九系統(tǒng)抗干擾設計

1、光電技術與智能控制教育部重點實驗室嵌入式系統(tǒng)抗干擾設計1嵌入式系統(tǒng)抗干擾設計一.可靠性與抗干擾技術概述二.硬件電路抗干擾技術三.印刷電路板抗干擾措施四.軟件抗干擾原理及方法2一、可靠性與抗干擾技術概述3 隨著控制技術自動化、智能化程度的提高，各種嵌入式系統(tǒng)應用越來越廣泛， 同時，由于電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)帶來的系統(tǒng)運行不穩(wěn)定現(xiàn)象也愈來愈嚴重。41、干擾的分類按噪聲產(chǎn)生的原因分類 放電噪聲：主要由雷電、靜電、電機電刷和大功率開關觸點斷開等放電現(xiàn)象產(chǎn)生的。 高頻振蕩噪聲：主要是感應電爐、開關電源、逆變器、高頻加熱器、超聲波設備以及電路內部反饋引

2、起的高頻自激振蕩所產(chǎn)生的。 浪涌噪聲是由大功率設備、晶閘管變流器和電動機啟動產(chǎn)生涌流所造成的。 5按噪聲傳導模式分類 常模噪聲：又稱差動噪聲、串模噪聲、橫向噪聲、線間感應噪聲或對稱噪聲等，常模噪聲與有用信號串在一起，噪聲電流In與有用信號電流Is在線路中的流向是一致的，噪聲電壓Vn始終疊加在信號電壓Vs上，如圖 (a)所示。這種噪聲往往較難清除，當噪聲的頻率范圍與有用信號相差較大時，可采用濾波方法來抑制。6共模噪聲：又稱地感應噪聲、縱向噪聲或不對稱噪聲。噪聲電流In在一對信號線上各流過一部分，以地為公共回路，只要線路處于平衡狀態(tài)，即兩根信號線對地阻抗一致時（Z1=Z2），則在兩根信號線間產(chǎn)生的

3、噪聲電壓Vn基本為0，共模噪聲不會對有用信號產(chǎn)生影響，如圖 (b)所示。7 但線路不平衡，即兩根信號線對地阻抗不一致時（Z1Z2），噪聲電壓Vn就不為0，相當于在兩根信號線存在常模噪聲，如圖 (c)所示。通常輸入輸出信號線與大地或機殼之間的噪聲都為共模噪聲，信號線受到靜電感應時產(chǎn)生的噪聲也多為共模噪聲。抑制共模噪聲的方法較多，如隔離、屏蔽、接地等。 8按噪聲波形分類 92、干擾的耦合方式 公共阻抗耦合：是噪聲源和信號處理電路具有公共阻抗時的傳導耦合。常見的情況是信號處理電路和信號輸出電路使用公共電源，而電源不是內阻為零的理想電壓源，電源內阻就成為了公共阻抗Zc，信號輸出電路中的電流變化就會在公

4、共阻抗上產(chǎn)生噪聲信號，并通過電源線干擾信號處理電路。為了防止公共阻抗耦合，應使耦合阻抗趨近于零，通過去耦電路可減少公共阻抗耦合引起的干擾。10直接耦合：通常是噪聲信號經(jīng)過導線直接傳導到被干擾電路中。圖（a）中噪聲信號Vn串接到有用信號Vs回路中，形成常模干擾；圖 （b）中噪聲信號Vn對有用信號Vs形成共模干擾。 11電容耦合：控制系統(tǒng)的元件之間、導線之間、導線與元件之間都存在分布電容。如某一導體上的信號電壓變化通過分布電容影響到其他導體上的電位，這種現(xiàn)象稱為電容性耦合，也稱靜電耦合或電場耦合。噪聲通過電容耦合的影響程度取決于分布電容大小和噪聲的頻率。圖中，導線a、導線b之間存在分布電容Cab，

