《電磁兼容原理與技術(shù)》課件第8章

第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的電磁兼容性

8.1計(jì)算機(jī)電磁兼容性問題的特殊性8.2計(jì)算機(jī)元部件的抗干擾措施8.3工業(yè)控制環(huán)境中計(jì)算機(jī)的抗干擾技術(shù)8.4計(jì)算機(jī)電磁信息泄漏與防護(hù)習(xí)題8.1計(jì)算機(jī)電磁兼容性問題的特殊性

從原理上講,電磁兼容性設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括:選擇頻率、頻譜,以消除不必要的干擾,保證有用信號(hào)的傳送;選擇信號(hào)電平,在滿足信噪比的前提下盡量選用低電平信號(hào)傳送;選擇阻抗以減少耦合;選擇空間以防止電磁波傳入。從技術(shù)上講,則包括濾波、隔離、接地、屏蔽。數(shù)字計(jì)算機(jī)是一種電子設(shè)備,它以高速運(yùn)行(處理)及傳送數(shù)字邏輯信號(hào)為兩大特征,因而在電磁兼容性問題的研究中與其他電子設(shè)備相比,具有許多特殊性。8.1.1數(shù)字計(jì)算機(jī)中的干擾數(shù)字計(jì)算機(jī)是以數(shù)字脈沖信號(hào)來處理、傳送信息的。數(shù)字計(jì)算機(jī)中的數(shù)字脈沖信號(hào)容易產(chǎn)生電磁輻射(干擾),這些電磁發(fā)射信號(hào)不但頻譜成分豐富,而且攜帶信息。數(shù)字計(jì)算機(jī)中含有數(shù)字電路和模擬電路,但以數(shù)字電路為主(包括開關(guān)模式工作的電路),其中應(yīng)用最多的是二極管、集成電路塊、微分電路、A/D轉(zhuǎn)換電路,D/A轉(zhuǎn)換電路。它們既是干擾源,又是干擾的敏感元器件,尤其是MOS、D/A最為敏感。雖然數(shù)字計(jì)算機(jī)既是干擾信號(hào)的敏感接收裝置,又是一個(gè)干擾源,但是,由于以低電平傳送信號(hào),屬于低電平系統(tǒng),故它在電磁環(huán)境中以受干擾為主。干擾對(duì)數(shù)字電路與對(duì)模擬電路的影響有本質(zhì)上的不同。對(duì)模擬電路的影響是連續(xù)的,隨干擾強(qiáng)度的增大而增大,干擾消失后可恢復(fù)原狀態(tài);而數(shù)字電路是邏輯工作方式,存在閾值電平及與之相對(duì)應(yīng)的干擾容限(又稱噪聲容限),只有超過干擾容限的干擾信號(hào)才有危害,這比模擬電路有利。數(shù)字計(jì)算機(jī)有存儲(chǔ)功能、判斷功能及高速運(yùn)算功能,這為抗電磁干擾的設(shè)計(jì)提供了有利條件,但是也可能帶來嚴(yán)重的弊端。如在模擬電路中,瞬時(shí)干擾消失后系統(tǒng)可恢復(fù)正常工作,而在有存儲(chǔ)記憶功能的數(shù)字電路系統(tǒng)中,瞬時(shí)干擾過去后不能恢復(fù),必然潛伏著危機(jī)。脈沖干擾是研究的重點(diǎn),因?yàn)閿?shù)字計(jì)算機(jī)以識(shí)別二進(jìn)制碼為基礎(chǔ),其組成以數(shù)字電路為主,數(shù)字電路傳送的是脈沖信號(hào),同時(shí)也易對(duì)脈沖干擾敏感。以開關(guān)模式工作的開關(guān)及開關(guān)電源變化頻率高達(dá)幾十萬赫茲,容易在內(nèi)外產(chǎn)生脈沖干擾。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)傳送脈沖信號(hào),因此系統(tǒng)工作頻率范圍很寬(150kHz～500MHz),包含了中波、短波、超短波及微波前端,正好與各種通信、電視、醫(yī)療、軍用儀器同頻段,電磁環(huán)境復(fù)雜,被干擾的可能性極大,當(dāng)其電磁輻射空間場強(qiáng)超過126dB時(shí),將對(duì)計(jì)算機(jī)構(gòu)成嚴(yán)重干擾。計(jì)算機(jī)受害的程度取決于干擾源的頻率、場強(qiáng)及計(jì)算機(jī)自身的電磁敏感度,為了安全可靠,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按要求的最小帶寬設(shè)計(jì)。干擾是指有用信號(hào)以外的變化部分,通常是指噪聲信號(hào)中能產(chǎn)生惡劣影響的那一部分,故有時(shí)又稱它為噪聲干擾信號(hào)或無意干擾信號(hào)。發(fā)現(xiàn)和尋找計(jì)算機(jī)干擾源的辦法是尋找產(chǎn)生高頻及電流電壓發(fā)生瞬時(shí)變化(di/dt,du/dt值較大)的部位。雖然計(jì)算機(jī)是低電平系統(tǒng),但是卻能產(chǎn)生上千、上萬伏的瞬時(shí)電壓。例如,RAM正常工作時(shí)耗電電流很小,但是瞬間工作時(shí)1片能有80mA的電流,16片則有1.28A的電流,若變化時(shí)間僅有15ns,則由于di/dt太大,穩(wěn)壓電源也無濟(jì)于事。通常計(jì)算機(jī)產(chǎn)生出有威脅的干擾部位包括:時(shí)鐘發(fā)生器(產(chǎn)生幾十兆赫茲左右的振蕩)、高速邏輯電路、計(jì)算機(jī)開關(guān)電源、晶閘管、工頻電源、電網(wǎng)線(產(chǎn)生雷電浪涌和高頻電磁波)、帶有電動(dòng)機(jī)的部件(如空調(diào)、打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器等)、開關(guān)元件(如繼電器、熒光燈、鍵盤等)、傳輸長線及電纜接頭(終端不匹配產(chǎn)生波形失真、天線效應(yīng)接收外界干擾)、監(jiān)視器(CRT)、紙帶、紙卡片、打印機(jī)(在高速處理時(shí)的靜電感應(yīng))、印制電路板(PCB)、機(jī)房內(nèi)的地板、人的衣物鞋(產(chǎn)生靜電)、機(jī)殼(接地不當(dāng)?shù)母袘?yīng))、存儲(chǔ)器磁媒體及有負(fù)載通斷(尤其是感性負(fù)載)的場合。干擾侵入計(jì)算機(jī)的主要途徑有電源系統(tǒng)、傳導(dǎo)通路、對(duì)空間電磁波的感應(yīng)(包括內(nèi)部空間的靜電場、磁場的感應(yīng))三方面,如圖8-1所示。其中,靜電場、磁場的感應(yīng)在計(jì)算機(jī)內(nèi)普遍存在,靜電是MOS電路的大敵。由于機(jī)器內(nèi)有大量的磁媒體(磁心存儲(chǔ)器、打印機(jī)、電機(jī)、CRT顯示器等),同時(shí)計(jì)算機(jī)工作在低電壓大電流(5V、幾百安)方式,電源線、輸入/輸出線構(gòu)成高速大電流回路,故有較強(qiáng)的磁感應(yīng)。圖8-1干擾侵入計(jì)算機(jī)的途徑由于高速性、高密集性和邏輯工作狀態(tài),使得計(jì)算機(jī)中使用的傳輸線常需注意按具有分布參數(shù)特性的長線的理論去考慮,長線有延時(shí)、波形畸變、受外界干擾等三方面問題,因此應(yīng)采取屏蔽與匹配措施,甚至在印制電路板上的走線也要按下列公式驗(yàn)證后決定是否按長線處理。

(8-1)

