《電磁兼容原理與技術》課件第8章

第8章計算機系統(tǒng)中的電磁兼容性

8.1計算機電磁兼容性問題的特殊性8.2計算機元部件的抗干擾措施8.3工業(yè)控制環(huán)境中計算機的抗干擾技術8.4計算機電磁信息泄漏與防護習題8.1計算機電磁兼容性問題的特殊性

從原理上講,電磁兼容性設計的內容包括:選擇頻率、頻譜,以消除不必要的干擾,保證有用信號的傳送;選擇信號電平,在滿足信噪比的前提下盡量選用低電平信號傳送;選擇阻抗以減少耦合;選擇空間以防止電磁波傳入。從技術上講,則包括濾波、隔離、接地、屏蔽。數字計算機是一種電子設備,它以高速運行(處理)及傳送數字邏輯信號為兩大特征,因而在電磁兼容性問題的研究中與其他電子設備相比,具有許多特殊性。8.1.1數字計算機中的干擾數字計算機是以數字脈沖信號來處理、傳送信息的。數字計算機中的數字脈沖信號容易產生電磁輻射(干擾),這些電磁發(fā)射信號不但頻譜成分豐富,而且攜帶信息。數字計算機中含有數字電路和模擬電路,但以數字電路為主(包括開關模式工作的電路),其中應用最多的是二極管、集成電路塊、微分電路、A/D轉換電路,D/A轉換電路。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。雖然數字計算機既是干擾信號的敏感接收裝置,又是一個干擾源,但是,由于以低電平傳送信號,屬于低電平系統(tǒng),故它在電磁環(huán)境中以受干擾為主。干擾對數字電路與對模擬電路的影響有本質上的不同。對模擬電路的影響是連續(xù)的,隨干擾強度的增大而增大,干擾消失后可恢復原狀態(tài);而數字電路是邏輯工作方式,存在閾值電平及與之相對應的干擾容限(又稱噪聲容限),只有超過干擾容限的干擾信號才有危害,這比模擬電路有利。數字計算機有存儲功能、判斷功能及高速運算功能,這為抗電磁干擾的設計提供了有利條件,但是也可能帶來嚴重的弊端。如在模擬電路中,瞬時干擾消失后系統(tǒng)可恢復正常工作,而在有存儲記憶功能的數字電路系統(tǒng)中,瞬時干擾過去后不能恢復,必然潛伏著危機。脈沖干擾是研究的重點,因為數字計算機以識別二進制碼為基礎,其組成以數字電路為主,數字電路傳送的是脈沖信號,同時也易對脈沖干擾敏感。以開關模式工作的開關及開關電源變化頻率高達幾十萬赫茲,容易在內外產生脈沖干擾。由于數字計算機傳送脈沖信號,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)境復雜,被干擾的可能性極大,當其電磁輻射空間場強超過126dB時,將對計算機構成嚴重干擾。計算機受害的程度取決于干擾源的頻率、場強及計算機自身的電磁敏感度,為了安全可靠,計算機系統(tǒng)按要求的最小帶寬設計。干擾是指有用信號以外的變化部分,通常是指噪聲信號中能產生惡劣影響的那一部分,故有時又稱它為噪聲干擾信號或無意干擾信號。發(fā)現和尋找計算機干擾源的辦法是尋找產生高頻及電流電壓發(fā)生瞬時變化(di/dt,du/dt值較大)的部位。雖然計算機是低電平系統(tǒng),但是卻能產生上千、上萬伏的瞬時電壓。例如,RAM正常工作時耗電電流很小,但是瞬間工作時1片能有80mA的電流,16片則有1.28A的電流,若變化時間僅有15ns,則由于di/dt太大,穩(wěn)壓電源也無濟于事。通常計算機產生出有威脅的干擾部位包括:時鐘發(fā)生器(產生幾十兆赫茲左右的振蕩)、高速邏輯電路、計算機開關電源、晶閘管、工頻電源、電網線(產生雷電浪涌和高頻電磁波)、帶有電動機的部件(如空調、打印機、磁盤驅動器等)、開關元件(如繼電器、熒光燈、鍵盤等)、傳輸長線及電纜接頭(終端不匹配產生波形失真、天線效應接收外界干擾)、監(jiān)視器(CRT)、紙帶、紙卡片、打印機(在高速處理時的靜電感應)、印制電路板(PCB)、機房內的地板、人的衣物鞋(產生靜電)、機殼(接地不當的感應)、存儲器磁媒體及有負載通斷(尤其是感性負載)的場合。干擾侵入計算機的主要途徑有電源系統(tǒng)、傳導通路、對空間電磁波的感應(包括內部空間的靜電場、磁場的感應)三方面,如圖8-1所示。其中,靜電場、磁場的感應在計算機內普遍存在,靜電是MOS電路的大敵。由于機器內有大量的磁媒體(磁心存儲器、打印機、電機、CRT顯示器等),同時計算機工作在低電壓大電流(5V、幾百安)方式,電源線、輸入/輸出線構成高速大電流回路,故有較強的磁感應。圖8-1干擾侵入計算機的途徑由于高速性、高密集性和邏輯工作狀態(tài),使得計算機中使用的傳輸線常需注意按具有分布參數特性的長線的理論去考慮,長線有延時、波形畸變、受外界干擾等三方面問題,因此應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為上升時間(s);TP為延遲時間(s)。