5、導線a和導線b對地的分布電容為Cac和Cbc，噪聲信號Vn可通過分布電容Cab會疊加在導線b上。12電磁感應耦合：電磁感應耦合又稱磁場耦合。載流導體周圍空間都會產(chǎn)生磁場，如磁場是交變的，則會對其周圍閉合電路產(chǎn)生感應電勢，因此，電路中的線圈、變壓器甚至較長的導線都可能通過電磁感應耦合來傳遞噪聲。圖中，噪聲信號Vn回路的L1與有用信號Vs回路的L2經(jīng)等效的互感系數(shù)M耦合，從而有可能造成對Vs的影響。 13漏電耦合：是電阻性耦合方式。當相鄰的元件或導線間絕緣電阻降低時，就會發(fā)生漏電耦合現(xiàn)象。圖中Rab為導線a與導線b之間的絕緣電阻，當電路絕緣性能下降時，即Rab變小，則導線a上的信號Vn通過Rab與

6、Rb分壓耦合到導線b上，從而造成Vn對Vs的干擾。 14輻射耦合：主要由電磁場輻射引起。當高頻電流通過導線時，就會在導體周圍形成空間傳播的電磁波，一定長度的信號傳輸線既可作為發(fā)射天線，也可作為接收天線，這就是所謂的“天線效應”。在一定強度的電磁場輻射條件下，由于天線效應，噪聲經(jīng)輻射耦合入侵電路就難以避免。輻射耦合的示意圖如圖所示。 15二、硬件電路抗干擾技術161、元器件的選擇 必須深入了解元器件的電氣參數(shù)，特別是極限參數(shù)，不能超出極限條件下工作。如對于二極管，應考慮最大反向電壓、最大正向電流、反向電流、正向壓降和工作頻率等電氣參數(shù)。 注意溫度對器件性能的影響，選擇溫漂小穩(wěn)定性好的元器件。如工

7、業(yè)級TTL集成電路的工作溫度為070，CMOS集成電路的工作溫度為-55+125。 為提高整體可靠性、降低接觸不良故障、減少焊點數(shù)量，盡量選用大規(guī)模集成電路，少用小規(guī)?；蛑幸?guī)模集成電路。 17 盡量選用抗干擾性能好的元器件。為了提高噪聲容限，可選用CMOS器件，為了抑制共模干擾，可選用測量放大器；為了抑制工頻干擾，可選用積分型A/D，為提高傳輸距離，應采用電流傳輸器件等。 有條件時，盡可能采用低功耗器件。對電池供電的場合，更應選用功耗小的CMOS器件。 多路轉換器的輸入常常受到各種環(huán)境噪聲的污染，尤其易受到共模噪聲的干擾。在多路轉換器輸入端接入共模扼流圈，對抑制外部傳感器引入的高頻共模噪聲十分

8、有效。多個輸入信號經(jīng)多路轉換器接至放大器或A/D轉換器的方法有單端法和差動接法，其中差動接法抗干擾能力強。18 放大器的選擇一般采用不同性能的集成放大器。在傳感器工作環(huán)境復雜和惡劣時，應選擇測量放大器，它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強抗共模干擾能力、低溫漂、低失調電壓和高穩(wěn)定增益等特點，使其在微弱信號的監(jiān)測系統(tǒng)中廣泛用作前置放大器。為了防止共模噪聲侵入系統(tǒng)可以采用隔離放大器。隔離放大器具有線性和穩(wěn)定性好，共模抑制比高，應用電路簡單，放大增益可變等特點。 逐次比較式ADC轉換速度較高，但抗干擾能力差。雙積分ADC抗干擾能力強，尤其是對工頻干擾有較強的抑制能力，具有較高的轉換精度，但轉換速度較低。

9、V/F式ADC也具有較好的抗干擾性能、很好的線性度和高分辨率，其轉換速度適中。-式ADC，它兼有余數(shù)反饋比較式和積分式的特征，具有抗干擾能力強、量化噪聲小、分辨率高和線性度好的優(yōu)點，轉換速度也高于積分式ADC。19 數(shù)字輸入端噪聲抑制是根據(jù)有用脈沖信號與無用脈沖噪聲之間的差別，來采取既保證有用脈沖信號不丟失，又有效地抑制無用脈沖噪聲的措施。在數(shù)字電路的接口部位加入RC濾波環(huán)節(jié)，利用RC的延時作用來控制噪聲的影響，并在RC濾波器的輸出端接入施密特型集成電路。抑制輸入噪聲的另一項措施是提高輸入端的噪聲容限，這可通過加上拉電阻、電源分散配置，以及提高供電電源電壓等措施。 數(shù)字電路不用輸入端可固定在規(guī)