式中,LC為臨界長度(m);tr為上升時(shí)間(s);TP為延遲時(shí)間(s)。當(dāng)線長大于LC時(shí),按長線處理。LC的數(shù)值實(shí)質(zhì)上是頻率和波形(tr)的函數(shù),當(dāng)計(jì)算機(jī)的主頻為1MHz,高速組件的傳輸線為0.5m時(shí),作為長線處理。一根長5m的導(dǎo)線產(chǎn)生17ns的延時(shí),對(duì)低速電路影響不大,對(duì)于高速門電路,平均延時(shí)才幾納秒,其影響可忽略不計(jì)。干擾信號(hào)在計(jì)算機(jī)中通常分為串模與共模干擾信號(hào)兩種形態(tài),在計(jì)算機(jī)中常用此來表征干擾作用的存在,如圖8-2所示。圖8-2干擾信號(hào)的兩種形態(tài)串模干擾又稱正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、平衡干擾等。它是指串聯(lián)于信號(hào)回路中的干擾,產(chǎn)生于傳輸線的互感,和頻率有關(guān),常用濾波和改善采樣頻率來減少。共模干擾又稱共態(tài)干擾、同相干擾、對(duì)地干擾、不平衡干擾,它是干擾電壓同時(shí)加到兩條信號(hào)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。另外,消除地電流,能消除共模干擾。消除地電流的辦法是一點(diǎn)接地或浮空隔離(用脈沖變壓器、扼流圈或光耦合器截?cái)嗟仉娏?。共模干擾要變成串模干擾才能對(duì)電路起作用。8.1.2特殊環(huán)境中的計(jì)算機(jī)電磁兼容問題1.工控環(huán)境中的電磁兼容問題在各類數(shù)字計(jì)算機(jī)中,用于工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)(含微機(jī)、單片機(jī)、單板機(jī))電磁兼容問題嚴(yán)重。由于工業(yè)現(xiàn)場各種動(dòng)力設(shè)備不斷地啟停運(yùn)行,工作環(huán)境惡劣、電磁干擾嚴(yán)重、干擾頻繁、控制距離遠(yuǎn)、隨機(jī)性大,可靠性和穩(wěn)定性成為系統(tǒng)調(diào)試、安裝、運(yùn)行中的主要問題。生產(chǎn)現(xiàn)場中用到的一些大功率設(shè)備、開關(guān)器件往往與計(jì)算機(jī)共用供電線路,常通過“路”和“場”的途徑干擾計(jì)算機(jī)工作,因此在工業(yè)控制環(huán)境中軟件的干擾抑制就成為解決電磁兼容性問題的重點(diǎn)。2.軍用環(huán)境中的電磁兼容問題軍用計(jì)算機(jī)和民用計(jì)算機(jī)具有不同的電磁兼容性抗干擾的敏感極限值,一般民用機(jī)極限值較高。由于軍事的特殊性,工作環(huán)境十分復(fù)雜,對(duì)信息的可靠性、安全性要求又特別高,因此常常要采用一種特殊的電磁兼容技術(shù),如TEMPEST技術(shù)。特別是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展,已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上武器的對(duì)抗,而發(fā)展成信息戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、計(jì)算機(jī)戰(zhàn)和網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)。通過對(duì)敵信息及信息系統(tǒng)實(shí)施信息竊取、篡改、刪除、欺騙、擾亂、阻塞、干擾、癱瘓等一系列的入侵活動(dòng)和計(jì)算機(jī)病毒攻擊,最終使敵計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)無法正常工作,并獲取大量信息情報(bào)。這一類電磁兼容性問題已經(jīng)不是本書討論的范圍,而是一門新的學(xué)科——信息戰(zhàn)。8.1.3計(jì)算機(jī)病毒“計(jì)算機(jī)病毒”是計(jì)算機(jī)特有的一種干擾,它是一種預(yù)先估計(jì)不到的干擾程序或干擾指令,視為邏輯炸彈,對(duì)計(jì)算機(jī)有致命的危害。其特點(diǎn)是具有隱蔽性(進(jìn)入數(shù)據(jù)文件中)、潛伏性(可高達(dá)幾年)、可自我復(fù)制性(占去很大的存儲(chǔ)單元)、可激發(fā)性、可傳染性、多品種、無法理解及巨大的危害性,尤其是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上易感染。目前,對(duì)付病毒主要是采用技術(shù)手段和立法手段。技術(shù)手段有取消信息共享的隔離法、對(duì)信息限制的分割法、限制病毒通過的閾值法、限制解釋法等。立法內(nèi)容主要是不許制造、不讓銷售、禁止傳播等。8.1.4計(jì)算機(jī)的電磁泄漏計(jì)算機(jī)的電磁泄漏包含兩個(gè)含意,首先是指主機(jī)及其輔助設(shè)備產(chǎn)生的無意干擾對(duì)外界的輻射或傳導(dǎo)。實(shí)測數(shù)據(jù)表明,微機(jī)輻射不僅存在對(duì)外的泄漏,而且在比較寬的頻率范圍內(nèi)已超過界限值,其覆蓋的頻率對(duì)無線電廣播、電視等家用電器構(gòu)成威脅。泄漏的另一個(gè)含意是指有用信息的泄漏,計(jì)算機(jī)中的電磁輻射信號(hào)不但頻譜成分豐富,而且攜帶信息。它們雖然不一定是強(qiáng)信號(hào),但是其影響并不全是由絕對(duì)大小決定的,往往是從相對(duì)關(guān)系認(rèn)定的,特別是如果截獲者對(duì)某信息感興趣時(shí),他會(huì)利用放大、特征提取、解密、解碼的方式來獲取該信息。即使是很小的信號(hào),采用現(xiàn)代化的信息處理技術(shù)也是有可能被截獲的,而信息被截獲的危害,絕不次于設(shè)備工作被干擾,因此研究信息泄漏及防護(hù)技術(shù)是十分必要的。8.1.5計(jì)算機(jī)電磁兼容性問題的新動(dòng)向由于計(jì)算機(jī)的高速化、高靈敏化、高密度集成化、小型化、多功能以及其推廣普及,使計(jì)算機(jī)的電磁兼容性問題更加突出。例如,高速化帶來寬帶噪聲,高靈敏度使原可略去的弱小噪聲不可忽略,高密度集成化增加了內(nèi)部的耦合干擾,系統(tǒng)化使干擾問題更為惡化,特別是計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普及,使電磁環(huán)境更為復(fù)雜。預(yù)計(jì)今后的電磁兼容性將涉及以下問題:

(1)集成電路的封裝材料含有微量的天然放射性同位素釷和鈾,它們的原子裂變將產(chǎn)生α射線,使存儲(chǔ)器誤動(dòng)作。因此,要從集成電路的制造技術(shù)和系統(tǒng)的制造兩個(gè)方面考慮電磁兼容性的設(shè)計(jì)問題。

(2)數(shù)字邏輯電路與軟件技術(shù)的微妙結(jié)合,正成為抑制噪聲的有力武器。軟件的應(yīng)用將占越來越大的比重。例如,利用錯(cuò)誤糾正碼的軟件手段檢查并糾正錯(cuò)誤,是避免進(jìn)入系統(tǒng)后的干擾或切斷干擾的有力手段。

(3)在計(jì)算機(jī)抗靜電干擾措施中,用“分布式的靜電保護(hù)涂覆”彌補(bǔ)靜電保護(hù)的不足。在MOS、A／D等芯片板及印制電路板的接頭上作靜電涂覆,已取得了很好的效果。

(4)目前,在計(jì)算機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)中,尚未用到統(tǒng)計(jì)處理的方法,隨著干擾情況的復(fù)雜化,這種方法今后將得以充分利用。

(5)采用光纖電路抗電磁脈沖干擾被認(rèn)為是最理想的途徑。采用光束傳輸和處理信號(hào)是利用了光技術(shù)所具有的高密度傳送信息和不受電磁感應(yīng)噪聲影響的兩大特征。導(dǎo)體上感應(yīng)的以電流或電壓形式出現(xiàn)的脈沖都不能通過光學(xué)纖維進(jìn)行傳輸,光信號(hào)的頻率與電磁脈沖的頻率相隔很遠(yuǎn),互相不會(huì)發(fā)生干擾。同時(shí),一根0.1mm的光纖可替代625根銅線,大大地縮小了體積,減少了耦合。科學(xué)家把提高計(jì)算機(jī)容量和速度寄希望于光計(jì)算機(jī)。理論上,電子與光子速度相等,由于電子在傳送過程中的相互影響,其實(shí)際速度僅為光子速度的幾分之一,而光的波長是無線電波長的百萬分之一,預(yù)計(jì)光計(jì)算機(jī)的速度將會(huì)比超級(jí)電子計(jì)算機(jī)快1000倍。隨著纖維光學(xué)、集成光學(xué)技術(shù)及光學(xué)全息技術(shù)的發(fā)展,“數(shù)字式光計(jì)算機(jī)”的研究將有很大進(jìn)展。目前,光纖通信已進(jìn)入實(shí)用階段,光變換器日漸完善,光存儲(chǔ)器每mm2可存儲(chǔ)100萬位1或0的信息,是超大規(guī)模集成電路所不能比的。目前,這一成果已經(jīng)獲得應(yīng)用。因此,光技術(shù)的應(yīng)用及光計(jì)算機(jī)的研究必將使計(jì)算機(jī)的電磁兼容性提高到一個(gè)新的階段。8.2計(jì)算機(jī)元部件的抗干擾措施8.2.1一般數(shù)字集成電路的抗干擾措施數(shù)字集成電路主要包括TTL高速數(shù)字邏輯元件與CMOS高功能化元件。它們?cè)谟?jì)算機(jī)中應(yīng)用時(shí)常給內(nèi)部帶來一些干擾。例如,通過端口接收干擾信號(hào);端口感應(yīng)靜電并積累電荷,電荷積累多了將放電形成干擾;由于多端口,且各端口的延遲不一致,往往在輸出端的邏輯效果是產(chǎn)生一個(gè)不必要的窄脈沖輸出;TTL電路在狀態(tài)轉(zhuǎn)換瞬間,兩個(gè)輸出晶體管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生大的沖擊電流,加上反饋?zhàn)饔每梢猿蔀橐粋€(gè)干擾振蕩器,等等。防止端口感應(yīng)干擾可將多余端口接地或通過電阻接電源;防止端口靜電感應(yīng)可并接電容或涂靜電防護(hù)層;對(duì)多端口延遲的不一致可采取同步邏輯電路來避免;對(duì)前沿、后沿產(chǎn)生的振蕩可用施密特電路對(duì)波形整形來消除。數(shù)字邏輯電路不僅能產(chǎn)生干擾,還對(duì)干擾十分敏感,并能對(duì)干擾信號(hào)記憶存儲(chǔ)。它對(duì)由電源線、地線引入的干擾的抵御能力很差。因此,必須采用在布線加濾波電容、級(jí)間加緩沖存儲(chǔ)器、引線間加屏蔽隔離、管腳涂防靜電涂層等方法予以解決。對(duì)于已進(jìn)入系統(tǒng)的干擾,在邏輯電路的輸入端采用幅度鑒別(設(shè)門限閾值)、波形鑒別(用積分的方法將大幅度窄脈沖變成低于閾值的寬脈沖),或進(jìn)行邏輯延遲處理。如圖8-3所示,增加一個(gè)延遲電路和一個(gè)與非門,延遲時(shí)間小于信號(hào)脈沖寬度而大于干擾脈沖寬度,則原信號(hào)與經(jīng)過延遲后的原信號(hào)經(jīng)過與非門后有輸出(波形略窄),而干擾信號(hào)則不會(huì)有輸出。圖8-3數(shù)字電路邏輯延遲去干擾數(shù)字邏輯電路的干擾容限值本身就是一個(gè)限制干擾進(jìn)入電路的閾值,可用來定量地描述數(shù)字電路承受干擾信號(hào)的能力,不超過這個(gè)容限值,就不會(huì)對(duì)電路形成干擾。干擾容限分為直流電壓容限、交流電壓容限、能量容限。由于數(shù)字邏輯電路有高電平、低電平兩種輸入,因此又分為高電平閾值與低電平閾值。經(jīng)過對(duì)幾種集成電路的工作速度、產(chǎn)生的噪聲、噪聲容限及帶來的延時(shí)的對(duì)比,認(rèn)為HTL(高閾邏輯電路)最佳。若考慮元件的損耗在內(nèi),MOS最好。但從價(jià)格考慮,還是TTL用得最普遍。8.2.2動(dòng)態(tài)RAM的抗干擾分析

