第7章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)黃國(guó)宏黃國(guó)宏廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院應(yīng)用電子系廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院應(yīng)用電子系 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件是工業(yè)控制機(jī)的程序系統(tǒng)，它可分為軟件是工業(yè)控制機(jī)的程序系統(tǒng)，它可分為系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件、支持軟件支持軟件和和應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件三部分。三部分。 所謂所謂應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件就是面向控制系統(tǒng)本身的程序，它是根就是面向控制系統(tǒng)本身的程序，它是根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，由用戶(hù)自己設(shè)計(jì)的。據(jù)系統(tǒng)的具體要求，由用戶(hù)自己設(shè)計(jì)的。第七章第七章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控

2、制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)7.1.3 工業(yè)控制組態(tài)軟件 目前，越來(lái)越多的控制工程師已不再采用從芯片目前，越來(lái)越多的控制工程師已不再采用從芯片電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)模塊制做模塊制做系統(tǒng)組裝調(diào)試系統(tǒng)組裝調(diào)試的傳統(tǒng)模式來(lái)的傳統(tǒng)模式來(lái)研制研制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，而是采用，而是采用組態(tài)模式組態(tài)模式。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組態(tài)功能可分為兩個(gè)主要方面，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組態(tài)功能可分為兩個(gè)主要方面，即即硬件組態(tài)硬件組態(tài)和和軟件組態(tài)軟件組態(tài)。 硬件組態(tài)硬件組態(tài)常以總線(xiàn)式常以總線(xiàn)式(PC總線(xiàn)或總線(xiàn)或STD總線(xiàn)總線(xiàn))工業(yè)控制機(jī)工業(yè)控制機(jī)為主進(jìn)行選擇和配置。為主進(jìn)

3、行選擇和配置。 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 工業(yè)控制組態(tài)軟件工業(yè)控制組態(tài)軟件是標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?、商品化的通是標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、商品化的通用用過(guò)程控制軟件過(guò)程控制軟件 。 組態(tài)工作是在組態(tài)軟件支持下進(jìn)行的，組態(tài)軟件主組態(tài)工作是在組態(tài)軟件支持下進(jìn)行的，組態(tài)軟件主要包括：要包括：控制組態(tài)控制組態(tài)、圖形生成系統(tǒng)圖形生成系統(tǒng)、顯示組態(tài)顯示組態(tài)、IO通通道登記道登記、單位名稱(chēng)登記單位名稱(chēng)登記、趨勢(shì)曲線(xiàn)登記趨勢(shì)曲線(xiàn)登記、報(bào)警系統(tǒng)登記報(bào)警系統(tǒng)登記、報(bào)表生成系統(tǒng)報(bào)表生成系統(tǒng)共共8個(gè)方面的內(nèi)容。個(gè)方面的內(nèi)容。 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)

4、計(jì)第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)7.3 測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)(重要-自學(xué)) 傳感器把生產(chǎn)過(guò)程的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后用傳感器把生產(chǎn)過(guò)程的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然

5、后用A AD D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，讀入計(jì)算機(jī)中，完成數(shù)據(jù)的換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，讀入計(jì)算機(jī)中，完成數(shù)據(jù)的采集。采集。 對(duì)于這樣得到的數(shù)據(jù)，一般要進(jìn)行一些預(yù)處理，其中最對(duì)于這樣得到的數(shù)據(jù)，一般要進(jìn)行一些預(yù)處理，其中最基本的處理有基本的處理有線(xiàn)性化處理線(xiàn)性化處理、標(biāo)度變換標(biāo)度變換和和系統(tǒng)誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)。 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)7.5 系統(tǒng)的有限字長(zhǎng)數(shù)值問(wèn)題系統(tǒng)的有限字長(zhǎng)數(shù)值問(wèn)題 在實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)必須回答這樣一些問(wèn)題：1. 轉(zhuǎn)換器應(yīng)有多精確?2. 在計(jì)算中要求什么樣的精度?3. 計(jì)算應(yīng)當(dāng)用定點(diǎn)運(yùn)算還是用浮點(diǎn)