10、定的電平上，也可將不用輸入端與有用信號輸入端并聯(lián)在一起。 202、濾波電路 濾波為電磁噪聲提供一低阻抗的通路，以達到抑制電磁干擾的目的，是在頻域上處理電磁噪聲的技術。例如，電源濾波器對50Hz的電源頻率呈現(xiàn)高阻抗，而對電磁噪聲頻譜呈現(xiàn)低阻抗。通常電磁噪聲的頻率高于有用信號的頻率，而工頻干擾的頻率為固定的50Hz或60Hz。控制系統(tǒng)中有兩種濾波電路，一種用于抑制信號處理電路中的干擾，另一種用于抑制電源的干擾。 21 抑制信號處理電路中干擾的濾波電路 用于信號處理電路抗干擾的濾波電路通常為RC濾波器、LC濾波器、雙T濾波器和開關電容濾波器等。 RC濾波器按結構可分為L型、型和T型。22LC低通濾波

11、器按結構也可分為L型、型和T型，LC低通濾波器對于0的衰減比RC低通濾波器快，因此其濾波效果相對較好，但需要使用電感元件。 23 RC或LC濾波器的L型、型和T型結構的選擇主要取決于信號源和負載的阻抗，一般對高阻抗的信號源和負載宜選用T型結構，對低阻抗的信號源和負載宜選用型結構，其他情況可選用L型結構。24為保證線路平衡，抑制共干擾，可采用對稱結構。為降低負載阻抗對濾波器的影響，可采用串聯(lián)結構，其中每一級的0都相同，但后級的電阻為前級的m倍，一級濾波器衰減-20dB/十倍頻程，二級濾波器衰減-40dB/十倍頻程，而三級濾波器衰減-60dB/十倍頻程。 25雙T型濾波器屬于帶阻濾波器，能阻止某一

12、頻率信號的通過，其頻率特性如圖所示，其中 ，當取02f=100時，能濾去50Hz的干擾信號。利用硬件實現(xiàn)濾波的電路除了上述無源濾波器外，還有利用運放組成各種有源濾波器，在計算機控制系統(tǒng)中，只要給出濾波器的傳遞函數(shù)，就可利用軟件實現(xiàn)數(shù)字濾波。26 抑制電源高頻干擾的濾波電路。 電源中難以避免會引入高頻干擾，抑制電源高頻干擾通常在電源變壓器初次級兩端分別使用濾波電路。電源初級端抑制高頻干擾的常見濾波電路如圖所示。27電源次級端抑制高頻干擾的常見濾波電路如圖所示。283、去耦電路 許多信號處理電路，特別是數(shù)字電路在電平轉換過程中會產(chǎn)生很大的尖峰電流，并在共用電源的內阻上產(chǎn)生壓降，形成干擾信號。為抑制

13、這種干擾，可采用去耦電路，也稱退耦電路，最簡單的去耦電路就是在各電路的供電端配上一定容量的電容，如圖所示，去耦電容的取值與尖峰電流、持續(xù)時間和電源電壓變化范圍有關。 29 去耦電路一方面提供或吸收電路尖峰電流的能量，濾去由此產(chǎn)生的高頻干擾，另一方面也可濾去電源中的交流紋波干擾。去耦電容Cd的選用并不嚴格，為濾去高頻干擾可選用0.01F0.1F的陶瓷電容或薄膜電容，為濾去電源交流紋波干擾，可選用10F1000F的電解電容。有時為改善去耦效果，還可在電源中串聯(lián)電感后，再并聯(lián)去耦電容Cd，如圖所示。 304、隔離技術 隔離技術就是切斷噪聲源與受擾體之間噪聲通道的技術，其特點是將兩部分電路的地線系統(tǒng)分