RAM屬于數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵部位,如計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器、CRT顯示器的刷新存儲(chǔ)器。其存儲(chǔ)密度高,根據(jù)采用的工藝不同,RAM可分為雙極性和MOS型兩大類,MOS型密度高,存儲(chǔ)容量大。RAM是以電容器充放電為基礎(chǔ)的部件,為提高存取速度,要求電容器快速充放電,此時(shí)峰值電流可達(dá)100mA,頻率可達(dá)到100MHz,因此易產(chǎn)生串?dāng)_,并經(jīng)公共阻抗去干擾其他電路。同時(shí),集成電路封裝材料中含有微量的放射性元素(釷、鈾),所放射的α射線會(huì)使集成電路出現(xiàn)瞬時(shí)的誤差動(dòng)作,被稱為“軟誤差”,雖然這在芯片制造中已解決,但有時(shí)隨著存儲(chǔ)容量的變化,抵御射線感生電荷噪聲能力有所變化,有少量射線放射出來，而引入一些不穩(wěn)定因素。目前,通過表面涂以聚酰亞胺使α射線大大減少。

MOS式存儲(chǔ)器在大容量計(jì)算機(jī)中是用得最多的,其可靠性對(duì)整機(jī)的影響極大。其不穩(wěn)定因素有:高溫加速了節(jié)點(diǎn)的漏電,會(huì)因輸出延時(shí)過長使讀取數(shù)據(jù)失效;布線、匹配、裝接不當(dāng)會(huì)引入電源噪聲,振蕩、焊接浸漬會(huì)引起毛刺。因此在設(shè)計(jì)與使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)因?yàn)镸OS式存儲(chǔ)器對(duì)溫度敏感,故不能過熱,應(yīng)有散熱措施。

(2)易被靜電擊穿,輸入、輸出腳不能直接接入印制板電路,需經(jīng)TTL輸入、輸出,緩沖隔離。

(3)模板上的電源地線應(yīng)設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀,可減少每塊芯片所在支路的電源地線瞬間干擾,其余線(如時(shí)鐘線)盡量短,并與輸入/輸出線走向垂直,對(duì)于必需的較長的平行線,中間盡量布一根地線隔離。

(4)為了減少電源噪聲,存儲(chǔ)板電源入口應(yīng)加足夠容量的低頻電容,由于MOS的瞬時(shí)電流很大,電源引入處還要加高頻濾波電容,每塊組件的電源腳上至少接一只。

(5)在存儲(chǔ)板上,驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗往往與信號(hào)線的特性阻抗不匹配,低電平時(shí)易產(chǎn)生振蕩(因低電平時(shí)噪聲容限小),可串入電阻以實(shí)現(xiàn)匹配。

(6)地址總線和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)盡可能地靠近存儲(chǔ)芯片,以防止線長而引入電感,造成因延時(shí)引起的誤動(dòng)作。電源線應(yīng)用母線(電源線與地線間加入絕緣物質(zhì)的線)并配以適當(dāng)?shù)呐月冯娙荨?/p>

(7)存儲(chǔ)器電路中最易受噪聲影響的是寫入信號(hào)，采用以下三種方法來克服此問題:①選用噪聲最難混入的電路;②盡量展寬寫入信號(hào)的寬度;③芯片近處設(shè)旁路電容,防止電源波動(dòng)影響。

(8)地址線上穿上鐵氧體磁珠,會(huì)有效地抑制振蕩與輻射。8.2.3A／D轉(zhuǎn)換器的抗干擾措施

A／D轉(zhuǎn)換器在將各物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量時(shí),會(huì)遇到被測信號(hào)小而干擾噪聲強(qiáng)的情況,干擾可能來自設(shè)備預(yù)熱、溫度變化、接觸地電阻、引線電感、接地等,也可能來自前級(jí)或電源。進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的干擾從形態(tài)上可分為串模干擾和共模干擾。

(1)對(duì)串模干擾的抑制措施。串模干擾是和被測信號(hào)疊加在一起的干擾,可能來源于電源和引線的感應(yīng)耦合,其所處的地址和被測信號(hào)相同。由于其變化比信號(hào)快,故常以此為特征去考慮抑制串模干擾。①采用積分式或雙積分式的A／D轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換原理是平均值轉(zhuǎn)換,瞬間干擾和高頻噪聲對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響很小。②同步采樣低通濾波法可濾除低頻干擾。例如,50Hz工頻干擾,做法是先測出干擾頻率,然后選取與此頻率成整數(shù)倍的采樣頻率進(jìn)行采樣,并使兩者同步。③將轉(zhuǎn)換器直接附在傳感器上,以減小線路干擾。④用電流傳輸代替電壓傳輸。當(dāng)傳感器與A／D相距甚遠(yuǎn)時(shí),易引入干擾,用電流傳輸代替電壓在傳輸線上傳輸,然后通過長線終端的并聯(lián)電阻,再變成1～5V電壓送給A／D轉(zhuǎn)換器,此時(shí)傳輸線一定要屏蔽并“一點(diǎn)接地”。

(2)對(duì)共模干擾的抑制措施。共模干擾產(chǎn)生于電路接地點(diǎn)間的電位差,它不直接對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生影響,而是轉(zhuǎn)換成串模干擾后才起作用。因此,抑制共模干擾應(yīng)從共模干擾的產(chǎn)生和向串模轉(zhuǎn)換這兩個(gè)方面著手。對(duì)共模干擾進(jìn)行抑制的措施有以下幾種:①浮地技術(shù)降低共模電流。采用差動(dòng)平衡的辦法能減少共模干擾,但是難以做到完全抵消,浮地技術(shù)的實(shí)質(zhì)是用隔離器切斷地電流,此時(shí)設(shè)備對(duì)地的絕緣電阻可達(dá)到103~105MΩ(見圖8-4)。圖8-4隔離浮地抑制共模干擾②采用屏蔽法改善高頻共模干擾。當(dāng)干擾信號(hào)的頻率較高時(shí),往往因?yàn)閮蓷l傳送線的分布電容不平衡,導(dǎo)致共模干擾抑制差。采用屏蔽防護(hù)后,線與屏蔽體的分布電容上不再有共模電壓。這里需要注意的是屏蔽體不能接地,也不能與其他屏蔽網(wǎng)相接。③電容記憶法改善共模干擾。A/D轉(zhuǎn)換器工作在脫開信號(hào)連線的情況下,A/D所測的是事先存儲(chǔ)在電容器上的電壓,只要電路對(duì)稱,就不受共模干擾的影響(見圖8-5)。圖8-5電容記憶法

(3)采用光耦合器解決A/D、D/A轉(zhuǎn)換器配置引入的多種干擾。在工業(yè)現(xiàn)場計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,主機(jī)和被控系統(tǒng)相距較遠(yuǎn),A/D轉(zhuǎn)換器如何配置是一個(gè)大問題,這對(duì)于保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性及正常工作是十分重要的。若將A/D轉(zhuǎn)換器和主機(jī)放在一起,雖然便于計(jì)算機(jī)管理,但模擬量傳輸線太長,將造成傳輸距離過長,引起分布參數(shù)和干擾的影響增加,對(duì)有用信號(hào)的衰減比較大。若將A/D轉(zhuǎn)換器和控制對(duì)象放在一起,則存在因數(shù)字量傳送線過長而對(duì)管理A/D轉(zhuǎn)換器命令的數(shù)字量傳送不利的問題。這兩種情況都是因?yàn)閭魉途€的匹配和公共地造成了共模干擾的原因。若將A/D轉(zhuǎn)換器放于現(xiàn)場,經(jīng)過兩次光電變換將采集的信號(hào)經(jīng)I/O接口送到主機(jī),主機(jī)的命令由I/O再經(jīng)兩次光電變換送到A/D轉(zhuǎn)換器,兩次光電變換分別在數(shù)字量傳送的兩側(cè)。這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)有三個(gè)地:主機(jī)和I/O轉(zhuǎn)換器共微機(jī)地,A/D轉(zhuǎn)換器和被控對(duì)象共現(xiàn)場地,傳送數(shù)字信號(hào)的傳輸線單獨(dú)使用一個(gè)浮地。光耦合器切斷了兩邊的聯(lián)系,減小了共模干擾,而且由于其單向性,夾雜在數(shù)字信號(hào)中的其他非地電流干擾因其幅度和寬度的限制,不能有效地進(jìn)行電-光轉(zhuǎn)換而不能通過。這種方法還有效地解決了長線的驅(qū)動(dòng)和阻抗匹配問題,保證了可靠性,即使在現(xiàn)場發(fā)生短路故障,光耦合器也能隔離500V的電壓,從而保護(hù)了計(jì)算機(jī)。由于浮置,還可用普通的扁平線代替昂貴的電纜。