6、運(yùn)算? 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 到目前為止，所討論的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)均只考慮了信號(hào)在時(shí)間上的離散化問(wèn)題時(shí)間上的離散化問(wèn)題，而并未考慮幅值幅值上的量化效應(yīng)上的量化效應(yīng)， 7.5.1 量化誤差來(lái)源量化誤差來(lái)源1.量化誤差量化誤差 設(shè)計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)為n1，采用定點(diǎn)無(wú)符號(hào)整數(shù)，則機(jī)內(nèi)數(shù)的最小單位 稱(chēng)為量化單位量化單位。 112121nnq第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)例如：設(shè)模擬電壓是05V，采用8位、12位AD轉(zhuǎn)換器，則可表示的最小單位最小單位分別是185

7、00021q 212500021q =19.6078mV =1.2210mV通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換可計(jì)算出模擬電壓x相當(dāng)于多少個(gè)整量化單整量化單位位，即 x=Lq+，式中L為整數(shù)，對(duì)于余數(shù)(q)可以用截尾或舍入截尾或舍入來(lái)處理。 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)所謂截尾：所謂截尾： 就是舍掉數(shù)值中小于q的余數(shù)(q)，其截尾誤截尾誤差差t為t=xt-x，式中x為實(shí)際數(shù)值，xt為截尾后的數(shù)值。顯然-qt0。 所謂舍入：所謂舍入： 就是當(dāng)被舍掉的余數(shù)大于或等于量化單位的一半時(shí)，則最小有效位加1；而當(dāng)余數(shù)小于量化單位量化單位的一半時(shí)，則舍掉。這時(shí)舍入誤差舍入誤差為r=xr-

8、x 式中x為實(shí)際數(shù)值，xr舍入后的數(shù)值。顯然，-q/2rq/2。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.量化誤差來(lái)源量化誤差來(lái)源 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中數(shù)值誤差源有三個(gè)數(shù)值誤差源有三個(gè)：1. 首先被測(cè)參數(shù)(模擬量)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量時(shí)產(chǎn)生了第一次量化誤差。2. 在運(yùn)算之前，運(yùn)算式的參數(shù)(如PID算式中的Kp、TI、TD等)必須預(yù)先置入指定的內(nèi)存單元。由于字長(zhǎng)有限，對(duì)參數(shù)可采用截尾或舍入來(lái)處理。另外在運(yùn)算過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生誤差。3. 計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬量，在模擬量輸出裝置內(nèi)產(chǎn)生了第三次量化誤差。 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

9、計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)7.5.2 A/D、D/A及運(yùn)算字長(zhǎng)的選擇及運(yùn)算字長(zhǎng)的選擇 為減少量化誤差，在條件允許的情況下，可盡量加大字長(zhǎng)加大字長(zhǎng)。下面分別討論A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器和運(yùn)運(yùn)算的字長(zhǎng)選取算的字長(zhǎng)選取。 1 A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇 為把量化誤差量化誤差限制在所允許的范圍內(nèi)，應(yīng)使A/D轉(zhuǎn)換器有足夠的字長(zhǎng)足夠的字長(zhǎng)。 確定字長(zhǎng)要考慮的因素確定字長(zhǎng)要考慮的因素是：輸入信號(hào)輸入信號(hào)x的動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍和分辨率分辨率。 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) (1) 輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍 設(shè)輸入信號(hào)的最大值和最小值之

10、差為 mVxxn) 12(1minmax式中n1為A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)，為轉(zhuǎn)換當(dāng)量轉(zhuǎn)換當(dāng)量mv/bit。則動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍為： minmax121xxn因此，A/D轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng) )1 (logminmax21xxn第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(2) 分辨率分辨率 有時(shí)對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)要求字長(zhǎng)要求以分辨率分辨率形式給出。分辨率定義為 1211nD例如，8位的分辨率為 12116D)11 (021Dlogn 0.0039215如果所要求的分辨率為D0，則字長(zhǎng)0000015216位的分辨率為1218D第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟

11、件設(shè)計(jì)例如，某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為0至200，要求分辨為0.005(即相當(dāng)于1)，可求出A/D轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng) )005. 011 ()11 (2021logDlogn7.65 因此，取A/D轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)n1為8位。 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2. D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇 D/A轉(zhuǎn)換器輸出一般都通過(guò)功率放大器功率放大器推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入值為umax, 最小輸入值為umin，靈敏度為，可得D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng) )1logminmax21uu(n 即D/A轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)滿(mǎn)足執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)范圍的要求。一般情況下，可選D/A字長(zhǎng)小于或