當線長大于LC時,按長線處理。LC的數值實質上是頻率和波形(tr)的函數,當計算機的主頻為1MHz,高速組件的傳輸線為0.5m時,作為長線處理。一根長5m的導線產生17ns的延時,對低速電路影響不大,對于高速門電路,平均延時才幾納秒,其影響可忽略不計。干擾信號在計算機中通常分為串模與共模干擾信號兩種形態(tài),在計算機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。它是指串聯于信號回路中的干擾,產生于傳輸線的互感,和頻率有關,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、對地干擾、不平衡干擾,它是干擾電壓同時加到兩條信號線上出現的干擾,因此線路傳輸結構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接地或浮空隔離(用脈沖變壓器、扼流圈或光耦合器截斷地電流)。共模干擾要變成串模干擾才能對電路起作用。8.1.2特殊環(huán)境中的計算機電磁兼容問題1.工控環(huán)境中的電磁兼容問題在各類數字計算機中,用于工業(yè)實時控制系統(tǒng)中的計算機(含微機、單片機、單板機)電磁兼容問題嚴重。由于工業(yè)現場各種動力設備不斷地啟停運行,工作環(huán)境惡劣、電磁干擾嚴重、干擾頻繁、控制距離遠、隨機性大,可靠性和穩(wěn)定性成為系統(tǒng)調試、安裝、運行中的主要問題。生產現場中用到的一些大功率設備、開關器件往往與計算機共用供電線路,常通過“路”和“場”的途徑干擾計算機工作,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。2.軍用環(huán)境中的電磁兼容問題軍用計算機和民用計算機具有不同的電磁兼容性抗干擾的敏感極限值,一般民用機極限值較高。由于軍事的特殊性,工作環(huán)境十分復雜,對信息的可靠性、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,如TEMPEST技術。特別是現代戰(zhàn)爭的發(fā)展,已經不是傳統(tǒng)意義上武器的對抗,而發(fā)展成信息戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、計算機戰(zhàn)和網絡戰(zhàn)。通過對敵信息及信息系統(tǒng)實施信息竊取、篡改、刪除、欺騙、擾亂、阻塞、干擾、癱瘓等一系列的入侵活動和計算機病毒攻擊,最終使敵計算機網絡無法正常工作,并獲取大量信息情報。這一類電磁兼容性問題已經不是本書討論的范圍,而是一門新的學科——信息戰(zhàn)。8.1.3計算機病毒“計算機病毒”是計算機特有的一種干擾,它是一種預先估計不到的干擾程序或干擾指令,視為邏輯炸彈,對計算機有致命的危害。其特點是具有隱蔽性(進入數據文件中)、潛伏性(可高達幾年)、可自我復制性(占去很大的存儲單元)、可激發(fā)性、可傳染性、多品種、無法理解及巨大的危害性,尤其是在計算機網絡上易感染。目前,對付病毒主要是采用技術手段和立法手段。技術手段有取消信息共享的隔離法、對信息限制的分割法、限制病毒通過的閾值法、限制解釋法等。立法內容主要是不許制造、不讓銷售、禁止傳播等。8.1.4計算機的電磁泄漏計算機的電磁泄漏包含兩個含意,首先是指主機及其輔助設備產生的無意干擾對外界的輻射或傳導。實測數據表明,微機輻射不僅存在對外的泄漏,而且在比較寬的頻率范圍內已超過界限值,其覆蓋的頻率對無線電廣播、電視等家用電器構成威脅。泄漏的另一個含意是指有用信息的泄漏,計算機中的電磁輻射信號不但頻譜成分豐富,而且攜帶信息。它們雖然不一定是強信號,但是其影響并不全是由絕對大小決定的,往往是從相對關系認定的,特別是如果截獲者對某信息感興趣時,他會利用放大、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,采用現代化的信息處理技術也是有可能被截獲的,而信息被截獲的危害,絕不次于設備工作被干擾,因此研究信息泄漏及防護技術是十分必要的。8.1.5計算機電磁兼容性問題的新動向由于計算機的高速化、高靈敏化、高密度集成化、小型化、多功能以及其推廣普及,使計算機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部的耦合干擾,系統(tǒng)化使干擾問題更為惡化,特別是計算機的應用普及,使電磁環(huán)境更為復雜。預計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生α射線,使存儲器誤動作。因此,要從集成電路的制造技術和系統(tǒng)的制造兩個方面考慮電磁兼容性的設計問題。