(4)用軟件法提高A/D轉(zhuǎn)換器抗工頻干擾的能力。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場,工頻干擾比較嚴(yán)重,在A/D轉(zhuǎn)換器輸入端它疊加在模擬信號(hào)上,使A/D轉(zhuǎn)換器采樣的結(jié)果發(fā)生偏差,可以用軟件的方法進(jìn)行抑制。這種軟件方法的要點(diǎn)是:①硬件保證時(shí)鐘頻率和工頻既要同步又要是倍頻關(guān)系;②軟件響應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的請(qǐng)求,連續(xù)采樣兩次,兩次采樣時(shí)間間隔為工頻周期的一半(50Hz時(shí)取10ms,400Hz時(shí)取1.25ms);③考慮工頻的波動(dòng),A/D轉(zhuǎn)換器的操作與定時(shí)時(shí)鐘中斷同步。8.2.4計(jì)算機(jī)接口電路的抗干擾措施計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備種類繁多,工作方式各不相同,速度也各有快慢,而且這些外部設(shè)備必須與總線相聯(lián),以便于進(jìn)行信息交換,并受計(jì)算機(jī)的控制。由于計(jì)算機(jī)不能同時(shí)與多個(gè)外部設(shè)備發(fā)生聯(lián)系,故只能分時(shí)聯(lián)系。這一切均由接口去完成,由此可以看出接口的任務(wù)是協(xié)調(diào)外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)交換方式,緩沖輸入、輸出數(shù)據(jù),以保證數(shù)據(jù)交換的異步操作;與優(yōu)先分配及中斷系統(tǒng)相適應(yīng),某些時(shí)候還承擔(dān)部分計(jì)算。從某種意義上講,計(jì)算機(jī)控制實(shí)質(zhì)上是接口控制。因此接口電路的抗干擾性能直接影響著整個(gè)計(jì)算機(jī)的抗干擾性能。另外,接口是計(jì)算機(jī)印制電路板上傳導(dǎo)干擾的主要來源,是濾波的重點(diǎn),線上要串上磁珠以減少輻射,除此之外,人們還設(shè)計(jì)了專門抗干擾的接口電路。

(1)多輸入通道接口抗干擾電路。圖8-6表示了用差動(dòng)式運(yùn)算放大器組成的抗干擾電路,起到隔離共模干擾的作用,同時(shí)R8、C1可濾除高頻信號(hào),輸入電流范圍為0～10mA。多路模擬量輸入時(shí),每一個(gè)通道接一個(gè)這種電路。圖8-6模擬量輸入信號(hào)抗干擾接口電路

(2)接口電路抗脈沖干擾的措施。圖8-7(a)是遠(yuǎn)距離脈沖信號(hào)抗干擾接口電路,由于光耦合器輸入阻抗很低(100Ω～1kΩ),而干擾源的內(nèi)阻較大(約105~106Ω),因此能送到光耦合器的光電電壓有限,只能形成微弱的電流,而光耦合器的發(fā)光二極管有一定的電流閾,即使電壓很高的干擾信號(hào)也會(huì)被抑制,其寄生電容很小,絕緣電阻很高,各種干擾均難通過。圖中運(yùn)算放大器起隔離作用,TTL與非門供整形用。對(duì)近距離的脈沖干擾的抑制辦法是濾波,圖8-7(b)中的R1、C1起濾波作用,濾波的波形會(huì)有抖動(dòng),必須加一級(jí)施密特電路整形。圖8-7脈沖信號(hào)抗干擾接口電路8.2.5微型計(jì)算機(jī)總線的抗干擾措施

(1)采用三態(tài)門式的總線提高抗干擾能力。在設(shè)計(jì)CPU時(shí),一般輸出端的直流負(fù)載能力為帶一個(gè)TTL負(fù)載,而微型機(jī)的各種芯片都是以MOS電路為主,直流負(fù)載能力很小。但當(dāng)芯片數(shù)量比較多時(shí),就必須考慮CPU各總線的負(fù)載能力,若能力不夠,就需要通過緩沖存儲(chǔ)器與芯片相連,因此要有地址緩沖器、數(shù)據(jù)緩沖器等。三態(tài)門緩沖器能減少分布電容與電感對(duì)總線工作的影響,在總線上可連接400個(gè)芯片,其總線的抗干擾能力比集電極開路門約大10倍,可驅(qū)動(dòng)100m長的線路,而集電極開路門只能在3～5m長的傳輸線上具有好的抗干擾能力。

(2)總線接收端加施密特電路作緩沖器抗干擾。兩印制電路板之間用長電纜連接,若接收端直接用一個(gè)門電路,則由于信號(hào)經(jīng)長距離傳輸后會(huì)耦合一些噪聲,加上印制電路板上的噪聲的共同作用,危害很大。在接收端印制電路板插座附近加施密特觸發(fā)器,可以濾除外部噪聲,提高總線接收的抗干擾性。

(3)總線上數(shù)據(jù)沖突的防止措施。CPU與隨機(jī)存儲(chǔ)器的連接是由總線收發(fā)器通過內(nèi)部雙向數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)的。這種接法往往在內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上某瞬間產(chǎn)生沖突。所謂“數(shù)據(jù)沖突”是指總線上同時(shí)加入了兩個(gè)不同的數(shù)據(jù),由于高低電平正好相反,會(huì)出現(xiàn)對(duì)某些驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生瞬間短路的現(xiàn)象,這時(shí)沖擊電流很大(一個(gè)TTL是100mA,8位數(shù)據(jù)線將流過800mA),而且波形前、后沿很陡,因此頻率成分很高,會(huì)導(dǎo)致電路誤動(dòng)作。解決的辦法是縮短隨機(jī)存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)的時(shí)間,即縮短選通時(shí)間。

(4)使總線克服瞬間不穩(wěn)定的措施有:在三態(tài)驅(qū)動(dòng)器(D)都是高阻抗時(shí),用三態(tài)輸出器件構(gòu)成的總線是不穩(wěn)定的。一是由于易感應(yīng)外來干擾,同時(shí)接收器的輸入電流將給總線的寄生電容充電到高電平,所有接在總線上的接收器都不穩(wěn)定,一點(diǎn)點(diǎn)外來干擾就有可能產(chǎn)生振蕩。當(dāng)兩個(gè)相位相反的控制信號(hào)在時(shí)間上存在偏差時(shí),一個(gè)由低電平變高電平的瞬間,而另一個(gè)還來不及由高電平變低電平,兩個(gè)均是高阻狀態(tài)。這一瞬間如果總線的負(fù)載是TTL電路,它將因自身的泄漏電流使總線電壓不穩(wěn)定。若負(fù)載全是CMOS或NMOS,則有幾百兆歐的斷開狀態(tài),很容易耦合干擾。采取加吊高電阻的辦法,總線通過電阻只接到電源處,可使總線在此瞬間處于穩(wěn)定的高電位,增強(qiáng)了總線的抗干擾能力。吊高電阻應(yīng)大小適中,以免成為驅(qū)動(dòng)端負(fù)載。8.3工業(yè)控制環(huán)境中計(jì)算機(jī)的抗干擾技術(shù)

工業(yè)控制環(huán)境中計(jì)算機(jī)的抗干擾技術(shù),應(yīng)當(dāng)包括硬件的抗干擾技術(shù)和軟件的抗干擾技術(shù)。工業(yè)控制是計(jì)算機(jī)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域,也是計(jì)算機(jī)最艱難的應(yīng)用環(huán)境。經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為:工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的抗干擾性能的根本在于硬件結(jié)構(gòu),而軟件抗干擾只是一個(gè)補(bǔ)充。因而硬件的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)盡可能地完善,不能輕易降低標(biāo)準(zhǔn)。而軟件的編寫則要處處考慮到硬件可能的失效,可能受到的干擾等種種問題,在保證實(shí)時(shí)性、控制精度和控制功能的前提下,盡力提高系統(tǒng)的抗干擾性能。要考慮細(xì)致,努力賦予軟件高度的智能,這樣軟件才是完美的。只有把硬件和軟件有機(jī)地結(jié)合起來,一個(gè)經(jīng)得起長期現(xiàn)場考驗(yàn)的盡可能完善的工業(yè)控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。8.3.1工控計(jì)算機(jī)硬件的抗干擾設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包括:數(shù)字集成電路、動(dòng)態(tài)RAM、A／D變換器、接口電路、計(jì)算機(jī)總線、I／O接口及傳輸線、印制版、供電系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的顯示器等所有部件的抗干擾設(shè)計(jì)。電磁兼容技術(shù)中的濾波、屏蔽、接地、隔離等技術(shù)都能很好地用于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC,IndustrialProcessControl)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化的需求,用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)技術(shù)有了很大的進(jìn)步,出現(xiàn)了滿足各種需求的IPC,例如:

(1)可編程序控制器(PLC)。

(2)分布式控制系統(tǒng)(DCS)。

(3)工業(yè)PC機(jī),能適合惡劣的工業(yè)環(huán)境,配有各種過程輸入/輸出接口板。

(4)嵌入式計(jì)算機(jī)及OEM產(chǎn)品,包括PID調(diào)節(jié)器及控制器(單片機(jī)、單板機(jī)、控制器、家電等配套控制器)。

(5)機(jī)電設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)(CNC、FMS、CAM)。

(6)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。

IPC主要指基于PC總線的工業(yè)計(jì)算機(jī),根據(jù)IEEE(國際電子電氣工程師學(xué)會(huì))的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的,最初是為了適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境,滿足系統(tǒng)的可靠性。目前,CompactPCI(CPCI)總線工控機(jī)得到了普遍的重視,這是因?yàn)樗染哂蠵CI總線的高性能又具有歐洲卡結(jié)構(gòu)的高可靠性,是符合國際標(biāo)準(zhǔn)的真正工業(yè)型計(jì)算機(jī),適合在可靠性要求較高的工業(yè)和軍事設(shè)備上應(yīng)用。

CPCI總線所具有的開放性、高可靠性、可熱插拔(HotSwap),使該技術(shù)除了可以廣泛應(yīng)用在通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)電話整和(ComputerTelephony),也適合實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制(RealTimeMachineControl)、產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集(Real-TimeDataAcquisition)、軍事系統(tǒng)、智能交通、航空航天、醫(yī)療器械、水利等模塊化及需要高速運(yùn)算、高可靠度、可長期使用的應(yīng)用領(lǐng)域。

