正常、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。改變，可能造成有用中斷的關(guān)閉和未用中斷的開啟，使意外的非法中斷得以進(jìn)入。 造成數(shù)據(jù)誤差、控制失靈、某些部件的工作狀態(tài)改變等，都是干擾可能對系統(tǒng)軟件造成的影響。（2）軟件抗干擾的主要措施1）數(shù)字濾波 檢測系統(tǒng)的輸入信號和外界的干擾有時是隨機(jī)的，故其特性

27、往往只能從統(tǒng)計的意義上來描述。此時，經(jīng)典濾波方法就不可能把有用的信號從測量結(jié)果中分離出來。而數(shù)字濾波具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算程序?qū)Σ蓸有盘栠M(jìn)行平滑處理，提高其有用信號，消除或減少各種干擾和噪音的影響，以保證系統(tǒng)的可靠性。例如，對于N次等精度數(shù)據(jù)采集，存在著系統(tǒng)誤差和因干擾引起的粗大誤差，使采集的數(shù)據(jù)偏離真實值。此時，可以采用算術(shù)平均值的方法，求出平均值作為測量示值。還可以在此基礎(chǔ)之上，將剔除了粗大誤差的測量數(shù)據(jù)的平均值作為測量結(jié)果示值。這樣既剔除了粗大誤差，又可以消除一定的系統(tǒng)誤差。在綜合考慮適當(dāng)?shù)腘值后，可以在滿足測量精度要求的前提下，擁有足夠的測量速度。式（6.

28、10）為該數(shù)字濾波方法的表達(dá)式。（6.10） 式中， 為第i次的測量值，m為粗大誤差數(shù)。 對于主要以去掉脈沖性質(zhì)的干擾為目的的場合，可以采用中值濾波法。 另外，這個數(shù)字濾波方法只要改變循環(huán)次數(shù)，則可以推廣到對任意采樣值進(jìn)行中值濾波，而且N值越大，濾波效果就越好。但是在實際應(yīng)用中不可能把N值取得太大，一般取59即可，以控制總得采樣時間。 對于慢速隨機(jī)變量，要采用動態(tài)濾波的方法，即一階滯后濾波方法。式（6.11）為該法的表達(dá)式。式中，X（k）為第k次采樣值；為第k次采樣后的濾波結(jié)果輸出值；為上次濾波結(jié)果輸出值；為濾波平滑系數(shù)，；為濾波環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；T為采樣周期。（6.11） 通常采樣周期要遠(yuǎn)小于

29、濾波環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，也就是輸入信號的頻率快，而濾波環(huán)節(jié)時間常數(shù)相對地大，這是一般濾波器的概念，所以這種數(shù)字濾波器相當(dāng)于硬件電路中的RC濾波器。對于 、T的選取，可以根據(jù)具體情況而定。一般 越大，濾波的截止頻率就越低，相當(dāng)于RC濾波電路中電容增大，而硬件電路中的電容增加是有限的，數(shù)字濾波器中的值則是可以任意取值的，這也是數(shù)字濾波器可以作為低通濾波器的原因。濾波系數(shù) 的確定可以根據(jù)選用的 和T計算得到，其值一般為小數(shù)，所以（1 ）也是小數(shù)。 每一種數(shù)字濾波方法都有其各自的特點，在實際應(yīng)用中要根據(jù)具體的測量參數(shù)來選用合適的方法。除了可以根據(jù)所測參量變化快慢情況來選取外，要注意濾波效果與所選擇的采樣次

30、數(shù)N有關(guān)，N越大，效果越好，只是花費(fèi)時間越長。 所以，在考慮實際濾波效果達(dá)到要求的前提下，應(yīng)采用運(yùn)行時間較短的程序。此外，在熱工和化工過程DDC系統(tǒng)中，要結(jié)合實際情況決定是否一定用數(shù)字濾波方法。因為不適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波方法有可能將要控制的波動濾掉，從而降低控制效果甚至不能控制。2）軟件陷阱 軟件陷阱是通過指令強(qiáng)行將捕獲的程序引向指定地址，并在此用專門的出錯處理程序加以處理的軟件抗干擾技術(shù)。 從匯編語言的角度，軟件陷阱可用一條長跳轉(zhuǎn)指令來實現(xiàn)，如MC-51單片機(jī)指令可用LJMP ERTREAT（錯誤處理程序入口），為加強(qiáng)捕捉效果，一般還結(jié)合指令冗余，即為抑制CPU受干擾后把操作數(shù)當(dāng)成指令碼來執(zhí)行，而

31、加入的不可能把操作數(shù)當(dāng)成指令碼來執(zhí)行的兩個字節(jié)的空操作指令NOP，實用中可在該指令前加上兩條NOP指令，所以軟件陷阱一般有三條指令構(gòu)成：NOPNOPLJMP ERTREAT 程序中安置軟件陷阱的位置是很考究的，通常可以在未使用的中斷向量區(qū)、未使用的程序存儲區(qū)、表格末端、程序區(qū)的斷裂點等位置設(shè)置相應(yīng)的陷阱。 應(yīng)該注意的是：當(dāng)程序因干擾而彈飛，進(jìn)入到非正常區(qū)域，若被這一位置事先設(shè)置好的軟件陷阱捕捉，這時應(yīng)引導(dǎo)程序先期進(jìn)入出錯處理程序，而不要簡單地將程序引導(dǎo)到某段程序的起始處。在未使用的中斷向量區(qū)設(shè)置陷阱，利用的是各種CPU所約定的中斷入口地址。例如MCS-51CPU有5個中斷源，對應(yīng)每個中斷源的中

32、斷子程序的入口地址都有明確的規(guī)定，不能任意選擇：中斷源 中斷入口地址外部中斷INT0 0003H定時器中斷T0 000BH外部中斷INT1 0013H定時器中斷T1 001BH串行通道中斷 0023H 所以中斷服務(wù)子程序可以放在程序存儲區(qū)的任何位置，但在上述中斷入口地址單元必須放一條跳轉(zhuǎn)指令，指向相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序（對于軟件設(shè)計中開放了的中斷而言）。這時陷阱的設(shè)置就是在未使用的中斷所對應(yīng)的中斷入口地址單元中放一條跳轉(zhuǎn)指令，讓因干擾而激活的中斷服務(wù)進(jìn)入出錯處理程序。 在程序寄存器EPROM的使用中，常常會遇到剩余大量未編程的空間的情況。這些未被使用的單元一般呈現(xiàn)0FFH狀態(tài)，對于8051指令系統(tǒng)則是MOV R7,A這一指令。如果程序彈飛到此，將進(jìn)入不再跳轉(zhuǎn)的假停機(jī)狀態(tài)。如果在這些未編程的空間，以每隔一定距離設(shè)置一陷阱，加上一條跳轉(zhuǎn)指令，引導(dǎo)程序到出錯處理程序，就可以解決該問題。 在程序區(qū)中不能任意設(shè)置陷阱，否則將影響程序的正常執(zhí)行，故一般是在程序的斷裂點處設(shè)置陷