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

(3)在計算機抗靜電干擾措施中,用“分布式的靜電保護涂覆”彌補靜電保護的不足。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,在計算機電磁兼容性設計中,尚未用到統(tǒng)計處理的方法,隨著干擾情況的復雜化,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為是最理想的途徑。采用光束傳輸和處理信號是利用了光技術所具有的高密度傳送信息和不受電磁感應噪聲影響的兩大特征。導體上感應的以電流或電壓形式出現的脈沖都不能通過光學纖維進行傳輸,光信號的頻率與電磁脈沖的頻率相隔很遠,互相不會發(fā)生干擾。同時,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?？茖W家把提高計算機容量和速度寄希望于光計算機。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,預計光計算機的速度將會比超級電子計算機快1000倍。隨著纖維光學、集成光學技術及光學全息技術的發(fā)展,“數字式光計算機”的研究將有很大進展。目前,光纖通信已進入實用階段,光變換器日漸完善,光存儲器每mm2可存儲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,這一成果已經獲得應用。因此,光技術的應用及光計算機的研究必將使計算機的電磁兼容性提高到一個新的階段。8.2計算機元部件的抗干擾措施8.2.1一般數字集成電路的抗干擾措施數字集成電路主要包括TTL高速數字邏輯元件與CMOS高功能化元件。它們在計算機中應用時常給內部帶來一些干擾。例如,通過端口接收干擾信號;端口感應靜電并積累電荷,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生一個不必要的窄脈沖輸出;TTL電路在狀態(tài)轉換瞬間,兩個輸出晶體管同時導通時產生大的沖擊電流,加上反饋作用可以成為一個干擾振蕩器,等等。防止端口感應干擾可將多余端口接地或通過電阻接電源;防止端口靜電感應可并接電容或涂靜電防護層;對多端口延遲的不一致可采取同步邏輯電路來避免;對前沿、后沿產生的振蕩可用施密特電路對波形整形來消除。數字邏輯電路不僅能產生干擾,還對干擾十分敏感,并能對干擾信號記憶存儲。它對由電源線、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、級間加緩沖存儲器、引線間加屏蔽隔離、管腳涂防靜電涂層等方法予以解決。對于已進入系統(tǒng)的干擾,在邏輯電路的輸入端采用幅度鑒別(設門限閾值)、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),或進行邏輯延遲處理。如圖8-3所示,增加一個延遲電路和一個與非門,延遲時間小于信號脈沖寬度而大于干擾脈沖寬度,則原信號與經過延遲后的原信號經過與非門后有輸出(波形略窄),而干擾信號則不會有輸出。圖8-3數字電路邏輯延遲去干擾數字邏輯電路的干擾容限值本身就是一個限制干擾進入電路的閾值,可用來定量地描述數字電路承受干擾信號的能力,不超過這個容限值,就不會對電路形成干擾。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。經過對幾種集成電路的工作速度、產生的噪聲、噪聲容限及帶來的延時的對比,認為HTL(高閾邏輯電路)最佳。若考慮元件的損耗在內,MOS最好。但從價格考慮,還是TTL用得最普遍。8.2.2動態(tài)RAM的抗干擾分析