CPCI總線工控機(jī)從基礎(chǔ)設(shè)計(jì)(如芯片)就高度重視電磁兼容性,以及標(biāo)準(zhǔn)化。它采用高度集成化的工控機(jī)功能模塊,并引入當(dāng)今實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理熱點(diǎn)——DSP高速數(shù)據(jù)信號(hào)處理器,作為智能數(shù)據(jù)處理核心,極大地提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力及整體工控機(jī)的電磁兼容性和可靠性、穩(wěn)定性。8.3.2工控計(jì)算機(jī)軟件的抗干擾設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場使用時(shí),大量的干擾源雖不能造成硬件系統(tǒng)的損壞,但常常使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行,如程序“跑飛”,致使控制失靈,造成重大事故。一些不穩(wěn)定因素常產(chǎn)生于生產(chǎn)的全過程中,實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)往往是24小時(shí)連續(xù)工作,不允許斷電檢測。這些令工業(yè)控制系統(tǒng)大受困擾的問題并不是硬件都能夠解決的,因?yàn)檫@些干擾信號(hào)大多數(shù)是瞬時(shí)存在的,時(shí)間間隔不確定,傳播途徑不清楚。例如,在計(jì)算機(jī)的電源電壓上,由于開關(guān)、繼電器、雷電的影響而形成的浪涌電壓,電源電壓出現(xiàn)瞬間欠壓、過壓、掉電,各種內(nèi)外因素產(chǎn)生的瞬間干擾脈沖都屬于這類干擾。軟件抗干擾是一種價(jià)廉、靈活、方便的抗干擾方式。純軟件抗干擾不需要硬件資源,不改變硬件的環(huán)境,不需要對(duì)干擾源精確定位,不需定量分析,故實(shí)施起來靈活、方便,用于工業(yè)過程控制可很好地保證控制的可靠性。用軟件方法處理故障,實(shí)質(zhì)上是采用冗余技術(shù)對(duì)故障進(jìn)行屏蔽,對(duì)干擾響應(yīng)進(jìn)行掩蓋,在干擾過后對(duì)干擾所造成的影響在功能上進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)自救。同時(shí),在調(diào)試和運(yùn)行中用容錯(cuò)技術(shù)對(duì)干擾進(jìn)行多層次多角度的預(yù)防、屏蔽和監(jiān)測。

1.工控軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及干擾途徑在不同的工業(yè)控制系統(tǒng)中,工控軟件雖然完成的功能不同,但就其結(jié)構(gòu)來說,一般具有如下特點(diǎn):

(1)實(shí)時(shí)性。工業(yè)控制系統(tǒng)中有些事件的發(fā)生具有隨機(jī)性,要求工控軟件能夠及時(shí)地處理隨機(jī)事件。

(2)周期性。工控軟件在完成系統(tǒng)的初始化工作后,隨之進(jìn)入主程序循環(huán)。在執(zhí)行主程序過程中,如有中斷申請(qǐng),則在執(zhí)行完相應(yīng)的中斷服務(wù)程序后,繼續(xù)主程序循環(huán)。

(3)相關(guān)性。工控軟件由多個(gè)任務(wù)模塊組成,各模塊配合工作,相互關(guān)聯(lián),相互依存。

(4)人為性。工控軟件允許操作人員干預(yù)系統(tǒng)的運(yùn)行,調(diào)整系統(tǒng)的工作參數(shù)。在理想情況下,工控軟件可以正常執(zhí)行。但在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的干擾下,工控軟件的周期性、相關(guān)性及實(shí)時(shí)性受到破壞,程序無法正常執(zhí)行,導(dǎo)致工業(yè)控制系統(tǒng)的失控,其表現(xiàn)是:①程序計(jì)數(shù)器PC值發(fā)生變化,破壞了程序的正常運(yùn)行。由于PC值被干擾后的數(shù)據(jù)是隨機(jī)的,因此引起程序執(zhí)行的混亂。在PC值的錯(cuò)誤引導(dǎo)下,程序執(zhí)行一系列毫無意義的指令,最后常常進(jìn)入一個(gè)毫無意義的“死循環(huán)”中,使系統(tǒng)失去控制。②輸入/輸出接口狀態(tài)受到干擾,破壞了工控軟件的相關(guān)性和周期性,造成系統(tǒng)資源被某個(gè)任務(wù)模塊獨(dú)占,使系統(tǒng)發(fā)生“死鎖”。③數(shù)據(jù)采集誤差加大。干擾侵入系統(tǒng)的前向通道,疊加在信號(hào)上,導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集誤差加大。特別是當(dāng)前向通道的傳感器接口是小電壓信號(hào)輸入時(shí),此現(xiàn)象更加嚴(yán)重。④RAM數(shù)據(jù)區(qū)受到干擾發(fā)生變化。根據(jù)干擾串入渠道、受干擾數(shù)據(jù)性質(zhì)的不同,系統(tǒng)受損壞的狀況不同,有的造成數(shù)值誤差,有的使控制失靈,有的改變程序狀態(tài),有的改變某些部件(如定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、串行口等)的工作狀態(tài)等。⑤控制狀態(tài)失靈。在工業(yè)控制系統(tǒng)中,控制狀態(tài)的輸出常常是依據(jù)某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結(jié)果而定。在這些環(huán)節(jié)中,由于干擾的侵入,會(huì)造成條件狀態(tài)錯(cuò)誤,致使輸出控制誤差加大,甚至控制失常。

2.程序運(yùn)行失常的軟件對(duì)策系統(tǒng)受到干擾侵害致使PC值改變,造成程序運(yùn)行失常。對(duì)于程序運(yùn)行失常的軟件對(duì)策主要是發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后及時(shí)引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)。

(1)設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時(shí)器。使用定時(shí)中斷來監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間稍大于主程序正常運(yùn)行一個(gè)循環(huán)的時(shí)間,在主程序運(yùn)行過程中執(zhí)行一次定時(shí)器時(shí)間常數(shù)刷新操作。這樣,只要程序正常運(yùn)行,定時(shí)器就不會(huì)出現(xiàn)定時(shí)中斷。而當(dāng)程序運(yùn)行失常,不能及時(shí)刷新定時(shí)器時(shí)間常數(shù)而導(dǎo)致定時(shí)中斷時(shí),可利用定時(shí)中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)復(fù)位。例如,在80C51應(yīng)用系統(tǒng)中,軟件抗干擾的具體做法是:

·使用8155的定時(shí)器所產(chǎn)生的“溢出”信號(hào)作為80C51的外部中斷源INTl。用555定時(shí)器作為8155中定時(shí)器的外部時(shí)鐘輸入。

·8155定時(shí)器的定時(shí)值稍大于主程序的正常循環(huán)時(shí)間。

·在主程序中,每循環(huán)一次,對(duì)8155定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)進(jìn)行刷新。

·在主控程序開始處,對(duì)硬件復(fù)位還是定時(shí)中斷產(chǎn)生的自動(dòng)恢復(fù)進(jìn)行分類判斷處理。

(2)設(shè)置軟件陷阱。當(dāng)PC失控,造成程序“亂飛”而不斷進(jìn)入非程序區(qū)時(shí),只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施,使程序進(jìn)入陷阱,然后強(qiáng)迫使程序進(jìn)入初始狀態(tài)。例如,Z80指令系統(tǒng)中數(shù)據(jù)FFH正好對(duì)應(yīng)為重新啟動(dòng)指令RST56,該指令使程序自動(dòng)轉(zhuǎn)入0038H入口地址。因此,在Z80CPU構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中,只要將所有非程序區(qū)全部置成FFH用以攔截失控程序,并在0038H處設(shè)置轉(zhuǎn)移指令,使程序轉(zhuǎn)至抗干擾處理程序。

3.系統(tǒng)“死鎖”的軟件對(duì)策在工業(yè)控制系統(tǒng)中,A／D、D／A、顯示等輸入／輸出接口電路是必不可少的。這些接口與CPU之間采用查詢或中斷方式工作,而這些設(shè)備或接口對(duì)干擾很敏感。干擾信號(hào)一旦破壞了某一接口的狀態(tài)字后,就會(huì)導(dǎo)致CPU誤認(rèn)為該接口有輸入／輸出請(qǐng)求而停止現(xiàn)行工作,轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的輸入／輸出服務(wù)程序。但由于該接口本身并沒有輸入／輸出數(shù)據(jù),從而使CPU資源被該服務(wù)程序長期占用,而不釋放,其他任務(wù)程序無法執(zhí)行,使整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)“死鎖”。對(duì)這種干擾造成的“死鎖”問題,在軟件編程中,可采用“時(shí)間片”的方法來解決。其具體做法如下:

·根據(jù)不同的輸入／輸出外設(shè)對(duì)時(shí)間的要求,分配相應(yīng)的最大正常的輸入／輸出時(shí)間。

·在每一輸入／輸出的任務(wù)模塊中,加入相應(yīng)的超時(shí)判斷程序。這樣當(dāng)干擾破壞了接口的狀態(tài)造成CPU誤操作后,由于該外設(shè)準(zhǔn)備好的信息長期無效,經(jīng)一定時(shí)間后,系統(tǒng)會(huì)從該外設(shè)的服務(wù)程序中自動(dòng)返回,保證整個(gè)軟件的周期性不受影響,從而避免“死鎖”情況的發(fā)生。

4.數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對(duì)策根據(jù)數(shù)據(jù)受干擾性質(zhì)及干擾后果的不同,采取的軟件對(duì)策各不相同,沒有固定的模式。對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),為了消除傳感器通道中的干擾信號(hào),在硬件措施上常采取有源或無源RLC網(wǎng)絡(luò),構(gòu)成模擬濾波器對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率濾波。同樣,運(yùn)用CPU的運(yùn)算、控制功能也可以實(shí)現(xiàn)頻率濾波,完成模擬濾波器類似的功能,這就是數(shù)字濾波。在許多數(shù)字信號(hào)處理專著中都有專門論述,可以參考。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高,數(shù)字濾波在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用將愈來愈廣。在一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,可以采用一些簡單的數(shù)值、邏輯運(yùn)算處理來達(dá)到濾波的效果。下面介紹幾種常用的方法。