12、等于A/D字長(zhǎng)。 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 為了提高工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性，僅靠硬件抗干擾措施是不夠的，需要進(jìn)一步借助于軟件措施來(lái)克服某些干擾。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，如能正確地采用軟件抗干擾措施，與硬件抗干擾措施構(gòu)成雙道抗干擾防線(xiàn)，無(wú)疑將大大提高工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性。 經(jīng)常采用的軟件抗干擾技術(shù)是數(shù)字濾波技術(shù)數(shù)字濾波技術(shù)、開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)量的軟件抗干擾技術(shù)、指令冗余技術(shù)指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)軟件陷阱技術(shù)等。 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)一、測(cè)控系統(tǒng)軟件的基本要求一、測(cè)控系統(tǒng)軟件的基本要求 （1 1）易

13、理解、易維護(hù)）易理解、易維護(hù) 指軟件系統(tǒng)容易閱讀和理解，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容指軟件系統(tǒng)容易閱讀和理解，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。易修改和補(bǔ)充。（2 2）實(shí)時(shí)性）實(shí)時(shí)性 要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時(shí)給出處理要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時(shí)給出處理結(jié)果。結(jié)果。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 兩方面含義：其一是比較容易制定出測(cè)試準(zhǔn)則，并兩方面含義：其一是比較容易制定出測(cè)試準(zhǔn)則，并根據(jù)這些準(zhǔn)則對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試；根據(jù)這些準(zhǔn)則對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試； 其二軟件設(shè)計(jì)完成后，首先在模擬環(huán)境下運(yùn)行，經(jīng)其二軟件設(shè)計(jì)完成后，首先在模擬環(huán)境下運(yùn)行，經(jīng)過(guò)過(guò)靜態(tài)分析

14、靜態(tài)分析和和動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行，證明正確無(wú)誤后才可投入，證明正確無(wú)誤后才可投入實(shí)際運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（4 4）準(zhǔn)確性）準(zhǔn)確性算法選擇、位數(shù)選擇等要符合要求。算法選擇、位數(shù)選擇等要符合要求。（5 5）可靠性）可靠性 最重要的指標(biāo)之一，兩方面含義：第一是運(yùn)行最重要的指標(biāo)之一，兩方面含義：第一是運(yùn)行參數(shù)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，軟件能可靠運(yùn)行并給出準(zhǔn)確參數(shù)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，軟件能可靠運(yùn)行并給出準(zhǔn)確結(jié)果，即軟件應(yīng)具有結(jié)果，即軟件應(yīng)具有自適應(yīng)性自適應(yīng)性； 第二是工業(yè)環(huán)境極其惡劣，干擾嚴(yán)重，軟件必第二是工業(yè)環(huán)境極其惡劣，干擾嚴(yán)重，軟件必須保證在嚴(yán)

15、重干擾條件下也能可靠運(yùn)行。須保證在嚴(yán)重干擾條件下也能可靠運(yùn)行。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1.1.采用軟件的方法抑制疊加在輸入輸出信號(hào)上噪聲影采用軟件的方法抑制疊加在輸入輸出信號(hào)上噪聲影響，如模擬輸入信號(hào)的響，如模擬輸入信號(hào)的數(shù)字濾波技術(shù)數(shù)字濾波技術(shù)；2.2.由于干擾而使程序發(fā)生混亂，導(dǎo)致由于干擾而使程序發(fā)生混亂，導(dǎo)致程序亂飛程序亂飛或或陷入陷入死循環(huán)死循環(huán)，采取使程序納入正規(guī)的措施，如，采取使程序納入正規(guī)的措施，如指令冗余指令冗余、軟軟件陷阱件陷阱、“看門(mén)狗看門(mén)狗”技術(shù)技術(shù)等；等；3.3.發(fā)現(xiàn)程序失控后，解決系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行的方法，發(fā)現(xiàn)程序失控后，解決

16、系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行的方法，如重要信息的恢復(fù)，系統(tǒng)重入的條件等；如重要信息的恢復(fù)，系統(tǒng)重入的條件等；第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 與模擬濾波器相比，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)與模擬濾波器相比，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn): : 1 1. .數(shù)字濾波是用數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。所以可靠性高，穩(wěn)定性好。 2 2. .數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低( (如如0.01Hz)0.01Hz)的信號(hào)實(shí)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