14、隔開來，切斷通過阻抗進行耦合的可能。 系統(tǒng)中通常有弱電控制部分和強電控制部分，兩者之間既有信號上的聯(lián)系，又有隔絕電氣的要求。因此，隔離目的既為了抑制信號之間的干擾、電源之間的干擾，又為了保證設備和操作人員的安全。 具體的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離和布線隔離。31 光電隔離：利用光電耦合器件將電信號轉換為光信號，然后再將光信號轉換為電信號，從而實現(xiàn)了電氣上的隔離。 繼電器隔離：由于繼電器的線圈與觸點之間沒有電氣上的聯(lián)系，因此，可通過驅動繼電器線圈來控制觸點的閉合或斷開。 變壓器隔離： 利用變壓器可隔離直流信號的特點，可用于它對信號和電源進行隔離。交流電源變壓器則是保障電氣安全的重

15、要措施。 布線隔離：通過合理布線，可抑制噪聲源對小信號處理電路的干擾。合理布線就是使小信號處理電路在空間距離上盡可能遠離噪聲源。 325、屏蔽技術 屏蔽主要運用各種導電材料，制造成各種殼體并與大地連接，以切斷通過空間的靜電耦合、感應耦合或交變電磁場耦合形成的電磁噪聲傳播途徑。 根據(jù)干擾的耦合通道性質，屏蔽可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽三類。33 電場屏蔽 處于高壓電場的電阻抗回路，是電場干擾的主要形式，采用電場屏蔽的基本原理是基于靜電屏蔽原理。在實際應用時，須將屏蔽層接地，如圖所示。 電源變壓器初、次級之間的屏蔽層和采用金屬網(wǎng)的屏蔽傳輸線都是靜電屏蔽的具體實例，如圖所示。 34 磁場屏蔽

16、對一些產(chǎn)生磁場的噪聲源需要采用磁場屏蔽措施，常用的方法是使用導磁率高的材料作屏蔽體，如用鐵皮包在變壓器的側面，為漏磁提供回路，以減小對外界的影響；又如為抑制外界磁場對信號電路中受擾體（如脈沖變壓器等）的影響，可用導磁率高的材料將信號電路屏蔽起來。一般來說磁場干擾以低頻磁場干擾為主，高頻磁場通常與電場并存，即以電磁場干擾動形式出現(xiàn)。 35 電磁場屏蔽 根據(jù)電磁場理論，電磁場變化頻率越高，輻射越強，電磁場干擾既包括電磁感應干擾，也包括輻射干擾。電磁場屏蔽可采用屏蔽罩，由于集膚效應，屏蔽罩的厚度對屏蔽效果影響不大，而采用低電阻材料、減小平行于導體電流的網(wǎng)孔大小則有利于屏蔽效果。 為了抑制電磁場對信號

17、線的干擾，應避免使用平行電纜，而是應采用同軸電纜或雙絞線，在控制系統(tǒng)中，信號傳輸更多地是采用雙絞線。 雙絞線主要分為屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線。36雙絞線的使用實例(a)為機械開關通過雙絞線與光電耦合器連接的例子；(b)為OC門通過雙絞線驅動光電耦合器的例子；(c)為OC門通過雙絞線傳輸給施密特接收器的例子；37(d)和(e)是采用平衡發(fā)送和接收的例子，(d)中的輸出端接有防短路保護限流電阻，(e)的平衡輸出發(fā)送器假定有輸出短路保護功能，可省去短路保護電阻。平衡接收端通常要接平衡匹配電阻，否則會引起信號反射波的干擾。采用平衡發(fā)送接收器和雙雙絞線的數(shù)據(jù)傳輸方案，傳輸距離可大于10米，甚至可達上千米