(1)算術(shù)平均值法。對(duì)于一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次,計(jì)算其算術(shù)平均值,以其平均值作為該點(diǎn)采樣結(jié)果。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機(jī)干擾。對(duì)采集結(jié)果的影響,一般3～5次平均即可。

(2)比較取舍法。當(dāng)控制系統(tǒng)測量結(jié)果的個(gè)別數(shù)據(jù)存在偏差時(shí),為了剔除個(gè)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù),可采用比較取舍法,即對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣幾次,根據(jù)所采數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,確定取舍,從而剔除偏差數(shù)據(jù)。例如,“采三取二”,即對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣三次,取兩次相同的數(shù)據(jù)為采樣結(jié)果。

(3)中值法。根據(jù)干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏大或偏小的情況,對(duì)一個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采集多個(gè)信號(hào),并對(duì)這些采樣值進(jìn)行比較,取中值作為該點(diǎn)的采樣結(jié)果。

(4)一階遞推數(shù)字濾波法。這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法,實(shí)現(xiàn)用軟件方法代替硬件RC濾波器。一階遞推數(shù)字濾波公式為式中,Q為數(shù)字濾波器時(shí)間常數(shù);Xn為第n次采樣時(shí)的濾波器輸入;Yn為第n次采樣時(shí)的濾波器輸出。采用軟件濾波器對(duì)消除數(shù)據(jù)采集中的誤差可以獲得滿意的效果,但應(yīng)注意,選取何種方法應(yīng)根據(jù)信號(hào)的變化規(guī)律選擇。(8-2)

5.RAM數(shù)據(jù)出錯(cuò)的軟件對(duì)策在實(shí)時(shí)控制過程中,干擾造成比較嚴(yán)重的危害之一就是沖毀RAM中的數(shù)據(jù)。由于RAM中保存的是各種原始數(shù)據(jù)、標(biāo)志、變量等,如果這些數(shù)據(jù)被破壞,會(huì)造成系統(tǒng)出錯(cuò)或無法運(yùn)行,根據(jù)數(shù)據(jù)被沖毀的程度,一般可分為三類:

·整個(gè)RAM數(shù)據(jù)被沖毀;

·RAM中某片數(shù)據(jù)被沖毀;

·個(gè)別數(shù)據(jù)被沖毀。在工業(yè)控制系統(tǒng)中,RAM的大部分內(nèi)容是為了進(jìn)行分析、比較而臨時(shí)存放的,不允許丟失的數(shù)據(jù)只占極少部分。在這種情況下,除了這些不允許丟失的數(shù)據(jù)外,其余大部分內(nèi)容短時(shí)間被破壞,最多只引起系統(tǒng)的一個(gè)很短時(shí)間的波動(dòng),很快能自動(dòng)恢復(fù)正常。因此,在工控軟件中,只要注意保護(hù)少數(shù)不允許丟失的數(shù)據(jù)即可,一般常用的方法有“校驗(yàn)法”和“設(shè)標(biāo)法”。這兩種方法各具特點(diǎn),“校驗(yàn)法”比較繁瑣,但查錯(cuò)的可信度高;“設(shè)標(biāo)法”簡單,但對(duì)數(shù)據(jù)表中個(gè)別數(shù)據(jù)沖毀的情況,查錯(cuò)則無能為力。在編程中一般應(yīng)綜合使用,其具體做法如下:

·將RAM工作區(qū)重要區(qū)域的始端和尾端各設(shè)置一個(gè)標(biāo)志碼“0”或“1”;

·對(duì)RAM中固定不變的數(shù)據(jù)表格設(shè)置校驗(yàn)字。在程序的執(zhí)行過程中,每隔一定的時(shí)間通過事先設(shè)計(jì)的查錯(cuò)程序來檢查其各標(biāo)志碼是否正常,如果不正常,則利用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)通過抗干擾處理程序來進(jìn)行修正。冗余數(shù)據(jù)表的一般設(shè)計(jì)原則是:

·各數(shù)據(jù)表應(yīng)相互遠(yuǎn)離分散設(shè)置,減少冗余數(shù)據(jù)同時(shí)被沖毀的概率;

·數(shù)據(jù)表應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離棧區(qū),減少由于操作錯(cuò)誤造成堆棧數(shù)據(jù)被沖的可能。上述對(duì)RAM區(qū)域的恢復(fù)處理方法,在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行取舍。

6.控制狀態(tài)失常的軟件對(duì)策在條件控制系統(tǒng)中,人們關(guān)注的問題是能否確保正常的控制狀態(tài)。如果干擾進(jìn)入系統(tǒng),會(huì)影響各種控制條件、造成控制輸出失誤。為了確保系統(tǒng)安全可以采取下述軟件抗干擾措施。

(1)軟件冗余。對(duì)于條件控制系統(tǒng),將控制條件的一次采樣、處理控制輸出,改為循環(huán)采樣、處理控制輸出。這種方法具有良好的抗偶然因素干擾作用。

(2)設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元。當(dāng)干擾侵入輸出通道造成輸出狀態(tài)破壞時(shí),系統(tǒng)可以及時(shí)查詢當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元的輸出狀態(tài)信息,及時(shí)糾正錯(cuò)誤的輸出狀態(tài)。

(3)設(shè)置自檢程序。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的特定部位或某些內(nèi)存單元設(shè)狀態(tài)標(biāo)志,在運(yùn)行中不斷循環(huán)測試,以保證系統(tǒng)中信息存儲(chǔ)、傳輸、運(yùn)算的高可靠性。上述介紹的幾種有關(guān)工控軟件的抗干擾編程方法是作者在工作實(shí)踐中的體會(huì)。在設(shè)計(jì)工控軟件的過程中只要采取相應(yīng)的抗干擾措施,就可獲得較好的抗干擾效果。如果結(jié)合各種硬件抗干擾措施一起使用,將會(huì)大大提高系統(tǒng)的可靠性。8.3.3軟件技術(shù)在工控計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

軟件抗干擾是一種廉價(jià)、靈活、方便的抗干擾方式。純軟件抗干擾不需要硬件資源,不改變硬件的環(huán)境,不需要對(duì)干擾源精確定位,不需定量分析,故實(shí)施起來靈活、方便。工控計(jì)算機(jī)采用軟件抗干擾措施是對(duì)硬件抗干擾措施的一個(gè)補(bǔ)充和延伸,其實(shí)質(zhì)上是采用冗余技術(shù)對(duì)故障進(jìn)行屏蔽,對(duì)干擾響應(yīng)進(jìn)行掩蓋,在干擾過后對(duì)干擾所造成的影響在功能上進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)自救。軟件抗干擾可以顯著提高工控系統(tǒng)的可靠性和智能化。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在環(huán)境惡劣、電磁干擾嚴(yán)重的工業(yè)現(xiàn)場面臨著巨大的考驗(yàn),其抗干擾能力是一個(gè)關(guān)鍵因素。因此,除了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和每個(gè)具體的工控機(jī)都需要仔細(xì)設(shè)計(jì)硬件抗干擾措施之外,還需要注重軟件抗干擾措施的應(yīng)用。軟件抗干擾技術(shù)就是利用軟件運(yùn)行過程中對(duì)自己進(jìn)行自監(jiān)視,與工控網(wǎng)絡(luò)中各機(jī)器間的互監(jiān)視,來監(jiān)督和判斷工控機(jī)是否出錯(cuò)或失效的一個(gè)方法。這是工控系統(tǒng)抗干擾的最后一道屏障。

1.工控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制軟件運(yùn)行過程中的自監(jiān)視技術(shù)自監(jiān)視技術(shù)是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)自己對(duì)自己的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。某些類型的工控機(jī)CPU內(nèi)部具有Watchdog、Timer,例如Intel8098、80198系列,就可以方便地通過設(shè)定Watchdog工作方式以及采用合適的軟件編程的配合來達(dá)到自監(jiān)視目的。而沒有Watchdog、Timer的CPU,例如Z80、80C51系列等,當(dāng)然也可以通過外加Watchdog電路,再配以軟件完成自監(jiān)視目的。這種軟硬結(jié)合的自監(jiān)視法通常是很有效的,可以大幅度提高工控機(jī)的抗干擾能力。如果Watchdog電路設(shè)計(jì)得好,并且軟件也編制得好的話,不但可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)程序“跑飛”,而且還可以實(shí)現(xiàn)“跑飛”程序修復(fù)。這是最好的自監(jiān)視手段。然而,這并不等于萬無一失,也可能發(fā)生以下情況:

·Watchdog電路本身失效。

·設(shè)置Wathdog的指令正好在取指令時(shí)被干擾而讀錯(cuò)。

·Watchdog發(fā)現(xiàn)程序“跑飛”之后,其產(chǎn)生的復(fù)位脈沖或者NMI申請(qǐng)信號(hào)正好被干擾而沒有奏效等。雖然以上導(dǎo)致Watchdog失效的因素幾率很小,但總是存在的。另一方面,還有相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)沒有Watchdog電路。因此,下面重點(diǎn)討論軟件自監(jiān)視法。

(1)隨時(shí)監(jiān)督檢查程序計(jì)數(shù)器PC的值是否超出程序區(qū)。若計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行,則其PC值一定在程序區(qū)內(nèi)。如果PC值跑出程序區(qū),則計(jì)算機(jī)肯定已發(fā)生了程序“跑飛”。檢查程序計(jì)數(shù)器PC值是否在程序區(qū)內(nèi)的方法是,在一個(gè)經(jīng)常要產(chǎn)生外部中斷的某個(gè)中斷服務(wù)程序中,讀取轉(zhuǎn)入該中斷時(shí)推入堆棧的斷點(diǎn)地址。如果該地址在程序區(qū)內(nèi),則認(rèn)為PC值正常,否則一定是程序“跑飛”了。此時(shí),程序跳轉(zhuǎn)到機(jī)器的重啟動(dòng)入口或者復(fù)位入口,機(jī)器重新啟動(dòng)。如果沒有一個(gè)合適的中斷源,可以專門設(shè)置一個(gè)定時(shí)中斷或者幾個(gè)定時(shí)中斷,在中斷服務(wù)程序中檢查PC值是否合法,一旦發(fā)現(xiàn)不對(duì)就立即轉(zhuǎn)入機(jī)器的重啟動(dòng)入口。定時(shí)器中斷的時(shí)間常數(shù),可視機(jī)器的繁忙程度和重要性設(shè)定,一般從幾毫秒到幾百毫秒。這個(gè)方法的局限性是不能查出PC值在程序區(qū)內(nèi)的亂跳,即此時(shí)PC值雖受干擾卻并沒有超出程序區(qū),而是錯(cuò)位亂拼指令而構(gòu)成一些莫名其妙的操作,或者死循環(huán)。