17、計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主要數(shù)字濾波算法：主要數(shù)字濾波算法：算術(shù)平均值法、中位值濾波算術(shù)平均值法、中位值濾波法、限幅濾波法、慣性濾波法法、限幅濾波法、慣性濾波法 3. 數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號(hào)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)。點(diǎn)。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 算術(shù)平均值法是對(duì)輸入的算術(shù)平均值法是對(duì)輸入的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)個(gè)采樣數(shù)據(jù)xi(i=1N)，尋找這樣一個(gè)尋找這樣一個(gè)y，使，使y與各采樣值間的與各采樣值間的偏差的平方和偏差的平方和為為最

18、小，使最小，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：NiiE12)(minxyNiiN11xy第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1234567891024252027246024252623采樣數(shù)據(jù)明顯存在被干擾被干擾現(xiàn)象現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù)）。采用算術(shù)平均值濾波算術(shù)平均值濾波后，其采樣值采樣值為：Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+ 26+23)/10=28序 號(hào)采樣值第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)特點(diǎn)：1）N值決定了信號(hào)平滑度和靈敏度值決定了信號(hào)平滑度和靈敏度。隨著。隨著N的增大，平的增大

19、，平滑度提高，靈敏度降低。應(yīng)該視具體情況選擇滑度提高，靈敏度降低。應(yīng)該視具體情況選擇N，以便，以便得到滿(mǎn)意的濾波效果。得到滿(mǎn)意的濾波效果。2）對(duì)每次采樣值給出）對(duì)每次采樣值給出相同的加權(quán)系數(shù)相同的加權(quán)系數(shù)，即，即1/N。在不同。在不同采樣時(shí)刻采集數(shù)據(jù)受到同樣重視。實(shí)際上某些場(chǎng)合需要采樣時(shí)刻采集數(shù)據(jù)受到同樣重視。實(shí)際上某些場(chǎng)合需要增加新采樣值在平均值中的比重，可采用增加新采樣值在平均值中的比重，可采用加權(quán)平均值加權(quán)平均值濾濾波法。波法。 濾波公式為：濾波公式為：Y=R0Y0+ R1Y1+ R2Y2+ RmYm。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3 3）平均值濾波

20、法一般適用平均值濾波法一般適用于具有周期性干擾噪聲的信于具有周期性干擾噪聲的信號(hào)，但對(duì)偶然出現(xiàn)的號(hào)，但對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號(hào)脈沖干擾信號(hào)，濾波效果尚不理想。，濾波效果尚不理想。 中位值濾波法中位值濾波法的原理是對(duì)被測(cè)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)。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)特點(diǎn):中位值濾波法對(duì)脈沖干擾信號(hào)等中位值濾波法對(duì)脈沖干擾信號(hào)等偶然因素引發(fā)的偶然因素引發(fā)的干擾有良好的濾波效果干擾有良好的濾波效果。 如對(duì)溫度、液位等變化緩慢的被測(cè)參數(shù)采用此法如對(duì)溫度、液位等變化緩慢的被測(cè)參數(shù)采用此法會(huì)收到

21、良好的濾波效果；會(huì)收到良好的濾波效果； 對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)一般對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)一般不宜不宜采用中采用中位值濾波法位值濾波法中位值濾波法中位值濾波法和和平均值濾波法平均值濾波法結(jié)合起來(lái)使用，濾波效結(jié)合起來(lái)使用，濾波效果會(huì)更好。即在每個(gè)采樣周期，先用中位值濾波法得果會(huì)更好。即在每個(gè)采樣周期，先用中位值濾波法得到到m個(gè)濾波值，再對(duì)這個(gè)濾波值，再對(duì)這m個(gè)濾波值進(jìn)行算術(shù)平均，得個(gè)濾波值進(jìn)行算術(shù)平均，得到可用的被測(cè)參數(shù)。也稱(chēng)為到可用的被測(cè)參數(shù)。也稱(chēng)為去脈沖干擾平均值濾波法去脈沖干擾平均值濾波法. 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1234567892