18、，并可有效地抑制電磁干擾。 386、電源干擾的抑制工業(yè)控制系統(tǒng)中大部分的干擾來源于電源的干擾。 電源干擾的來源 ：切換感性負載產(chǎn)生的瞬變噪聲干擾、電力線從空間引入的場型干擾、由啟動大功率設備引起的瞬時電壓下降的干擾、由晶閘管等設備引起電源波形畸變而產(chǎn)生的高次諧波干擾等。 電源干擾的耦合途徑 ：直接通過電源導線的耦合、經(jīng)交流變壓器產(chǎn)生的電磁耦合、由分布電容產(chǎn)生的電容耦合、由電源內阻產(chǎn)生的公共電阻耦合。 39電源干擾的抑制方法：使用電源濾波器、使用交流凈化電源、采用電源去耦電路、采用電源變壓器屏蔽措施、使用在線式UPS不間斷電源、采用各單元電路分開方式供電、對不同類型用電設備（動力用電、照明用電、

19、控制設備用電、信號處理用電等）采用分類供電方式、采用壓敏電阻和瞬變電壓抑制器等保護器件。 壓敏電阻器的應用： 壓敏電阻器是一種非線性電阻性元件，它的電阻值會隨外加電壓而變化，如常見的氧化鋅壓敏電阻器的伏安特性曲線如圖所示。壓敏電阻器可用于交流電路的過壓保護。 40 瞬變電壓抑制器：也稱瞬變電壓抑制二極管，它的電路符號和普通穩(wěn)壓二極管相同，外形也與普通二極管無異。當TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度將其兩端的阻抗降低，吸收一個大電流，把其兩端間的電壓箝制在一個預定的數(shù)值上，保護后面的電路元件不因瞬態(tài)高電壓沖擊而損壞。 TVS的伏安特性和普通穩(wěn)壓管的擊穿特性類似，為典型的PN結雪

20、崩器件，如圖的左部。但伏安特性只反映了TVS靜態(tài)特性。圖右部反映了TVS管承受大電流沖擊時的電流及電壓波形。電流波形電壓波形41 TVS主要用于對電路元件進行快速過電壓保護。它能“吸收”功率高達數(shù)千瓦的浪涌信號，可以有效地對雷電、過電壓沖擊起保護作用。TVS具有體積小、功率大、響應快、無噪聲等諸多優(yōu)點，TVS與壓敏電阻的比較如表所示。 關鍵參數(shù)或極限值TVS壓敏電阻器反應速度10-12 秒50*10 秒是否會老化否是最高使用溫度175115元件極性單極性與雙極性單極性反向漏電典型值5uA200uA箝位因子（ VC/BV ） 1.5最大可達 7-8極性單與雙單封裝性質密封不透氣透氣價格較貴便宜4

21、2 TVS用于交流電路的例子TVS用于信號傳輸?shù)睦?37、接地技術 電氣設備中的接地有三類：安全接地、信號接地和屏蔽接地。 安全接地是指設備金屬外殼與地球大地相連，以保證設備和人身安全。 信號接地是指信號回路與基準導體相連，基準導體又稱參考零電位、系統(tǒng)地，這種接地的目的是提供穩(wěn)定的參考基準電位，同時也對抗干擾有重要影響。 屏蔽接地是為電纜、變壓器等屏蔽層提供接地，以抑制電場、磁場的干擾。 44電子設備的接地方式有三種：浮地方式、直接接地方式和電容方式。 浮地方式是將信號接地與大地隔離，使其處于懸浮狀態(tài)。浮地方式的特點是對地的電阻較大，對地分布電容很小，因此由共模干擾引起的干擾電流很小。但當設

22、備附近有高壓時，由電場耦合引起的靜電感應會影響人身安全，另外，對體積較大的電子設備，較難使其對地分布電容變小，此時，系統(tǒng)的基準電位易受干擾而變得不穩(wěn)定，從而影響系統(tǒng)的正常工作。直接接地方式是將信號接地與大地相連，當設備體積較大時，采用直接接地方式可使系統(tǒng)的基準電位不易受靜電干擾，但易受共模干擾。 電容方式是將信號接地與大地之間用電容相連。電容方式可抑制高頻干擾通過分布電容對系統(tǒng)造成的影響。45 在控制系統(tǒng)中一般采用浮地-屏蔽-機殼接地方案，其中信號地處于懸浮狀態(tài)，信號傳輸由屏蔽層隔開，機殼與安全接地相連（即與大地相連），屏蔽層的接地也與安全接地相連。 懸浮屏蔽層隔開機殼與安全接地相連屏蔽層接地