(2)主循環(huán)程序和中斷服務(wù)程序相互臨視。每個(gè)工控機(jī)的主循環(huán)程序和中斷服務(wù)程序都有一定的運(yùn)行規(guī)律可循,因此可以設(shè)計(jì)出主循環(huán)程序與各中斷服務(wù)程序、各中斷服務(wù)程序之間的相互監(jiān)視。每個(gè)監(jiān)視要定義一個(gè)RAM單元,依靠對(duì)其計(jì)數(shù)／清零的方法表達(dá)相互監(jiān)視信息。例如,某工控機(jī)的主循環(huán)程序循環(huán)一次的最長時(shí)間為80ms,它的一個(gè)定時(shí)中斷時(shí)間常數(shù)為10ms,當(dāng)安排該定時(shí)中斷監(jiān)視主循環(huán)程序運(yùn)行時(shí),可以每10ms中斷一次對(duì)該RAM單元加1的計(jì)數(shù),而主循環(huán)程序每循環(huán)一次對(duì)該RAM單元清零。因此,正常運(yùn)行時(shí),這個(gè)監(jiān)視計(jì)數(shù)RAM單元的計(jì)數(shù)值不可能大于等于9,如果10ms定時(shí)中斷服務(wù)程序發(fā)現(xiàn)其計(jì)數(shù)值大于等于9,就可知主循環(huán)程序已經(jīng)被干擾“跑飛”或出現(xiàn)死循環(huán),于是就跳轉(zhuǎn)到機(jī)器的重啟動(dòng)入口,重新恢復(fù)運(yùn)行。使用這個(gè)方法,如果設(shè)計(jì)得當(dāng),是非常有效的。經(jīng)驗(yàn)證明,主循環(huán)程序被干擾“跑飛”的可能性最大,中斷服務(wù)程序越短小越不易“跑飛”。主循環(huán)程序和中斷服務(wù)程序以及中斷服務(wù)程序之間的相互監(jiān)視,應(yīng)當(dāng)多設(shè)計(jì)幾個(gè)監(jiān)視對(duì)。

(3)隨時(shí)校驗(yàn)程序代碼的正確性。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制程序代碼通常采用EPROM固化運(yùn)行,一般不易發(fā)生被改寫的情況。但程序成年累月地運(yùn)行,有時(shí)也會(huì)發(fā)現(xiàn)極個(gè)別的單元出錯(cuò)。其原因可能是芯片質(zhì)量問題或者因靜電、雷擊干擾等造成的改寫。程序出錯(cuò)了,將直接造成運(yùn)行錯(cuò)誤或者無法運(yùn)行。校驗(yàn)的方式可以采用累加和校驗(yàn)或者BCH校驗(yàn)(一種CRC校驗(yàn)方法)。當(dāng)采用BCH校驗(yàn)時(shí),其分組附加的冗余字節(jié)可以集中在程序區(qū)之外的某個(gè)EPROM區(qū)域里。校驗(yàn)方法是:在某個(gè)短小而且經(jīng)常發(fā)生的中斷服務(wù)程序內(nèi)安排一個(gè)校驗(yàn)?zāi)K,可以設(shè)計(jì)成每次循環(huán)校驗(yàn)一部分程序代碼,分若干次校驗(yàn)完成,或者當(dāng)代碼較少、任務(wù)輕松時(shí),也可以一次校驗(yàn)完。如果發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)錯(cuò)誤,應(yīng)當(dāng)立即向工控網(wǎng)絡(luò)主站報(bào)告或者以自身報(bào)警的辦法告知操作人員,以便及時(shí)處理。校驗(yàn)法的局限性是被損壞的程序代碼不是校驗(yàn)程序塊。

(4)隨時(shí)校驗(yàn)RAM的正確性。RAM成年累月運(yùn)行,其質(zhì)量因素和接插件接觸因素都將導(dǎo)致其發(fā)生故障,這也將使控制系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤。因此需要經(jīng)常監(jiān)視RAM的正確性。監(jiān)視的辦法可以安排在主循環(huán)程序,也可以安排在某個(gè)經(jīng)常要發(fā)生的中斷服務(wù)程序中,分幾次或者全部一次對(duì)RAM進(jìn)行檢查。檢查的方法是先把被檢查的RAM單元的內(nèi)容讀出,存放在某個(gè)通用寄存器里,然后對(duì)該單元寫入一個(gè)特定碼,再讀出比較,如果不正確就說明該單元可能損壞,此時(shí)要及時(shí)報(bào)告工控網(wǎng)絡(luò)主站或者自身報(bào)警,提醒操作人員處理。這個(gè)寫入的特定碼常用的是55H—AAH法,即寫入55H,再讀出比較,如果正確,再寫入AAH,再讀出比較,該組碼對(duì)每個(gè)比特都有“0”、“1”寫入讀出檢驗(yàn),如果不正確時(shí),最好再驗(yàn)證兩次后才能確定校驗(yàn)結(jié)果。不管該單元是否有錯(cuò),校驗(yàn)之后都應(yīng)還回它的原始數(shù)據(jù),再報(bào)警或往下操作。使用這個(gè)方法要注意處理好各個(gè)中斷源的級(jí)別關(guān)系。

2.實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的互監(jiān)視技術(shù)(空間冗余)

一個(gè)分布式工控網(wǎng)絡(luò)或者重要環(huán)節(jié)的雙機(jī)熱備份運(yùn)行都可以構(gòu)成軟件抗干擾的互監(jiān)視法。主從式的工控網(wǎng),主站和從站可以相互監(jiān)視運(yùn)行狀況,環(huán)形網(wǎng)的相鄰站或者全部站也都可以相互監(jiān)視運(yùn)行狀況,雙機(jī)熱備份運(yùn)行的兩工控機(jī),更應(yīng)該相互監(jiān)視。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)型的各站間的相互監(jiān)視,主要是定時(shí)互相詢問和按要求回答,如果沒有按要求回答,則表示該站可能出問題(當(dāng)然也可能是網(wǎng)絡(luò)通信出問題),操作人員應(yīng)及時(shí)前往處理。最簡單的詢問和回答碼的設(shè)計(jì)是詢問方發(fā)出一組數(shù)字,回答方經(jīng)過某種簡單的運(yùn)算,例如求反,再發(fā)回詢問方。這種相互監(jiān)視法可檢驗(yàn)被詢站是否死機(jī)以及校驗(yàn)通信網(wǎng)絡(luò)是否完好。而重要環(huán)節(jié)的雙機(jī)熱備份運(yùn)行的相互監(jiān)視則可做得很深入,除了這種詢問回答方式之外,還可做到控制量是否正常的相互監(jiān)視,當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)報(bào)警,通知值班人員處理。

3.其他常用的軟件抗干擾技術(shù)

(1)廣布“陷阱”技術(shù)。以上討論的自監(jiān)視法和互監(jiān)視法都是建立在工控機(jī)能正確運(yùn)行全部或部分程序的基礎(chǔ)上的。有時(shí)一個(gè)意想不到的干擾可能破壞中斷和所有程序的正常運(yùn)行。此時(shí),PC機(jī)可能在程序區(qū)內(nèi),也可能在程序區(qū)外,要使它能夠自恢復(fù)正常運(yùn)行,只有依賴于廣布“陷阱”技術(shù)。這里所謂的“陷阱”,是指某些類型的CPU提供給用戶使用的軟中斷指令或者復(fù)位指令。例如,Z80指令RST38H,其機(jī)器碼為FFH。當(dāng)CPU執(zhí)行該指令時(shí),將當(dāng)前程序計(jì)數(shù)器的值壓入堆棧,然后轉(zhuǎn)到0038H地址執(zhí)行程序。如果把0038H作為一個(gè)重啟動(dòng)入口,則機(jī)器就可以恢復(fù)新的工作了。

再例如,Intel8098、80198系列的復(fù)位指令RST,機(jī)器碼也為FFH。當(dāng)CPU執(zhí)行該指令時(shí),其內(nèi)部進(jìn)行復(fù)位操作,然后從2080H開始執(zhí)行程序。當(dāng)然,80198系列還有更多的非法操作碼可作為“陷阱”指令使用,這時(shí)只需要在2012H的一個(gè)字的中斷矢量單元取安排中斷入口,并且編制一個(gè)處理非法操作碼的中斷服務(wù)程序,一旦遇到非法操作碼就能進(jìn)行故障處理。經(jīng)驗(yàn)表明,“陷阱”不但需要在ROM的全部非內(nèi)容區(qū)、RAM的全部非數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)置,而且需要在程序區(qū)內(nèi)的模塊之間廣泛布置。一旦機(jī)器程序“跑飛”,總會(huì)碰上“陷阱”,立即就可以救活機(jī)器。