22、42520272460242526例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下：例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下：序序 號(hào)號(hào)采樣值采樣值采樣數(shù)據(jù)明顯存在采樣數(shù)據(jù)明顯存在被干擾被干擾現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù)）。現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù)）。采用采用去脈沖干擾平均值濾波去脈沖干擾平均值濾波后，其采樣值為：后，其采樣值為：25對(duì)對(duì)1、2、3次采樣中位值濾波后值：次采樣中位值濾波后值：24對(duì)對(duì)4、5、6次采樣中位值濾波后值：次采樣中位值濾波后值：27對(duì)對(duì)7、8、9次采樣中位值濾波后值：次采樣中位值濾波后值：25第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 由于大的隨機(jī)干擾隨機(jī)干擾或采樣器的不穩(wěn)定采樣器的不穩(wěn)定，使得采樣數(shù)據(jù)

23、偏離實(shí)際值太遠(yuǎn)，為此采用上、下限限幅采用上、下限限幅，即 當(dāng)y(n)yH時(shí)，則取y(n)=yH(上限值)； 當(dāng)y(n)yL時(shí)，則取y(n)=yL(下限值)； 當(dāng)yLy(n)yH時(shí)，則取y(n)。而且采用限速采用限速(亦稱(chēng))，即 當(dāng)|y(n)-y(n-1)|y0時(shí)，則取y(n); 當(dāng)|y(n)-y(n-1)|y0時(shí)，則取y(n)=y(n-1)。其中y0為兩次相鄰采樣值之差的可能。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) y0值的選取，取決于采樣周期T及被測(cè)參數(shù)y應(yīng)有的正常變化率。 因此，一定要按照實(shí)際情況來(lái)確定一定要按照實(shí)際情況來(lái)確定y0、yH及及yL，否則，非但達(dá)不

24、到濾波效果，反而會(huì)降低控制品質(zhì)。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)其中Tf=RC,它的濾波效果取決于濾波時(shí)間常數(shù)濾波時(shí)間常數(shù)Tf。因此，RC濾波器不可能對(duì)的信號(hào)進(jìn)行濾波。為此，人們模仿上式做成一階慣性濾波器一階慣性濾波器亦稱(chēng)低通濾波器低通濾波器。 sTsxsyf11)()()()() 1()(nxnyTnynyTsf 即將上式寫(xiě)成差分方程 常用的RC濾波器的傳遞函數(shù)是第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)慣性濾波器的頻率特性慣性濾波器的頻率特性，若濾波，。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)選取值，使得被測(cè)參數(shù)既不出現(xiàn)明顯的紋波，反

25、應(yīng)又不太遲緩。其中，= 稱(chēng)為濾波系數(shù)濾波系數(shù)，且01，Ts為采樣周期，Tf為濾波器時(shí)間常數(shù)。稍加整理得) 1()()1 () 1()()(nynxnyTTTnxTTTnysffsfssffTTT第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 干擾信號(hào)多呈毛刺狀，作用時(shí)間短，利用這一特點(diǎn)，我們干擾信號(hào)多呈毛刺狀，作用時(shí)間短，利用這一特點(diǎn)，我們?cè)诓杉骋婚_(kāi)關(guān)量信號(hào)時(shí)，可在采集某一開(kāi)關(guān)量信號(hào)時(shí)，可多次重復(fù)采集多次重復(fù)采集，直到連續(xù)兩次或，直到連續(xù)兩次或兩次以上兩次以上結(jié)果完全一致結(jié)果完全一致方為有效。方為有效。1、開(kāi)關(guān)量、開(kāi)關(guān)量(數(shù)字量數(shù)字量)信號(hào)信號(hào)輸入輸入抗干擾措施抗干擾措

26、施第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2、開(kāi)關(guān)量、開(kāi)關(guān)量(數(shù)字量數(shù)字量)信號(hào)信號(hào)抗干擾措施抗干擾措施 在軟件上，最為有效的方法就是重復(fù)輸出同一個(gè)數(shù)據(jù)。只要有可能，其重復(fù)周期盡可能短些。 輸出設(shè)備是電位控制型電位控制型還是，對(duì)干擾的敏感性敏感性相差較大。 前者有良好的抗“毛刺”干擾能力，后者不耐干擾，當(dāng)鎖存線(xiàn)上出現(xiàn)干擾時(shí)，它就會(huì)盲目鎖存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，也不管此時(shí)數(shù)據(jù)是否有效。 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)CPU受干擾后，往往將受干擾后，往往將當(dāng)作當(dāng)作，造成程序混亂。，造成程序混亂。當(dāng)程序彈飛到一單字節(jié)指令上時(shí)，便自動(dòng)納入正軌；當(dāng)