RAM屬于數字系統(tǒng)的關鍵部位,如計算機的主存儲器、CRT顯示器的刷新存儲器。其存儲密度高,根據采用的工藝不同,RAM可分為雙極性和MOS型兩大類,MOS型密度高,存儲容量大。RAM是以電容器充放電為基礎的部件,為提高存取速度,要求電容器快速充放電,此時峰值電流可達100mA,頻率可達到100MHz,因此易產生串擾,并經公共阻抗去干擾其他電路。同時,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射線會使集成電路出現瞬時的誤差動作,被稱為“軟誤差”,雖然這在芯片制造中已解決,但有時隨著存儲容量的變化,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式存儲器在大容量計算機中是用得最多的,其可靠性對整機的影響極大。其不穩(wěn)定因素有:高溫加速了節(jié)點的漏電,會因輸出延時過長使讀取數據失效;布線、匹配、裝接不當會引入電源噪聲,振蕩、焊接浸漬會引起毛刺。因此在設計與使用中應注意以下幾點:

(1)因為MOS式存儲器對溫度敏感,故不能過熱,應有散熱措施。

(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TTL輸入、輸出,緩沖隔離。

(3)模板上的電源地線應設計成網狀,可減少每塊芯片所在支路的電源地線瞬間干擾,其余線(如時鐘線)盡量短,并與輸入/輸出線走向垂直,對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,存儲板電源入口應加足夠容量的低頻電容,由于MOS的瞬時電流很大,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)在存儲板上,驅動器的輸出阻抗往往與信號線的特性阻抗不匹配,低電平時易產生振蕩(因低電平時噪聲容限小),可串入電阻以實現匹配。

(6)地址總線和數據驅動器應盡可能地靠近存儲芯片,以防止線長而引入電感,造成因延時引起的誤動作。電源線應用母線(電源線與地線間加入絕緣物質的線)并配以適當的旁路電容。

(7)存儲器電路中最易受噪聲影響的是寫入信號，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盡量展寬寫入信號的寬度;③芯片近處設旁路電容,防止電源波動影響。

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

A／D轉換器在將各物理量轉換成數字量時,會遇到被測信號小而干擾噪聲強的情況,干擾可能來自設備預熱、溫度變化、接觸地電阻、引線電感、接地等,也可能來自前級或電源。進入A/D轉換器的干擾從形態(tài)上可分為串模干擾和共模干擾。

(1)對串模干擾的抑制措施。串模干擾是和被測信號疊加在一起的干擾,可能來源于電源和引線的感應耦合,其所處的地址和被測信號相同。由于其變化比信號快,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轉換器。其轉換原理是平均值轉換,瞬間干擾和高頻噪聲對轉換結果的影響很小。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倍的采樣頻率進行采樣,并使兩者同步。③將轉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。當傳感器與A／D相距甚遠時,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電阻,再變成1～5V電壓送給A／D轉換器,此時傳輸線一定要屏蔽并“一點接地”。