(2)重復(fù)功能設(shè)定法。工控機(jī)的很多功能的設(shè)定,通常都是在主程序開始時(shí)的初始化程序里設(shè)定的,以后再不必設(shè)定,這在正常情況下沒有問題。但偶然的干擾會(huì)改變CPU內(nèi)部的寄存器或者接口芯片的功能寄存器,例如,把中斷的類型、中斷的優(yōu)先級(jí)別、串行口、并行口的設(shè)定修改了,機(jī)器的運(yùn)行肯定會(huì)出錯(cuò)。因此,只要重復(fù)設(shè)定功能操作不影響當(dāng)前連續(xù)工作的性能,都應(yīng)當(dāng)納入主程序的循環(huán)圈里。每個(gè)循環(huán)就可以刷新一次設(shè)定,從而避免了偶然錯(cuò)誤的發(fā)生。對(duì)于那些會(huì)影響當(dāng)前連續(xù)工作性能的重復(fù)設(shè)定功能操作,要盡量設(shè)法找機(jī)會(huì)重新設(shè)定。例如串行口,如果接收完某幀信息或者發(fā)送完某幀信息之后,串口會(huì)有一個(gè)短暫的空閑時(shí),就應(yīng)作出判斷并且安排重新設(shè)定一次操作。

(3)重要數(shù)據(jù)備份技術(shù)。工控機(jī)中的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù),應(yīng)當(dāng)有兩個(gè)以上的備份副本,當(dāng)操作這些數(shù)據(jù)時(shí),可以把主、副本進(jìn)行比較,如果不同,就要分析原因,采取預(yù)先設(shè)計(jì)好的方法處理。還可以把重要數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)或者分組BCH校驗(yàn)的方法進(jìn)行校驗(yàn)。這兩種方法結(jié)合使用則更可靠。

(4)數(shù)字濾波技術(shù)。數(shù)字濾波技術(shù)既屬于硬件仿真(代替濾波器的功能)技術(shù),又屬于時(shí)間冗余技術(shù)。它不靠硬件,而是靠計(jì)算機(jī)的高速、多次運(yùn)算達(dá)到模擬并提高精度的目的。根據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)不同,消除干擾的軟件濾波的方法也不同。①對(duì)溫度、壓力、流量等數(shù)值模擬量,可采取算術(shù)平均值濾波,因?yàn)樗鼘?duì)高斯型的噪聲濾除有效;②中值濾波對(duì)尖刺脈沖干擾、階躍干擾等模擬量有效;③一階滯后濾波由于采用了遞推技術(shù),對(duì)快速的干擾源濾波有效;④邏輯濾波用于開關(guān)量濾波,信號(hào)是二值狀態(tài),采用多數(shù)表決法,用“邏輯與”或“邏輯或”作濾波結(jié)果。

(5)冗余技術(shù)。①時(shí)間冗余:多次采樣輸入、判斷,以提高輸入的可靠性;利用多次重復(fù)輸出來判斷,提高輸出的可靠性;重新初始化,強(qiáng)行恢復(fù)正常工作。②指令冗余:對(duì)重要的指令重復(fù)寫上多個(gè),即使某一個(gè)被干擾,程序仍可執(zhí)行。③空間冗余:整機(jī)、電源、接口、數(shù)據(jù)區(qū)均可設(shè)置備份,軟件用于判別干擾和轉(zhuǎn)換設(shè)備。用軟件抗干擾的技術(shù)還有很多,例如,壞值剔除、人工控制指令的合法性和輸入設(shè)定值的合法性判別等,這些都是一個(gè)完善的工業(yè)控制系統(tǒng)必不可少的。8.4計(jì)算機(jī)電磁信息泄漏與防護(hù)8.4.1計(jì)算機(jī)電磁信息輻射泄漏的途徑計(jì)算機(jī)是采用高速脈沖數(shù)字電路工作的,因此,只要處于工作狀態(tài)就會(huì)向機(jī)器外輻射含有敏感信息的電磁波。按照電磁輻射的內(nèi)容,大致可以分為以下幾種情況:

(1)無信息調(diào)制的電磁輻射。如計(jì)算機(jī)的開關(guān)電源、時(shí)鐘頻率、倍頻和諧頻等,這類電磁波輻射多數(shù)沒有信息內(nèi)容調(diào)制,個(gè)別的有50Hz交流電源或單一頻率調(diào)制,不易造成敏感信息泄漏。

(2)并行數(shù)據(jù)信息的電磁輻射。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的信息流主要有四個(gè)部分:數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線及I/O輸出。其中,前三個(gè)部分信息的共同特征是都是并行數(shù)據(jù)流(8位、16位、32位、64位等),這些并行的數(shù)據(jù)信息泄漏后是極難還原的。這是因?yàn)?①并行的多位數(shù)據(jù)在時(shí)域上同步、頻域上相關(guān)。從理論上講,是難以將這些交織在一起的頻譜信息分離開的。②這些并行的數(shù)據(jù)都是二進(jìn)制編碼。在不同的操作系統(tǒng)和不同的應(yīng)用程序中,對(duì)同一組碼的定義是完全不同的,因此很難確定某一組二進(jìn)制碼的確切含義。這類輻射信號(hào)的內(nèi)容多數(shù)是反映計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過程,輻射頻率主要集中在2～450MHz內(nèi)。

(3)寄生振蕩。寄生振蕩是指,計(jì)算機(jī)電子線路中的分布電容、布線電感在特定條件下,對(duì)某一頻率諧振而產(chǎn)生的振蕩。這種輻射的頻率范圍不規(guī)律,從幾十kHz到上千MHz都有,輻射的能量也不相等,有的輻射信號(hào)理論上可以傳播數(shù)公里。

(4)計(jì)算機(jī)終端的視頻信號(hào)輻射。計(jì)算機(jī)I/O傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一般是串行數(shù)據(jù),如打印機(jī)、繪圖儀、傳真接口等,這些數(shù)據(jù)的速率低,其輻射信息容易還原。尤其是光柵掃描式陰極射線管顯示器的視頻信號(hào)輻射。由顯示卡輸出的視頻信息經(jīng)預(yù)處理、放大后加在顯示器的陰極及控制柵極,信號(hào)的幅度高達(dá)700Vpp,行、場信號(hào)經(jīng)同步、放大后,形成上百伏的高電壓,偏轉(zhuǎn)線圈的電流可以達(dá)到安培級(jí)。這些串行特征的視頻信號(hào)在大幅度、大電流的情況下很容易造成電磁信息輻射泄漏。形成此類電磁輻射的部分有顯示卡、連接線、CRT等。

(5)計(jì)算機(jī)顯示器陰極射線管產(chǎn)生的X射線。這種X射線也可以通過特殊的技術(shù)手段進(jìn)行還原。8.4.2計(jì)算機(jī)電磁信息輻射的特點(diǎn)通過對(duì)大量計(jì)算機(jī)的測量發(fā)現(xiàn),所有計(jì)算機(jī)都存在一定的電磁信息輻射泄漏情況。從電磁輻射的情況來看,品牌機(jī)要好于組裝機(jī),新機(jī)型好于老機(jī)型,新機(jī)型的電磁輻射頻率一般高于老的機(jī)型。另外,計(jì)算機(jī)的電磁輻射還具有以下特點(diǎn):

(1)電磁輻射信號(hào)多數(shù)為窄帶信號(hào);

(2)輻射信號(hào)頻率的主要信號(hào)在幾MHz到500MHz之間,100MHz以下普遍存在較強(qiáng)的開關(guān)電源信號(hào);

(3)輻射頻率分布在非常寬的頻域范圍內(nèi),這些頻率多是諧波關(guān)系;

(4)單個(gè)頻率點(diǎn)一般只包含部分的視頻信息。8.4.3計(jì)算機(jī)電磁信息輻射泄漏的防護(hù)技術(shù)為了盡量減少計(jì)算機(jī)視頻信息電磁泄漏的危險(xiǎn),必須采取安全防護(hù)措施。目前的防電磁信息泄漏技術(shù)措施主要有三種:信號(hào)干擾技術(shù)、電磁屏蔽技術(shù)和TEMPEST技術(shù)。

1.信號(hào)干擾技術(shù)信號(hào)干擾技術(shù)又稱為偽信息泄漏防護(hù)技術(shù),是指把干擾器發(fā)射出來的電磁波和計(jì)算機(jī)輻射出來的電磁波混合在一起,以掩蓋原泄漏信息的內(nèi)容和特征等,使竊密者即使截獲這一混合信號(hào)也無法提取其中的信息。計(jì)算機(jī)電磁輻射干擾器大致可以分為兩種:白噪聲干擾器和相關(guān)干擾器。白噪聲干擾器采用白噪聲作為干擾源,對(duì)計(jì)算機(jī)輻射信號(hào)進(jìn)行覆蓋。此類干擾器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低,可以對(duì)放置在一起的多臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)起到干擾作用。但存在以下不足:

(1)干擾器的干擾信號(hào)和計(jì)算機(jī)的輻射信號(hào)之間沒有相關(guān)聯(lián)系。竊取者在接收這種白噪聲干擾的混合信號(hào)后,仍然可以將噪聲信號(hào)去除掉,從中提取出視頻信息。

(2)白噪聲干擾器的輻射功率一般比較高,會(huì)造成電磁環(huán)境污染。由于這些原因,白噪聲干擾器目前正逐步被相關(guān)干擾器所取代。相關(guān)干擾器模仿計(jì)算機(jī)的顯示規(guī)律,生成的干擾信號(hào)和計(jì)算機(jī)視頻輻射信號(hào)具有相同的頻譜特性,使輻射信號(hào)和干擾信號(hào)在空間混合后形成一種復(fù)合信號(hào),因而破壞了原輻射的信號(hào)形態(tài),使竊收者無法還原其信息。在具體實(shí)現(xiàn)過程中,必須考慮以下基本要求:

·干擾信號(hào)與輻射信號(hào)頻域相同,即干擾信號(hào)時(shí)鐘與信息像素時(shí)鐘相同;

·干擾信號(hào)與泄漏信號(hào)時(shí)域相同,即有一定的幀周期重復(fù)特性;

·干擾信號(hào)自身的保密性高,信號(hào)結(jié)構(gòu)不能是單一的簡單模式;

·能夠自動(dòng)跟蹤顯示模式的改變,自動(dòng)適應(yīng)各種不同工作模式下的顯示終端;

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