27、程序彈飛到一單字節(jié)指令上時(shí)，便自動(dòng)納入正軌；當(dāng)程序彈飛到一雙字節(jié)指令上時(shí)（操作碼、操作數(shù)），有當(dāng)程序彈飛到一雙字節(jié)指令上時(shí)（操作碼、操作數(shù)），有可能落到操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯(cuò)；可能落到操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯(cuò)；當(dāng)程序彈飛到一三字節(jié)指令上時(shí)（操作碼、操作數(shù)、操當(dāng)程序彈飛到一三字節(jié)指令上時(shí)（操作碼、操作數(shù)、操作數(shù)），因其有兩個(gè)操作數(shù)，從而繼續(xù)出錯(cuò)機(jī)會(huì)更大作數(shù)），因其有兩個(gè)操作數(shù)，從而繼續(xù)出錯(cuò)機(jī)會(huì)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(fù)書(shū)寫(xiě)，提高彈飛程序納入節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)書(shū)寫(xiě)，提高彈飛程序納

28、入正軌的機(jī)會(huì)，這便是正軌的機(jī)會(huì)，這便是。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如：利用減法比較兩無(wú)符號(hào)數(shù)的大小程序（數(shù)放如：利用減法比較兩無(wú)符號(hào)數(shù)的大小程序（數(shù)放A、B中）：中）：無(wú)指令冗余程序無(wú)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(diǎn)：指令冗余缺點(diǎn)：降低指令執(zhí)行效率降低指令執(zhí)行效率第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方法： 在一些對(duì)程序流向起決定作用的在一些對(duì)程序流向起決定作用的

29、指令之前指令之前插入兩條插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確的控制軌道。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：這些指令有：RET、RETI、LCALL、LJMP、JZ/JNZ、JC/JNC、JB/JNB、JBC、CJNE、DJNZ等。等。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)指令冗余特點(diǎn)指令冗余特點(diǎn)：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“操作碼、操作數(shù)操作碼、操作數(shù)”方式運(yùn)行，但不能保證失控方式運(yùn)行，但不能

30、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(wú)事。期間不干壞事，更不能保證程序納入正常軌道后太平無(wú)事。因?yàn)閺楋w的程序已經(jīng)偏離正常順序，做了不該做的事。解因?yàn)閺楋w的程序已經(jīng)偏離正常順序，做了不該做的事。解決這個(gè)問(wèn)題還要靠決這個(gè)問(wèn)題還要靠軟件容錯(cuò)技術(shù)軟件容錯(cuò)技術(shù)，減少或消滅程序誤動(dòng)作。，減少或消滅程序誤動(dòng)作。3、指令冗余使彈飛程序安定下來(lái)是有條件的，首先彈飛指令冗余使彈飛程序安定下來(lái)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。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(shí)，或彈飛的程序碰到冗余指當(dāng)程序彈飛到非程序區(qū)時(shí)，或彈飛的程序碰到冗余指令

31、前已形成死循環(huán)，都會(huì)使冗余指令失去作用。令前已形成死循環(huán)，都會(huì)使冗余指令失去作用。第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)所謂軟件陷阱所謂軟件陷阱，就是一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將撲獲的，就是一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將撲獲的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專(zhuān)門(mén)對(duì)程序程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專(zhuān)門(mén)對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。出錯(cuò)進(jìn)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(cuò)誤處理程序入口錯(cuò)誤處理程序入口第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件陷阱安排在下列四種地方：軟件陷阱安排在下

32、列四種地方：1）未使用的中斷向量區(qū)）未使用的中斷向量區(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) 由于都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序執(zhí)行效率，在當(dāng)前EPROM容量不成問(wèn)題的條件下，還是多多益善。 第第7 7章章 計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件陷阱安排在程序的斷裂點(diǎn)處軟件陷阱安排在程序的斷裂點(diǎn)處，這類(lèi)指令有，這類(lèi)指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI，正常執(zhí)行的程序到此便不會(huì)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(huì)繼續(xù)往下執(zhí)行，如果還要順序執(zhí)行，必然是出錯(cuò)了，就有必要設(shè)陷阱將其撲捉出來(lái)。然是出錯(cuò)了，就有必要設(shè)陷阱將其撲捉出來(lái)。如根據(jù)