23、與安全接地相連46 機殼與安全接地相連、屏蔽接地與安全接地相連常采用一點接地形式，而信號接地形式有一點接地和多點接地。在一點接地形式中應使用并聯(lián)的一點接地，盡量避免串聯(lián)的一點接地，因為串聯(lián)的一點接地易引起各單元電路接地電位的差異，通過公共接地電阻的耦合，會造成相互干擾。對高頻信號處理單元為避免過長的連線，可采用多點接地形式，即各電路以最短的距離分別接到就近的低阻抗接地排上，低阻抗接地排可以是有較大截面積的鍍銀導體，也可以是印制板上的加寬地線。 478、熱插拔技術 熱插拔技術主要解決如何抑制瞬態(tài)電流的問題。因為主機處于穩(wěn)態(tài)工作時，許多電容被充滿電，而待插入的電路板是不帶電的，板卡上的電容沒有電荷

24、，當板卡與主機背板接觸時，板卡上電容將從背板電源吸入較大的瞬態(tài)電流。同樣，當把帶電的板卡拔出背板時，板卡上旁路電容的放電在板卡與帶電背板之間形成了一條低阻通路產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，會導致連接器燒壞。 使用熱插拔保護器件可抑制較大的瞬態(tài)電流對電路的影響。如Maxim公司的MAX4271/2/3 系列產(chǎn)品具有雙速/雙電平檢測功能，為熱插拔應用提供了一套有效的控制保護解決方案。48 板卡上采用熱插拔保護器件的實例如圖所示，當板卡插入背板時，Vcc通過接插件輸入到MAX4271/2/3的ON端，然后由GATE端控制開啟N溝道MOSFET，供電給插卡電路，如發(fā)生較大的瞬態(tài)電流，則由SENSE端檢測到后，控

25、制MOSFET來切斷電源，另外，主機也可通過RESET信號切斷插卡電源。 499、看門狗技術 CPU受到干擾時，會引起程序執(zhí)行的混亂，也可能使程序進入“死循環(huán)”。指令的冗余技術、軟件陷阱技術不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，通常采用Watchdog技術（即程序監(jiān)視技術，俗稱“看門狗”技術），使程序脫離“死循環(huán)”。Watchdog常需要硬件與軟件的配合。50三、印刷電路板抗干擾措施51 電源和去耦電容 由于負載電流大，電源線和地線要加粗，走線盡量短。由于開關噪聲嚴重，要在電源入口處，以及每片存儲芯片的Vcc 與GND之間接入去耦電容。 存儲器布線 數(shù)據(jù)線、地址線、控制線要盡量縮短，以減少對地

26、電容。尤其是地址線，各條線的長短、布線方式應盡量一致，以免造成各線的阻抗差異過大，使地址信號傳輸過程中到達頂端時波形差異過大，形成控制信息的非同步干擾。印制板兩面的三總線互相垂直，以防止總線之間的電磁干擾。 。 52 匹配電阻 總線和時鐘線的始端和終端要配置合適的上拉電阻，以提高高電平噪聲容限，增加存儲器端口在高阻狀態(tài)下抗干擾能力和削弱反射波干擾。若主機的三總線需要引出，應通過三態(tài)緩沖門后再與其他擴展板相連接。這樣，可以有效防止外界電磁干擾，改善波形和削弱反射干擾。 接插件 印制板接插件除了要考慮插拔方便，還應考慮輸入端懸空造成的影響，一是要保證輸入信號線沒有連接時，輸入端有上拉電阻或下拉電阻

27、給以一定的信號值，并且輸入端要有一定的限流措施和防高靜電對電路的影響；二是在輸出端有防止輸出短路造成的影響，如可考慮串接一定的限流電阻。 53四、軟件抗干擾原理及方法54軟件抗干擾技術所要考慮的內容有這樣幾個方面：1、當干擾使運行程序發(fā)生混亂，導致程序亂飛或陷入死循環(huán)時，采取使程序重新納入正規(guī)的措施，如軟件冗余、軟件陷阱、看門狗等技術；2、采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號上噪聲的影響，如數(shù)字濾波技術；3、一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，能及時報告，有條件時可自動糾正，這就是錯誤的檢測和故障診斷。 551、存儲空間分配和程序結構的設計 在嵌入式系統(tǒng)中的計算機存儲空間一般可分為程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，程序區(qū)中一般存放的

28、是固化的程序和常數(shù)，具體可分為復位中斷入口、中斷服務程序、主程序、子程序、常數(shù)區(qū)等。數(shù)據(jù)區(qū)一般為可讀寫的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲器還可能通過串行接口與CPU相連接。56 硬復位和軟復位 硬復位是指上電后或通過復位電路提供復位信號使CPU強制進入復位狀態(tài)，而軟復位指通過執(zhí)行特定的指令或由專門的復位電路使CPU進入特定的復位狀態(tài)，可作為抗干擾的軟件陷阱。 當亂飛程序進入非程序區(qū)或表格區(qū)時，采用冗余指令使程序引向軟復位入口，當系統(tǒng)有多個CPU時可相互監(jiān)視，對只有一個CPU的情況，可由中斷程序和主程序相互監(jiān)督，一旦發(fā)現(xiàn)有異常情況，可由硬件發(fā)出軟復位信號，使異常的CPU進入軟復位狀態(tài)，使程序納入正軌。由于軟復位不

29、初始化專用的數(shù)據(jù)區(qū)，因此，多次進入軟復位狀態(tài)，不影響系統(tǒng)的整體功能。當然，為了可靠，一般在軟復位這樣的軟件陷阱的入口程序中，先要校驗特定數(shù)據(jù)區(qū)的正確性，如有異常，則需進入硬復位重新初始化。 57 軟件冗余和軟件陷阱 在嵌入式系統(tǒng)中，對于響應時間較慢的輸入數(shù)據(jù)，應在有效時間內多次采集并比較，對于控制外部設備的輸出數(shù)據(jù)，有時則需要多次重復執(zhí)行，以確保有關信號的可靠性，這是通過軟件冗余來達到的，有時，甚至可把重要的指令設計成定時掃描模塊，使其在整個程序的循環(huán)運行過程中反復執(zhí)行。 軟件陷阱是通過執(zhí)行某個指令進入特定的程序處理模塊，相當于由外部中斷信號引起的中斷響應，一般軟件陷阱有現(xiàn)場保護功能。軟件陷阱

30、用于抗干擾時，首先檢查是否是干擾引起的，并判斷造成影響的程度，如不能恢復則強制進入復位狀態(tài)，如干擾已撤消，則可立即恢復執(zhí)行原來的程序。 58 如對下圖電路，當出現(xiàn)電源干擾時，會在INT0端產(chǎn)生中斷信號，外部中斷服務程序可等待干擾撤消后，退出中斷，否則停止執(zhí)行其他所有程序，以免在電源不穩(wěn)定的情況下執(zhí)行對一些敏感數(shù)據(jù)的存取。59具體的一個中斷服務程序如下所示。 INT1_0: PUSH ACC;保護現(xiàn)場 PUSH PSW JB INT0,INT0_Z ;干擾已撤消則退出 LCALL TO_STOP ;停止有關程序的執(zhí)行 LCALL TO_STORE ;保護有關數(shù)據(jù) JNB INT0,$ ;如干擾不

31、撤消，則繼續(xù)等待 LCALL TO_START ;啟動有關程序的執(zhí)行;=恢復現(xiàn)場INT0_Z: POP PSW ;恢復現(xiàn)場 POP ACC RETI60 程序存儲器中的數(shù)據(jù)隔離 當CPU受干擾，使指令計數(shù)器指向程序存儲器中的數(shù)據(jù)時，則執(zhí)行后果不可預測。為不使這些“亂飛”的程序持續(xù)執(zhí)行，可在兩個數(shù)據(jù)之間插入轉入軟件陷阱（如軟復位）的指令，具體源程序如下： DATA_AREA1: DB XX,XX,XX,XX, DB XX,XX,XX,XX, DB XX,XX,XX,XX, NOP NOP NOP LJMP WARM_BOOT ;進入軟復位61初始化的考慮 這里的“初始化”泛指在各段程序中，對計算

32、機外擴展器件的各種功能、端口或者方式、狀態(tài)等采取的設置。不僅要保證上電復位后，軟件能夠正確地實現(xiàn)各種級別的初始化，而在程序中每次使用某種功能前，在可能的情況下都要再執(zhí)行一次初始化，對響應的控制寄存器設定動作模式，以提高系統(tǒng)對于入侵干擾的自恢復性能。 另外，在整個軟件設計中還要重點考慮由于干擾或故障原因對程序執(zhí)行的影響，避免一切由于外設故障而造成程序的“死循環(huán)” 。 622、數(shù)字濾波技術 數(shù)字濾波方法主要有兩類： 基于程序邏輯判斷的方法 以邏輯判斷和簡單計算為基礎，常用的算法有：算術平均法、中值法、抑制脈沖算術平均法和遞推平均濾波法等。 基于模擬濾波器的方法 以模擬濾波器的傳遞函數(shù)為基礎，采用離

33、散化方式轉換為Z傳遞函數(shù)，然后通過程序來實現(xiàn)。 63基于程序邏輯判斷的方法 平均法 基本原理是通過對某點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，取其算術平均值作為該點采樣結果。這種方法可以減少周期性干擾對采集結果的影響。 基本算術平均法 對信號y的m次測量值進行算術平均，作為時刻n的輸出。 遞推平均濾波法 一般的平均濾波法會降低實際采樣頻率，如每采樣5次取平均，則會使實際采樣頻率降低5倍。如每采樣一次，只舍去最早的1個采樣值，與保留下來的前(m-1)次采樣值作平均，這樣就可不降低采樣頻率。64 遞推加權平均值濾波法 在遞推平均濾波法的基礎上提高新采樣值在平均值中的比重。 抑制脈沖的算術平均法 通過對某點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣

34、多次，先去掉最大值和最小值，然后再取平均值作為該點采樣結果。也被稱為“中值法”。這種濾波方法，可抑制脈沖干擾。 65比較法 當測量結果的個別數(shù)據(jù)存在偏差時，對每個采樣點連續(xù)采樣幾次，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定取舍，從而剔除偏差數(shù)據(jù)。 “3中取2法” “3中取2法”是對每個采樣點連續(xù)采樣三次，取兩次相同或最接近的數(shù)據(jù)作為采樣結果。 限幅限速濾波法 主要為防止個別的強干擾脈沖。限幅指的是當數(shù)據(jù)超過預先指定的上限值或下限值時，數(shù)據(jù)強制設置為上限值或下限值；限速指的是當相鄰兩次采樣值之差大于預先設定的可能變化的最大值時，取前一次的采樣值。 66基于模擬濾波器的方法 基于程序邏輯判斷的方法主要抑制特定

35、的干擾，描述其濾波器的頻率特性比較困難，而基于模擬濾波器的方法有嚴格的理論基礎，其設計方法同數(shù)字調節(jié)器類似，首先根據(jù)模擬濾波器的傳遞函數(shù)，求出相應的Z傳遞函數(shù)，然后通過具體算法來實現(xiàn)。 例如已知某RC低通濾波器的傳遞函數(shù)為 如采用后向矩形的離散化方法，則可得該RC低通濾波器的Z傳遞函數(shù)： 其中T為采樣時間，如取T=1，則Z傳遞函數(shù)可整理為： 67如取0.1，即T0.1RC，Z傳遞函數(shù)為：相應的實現(xiàn)框圖如圖所示，其中a0為0.1，b1為0.9。68對應的狀態(tài)方程為： x1(k+1)=b1x1(k)a0b1e(k) 對應的輸出方程為： p(k)x1(k)+ a0e(k) /一階RC低通濾波器算法float filter_20(float e_k) static float x1=0.0;static float a0=0.1,b1=-0.9;float p_k;p_k=x1+a0*e_k; /計算輸出方程x1=b1*x1+a0*b1*e_k; /計算