(2)對共模干擾的抑制措施。共模干擾產生于電路接地點間的電位差,它不直接對A／D轉換器產生影響,而是轉換成串模干擾后才起作用。因此,抑制共模干擾應從共模干擾的產生和向串模轉換這兩個方面著手。對共模干擾進行抑制的措施有以下幾種:①浮地技術降低共模電流。采用差動平衡的辦法能減少共模干擾,但是難以做到完全抵消,浮地技術的實質是用隔離器切斷地電流,此時設備對地的絕緣電阻可達到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。當干擾信號的頻率較高時,往往因為兩條傳送線的分布電容不平衡,導致共模干擾抑制差。采用屏蔽防護后,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相接。③電容記憶法改善共模干擾。A/D轉換器工作在脫開信號連線的情況下,A/D所測的是事先存儲在電容器上的電壓,只要電路對稱,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轉換器配置引入的多種干擾。在工業(yè)現場計算機控制系統(tǒng)中,主機和被控系統(tǒng)相距較遠,A/D轉換器如何配置是一個大問題,這對于保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性及正常工作是十分重要的。若將A/D轉換器和主機放在一起,雖然便于計算機管理,但模擬量傳輸線太長,將造成傳輸距離過長,引起分布參數和干擾的影響增加,對有用信號的衰減比較大。若將A/D轉換器和控制對象放在一起,則存在因數字量傳送線過長而對管理A/D轉換器命令的數字量傳送不利的問題。這兩種情況都是因為傳送線的匹配和公共地造成了共模干擾的原因。若將A/D轉換器放于現場,經過兩次光電變換將采集的信號經I/O接口送到主機,主機的命令由I/O再經兩次光電變換送到A/D轉換器,兩次光電變換分別在數字量傳送的兩側。這時整個系統(tǒng)有三個地:主機和I/O轉換器共微機地,A/D轉換器和被控對象共現場地,傳送數字信號的傳輸線單獨使用一個浮地。光耦合器切斷了兩邊的聯系,減小了共模干擾,而且由于其單向性,夾雜在數字信號中的其他非地電流干擾因其幅度和寬度的限制,不能有效地進行電-光轉換而不能通過。這種方法還有效地解決了長線的驅動和阻抗匹配問題,保證了可靠性,即使在現場發(fā)生短路故障,光耦合器也能隔離500V的電壓,從而保護了計算機。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轉換器抗工頻干擾的能力。在工業(yè)生產現場,工頻干擾比較嚴重,在A/D轉換器輸入端它疊加在模擬信號上,使A/D轉換器采樣的結果發(fā)生偏差,可以用軟件的方法進行抑制。這種軟件方法的要點是:①硬件保證時鐘頻率和工頻既要同步又要是倍頻關系;②軟件響應A/D轉換器的請求,連續(xù)采樣兩次,兩次采樣時間間隔為工頻周期的一半(50Hz時取10ms,400Hz時取1.25ms);③考慮工頻的波動,A/D轉換器的操作與定時時鐘中斷同步。8.2.4計算機接口電路的抗干擾措施計算機的外部設備種類繁多,工作方式各不相同,速度也各有快慢,而且這些外部設備必須與總線相聯,以便于進行信息交換,并受計算機的控制。由于計算機不能同時與多個外部設備發(fā)生聯系,故只能分時聯系。這一切均由接口去完成,由此可以看出接口的任務是協(xié)調外部設備與計算機間的數據交換方式,緩沖輸入、輸出數據,以保證數據交換的異步操作;與優(yōu)先分配及中斷系統(tǒng)相適應,某些時候還承擔部分計算。從某種意義上講,計算機控制實質上是接口控制。因此接口電路的抗干擾性能直接影響著整個計算機的抗干擾性能。另外,接口是計算機印制電路板上傳導干擾的主要來源,是濾波的重點,線上要串上磁珠以減少輻射,除此之外,人們還設計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表示了用差動式運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R8、C1可濾除高頻信號,輸入電流范圍為0～10mA。多路模擬量輸入時,每一個通道接一個這種電路。圖8-6模擬量輸入信號抗干擾接口電路

(2)接口電路抗脈沖干擾的措施。圖8-7(a)是遠距離脈沖信號抗干擾接口電路,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也會被抑制,其寄生電容很小,絕緣電阻很高,各種干擾均難通過。圖中運算放大器起隔離作用,TTL與非門供整形用。對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,濾波的波形會有抖動,必須加一級施密特電路整形。圖8-7脈沖信號抗干擾接口電路8.2.5微型計算機總線的抗干擾措施

(1)采用三態(tài)門式的總線提高抗干擾能力。在設計CPU時,一般輸出端的直流負載能力為帶一個TTL負載,而微型機的各種芯片都是以MOS電路為主,直流負載能力很小。但當芯片數量比較多時,就必須考慮CPU各總線的負載能力,若能力不夠,就需要通過緩沖存儲器與芯片相連,因此要有地址緩沖器、數據緩沖器等。三態(tài)門緩沖器能減少分布電容與電感對總線工作的影響,在總線上可連接400個芯片,其總線的抗干擾能力比集電極開路門約大10倍,可驅動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門電路,則由于信號經長距離傳輸后會耦合一些噪聲,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)總線上數據沖突的防止措施。CPU與隨機存儲器的連接是由總線收發(fā)器通過內部雙向數據總線實現的。這種接法往往在內部數據總線上某瞬間產生沖突。所謂“數據沖突”是指總線上同時加入了兩個不同的數據,由于高低電平正好相反,會出現對某些驅動電路產生瞬間短路的現象,這時沖擊電流很大(一個TTL是100mA,8位數據線將流過800mA),而且波形前、后沿很陡,因此頻率成分很高,會導致電路誤動作。解決的辦法是縮短隨機存儲器存取數據的時間,即縮短選通時間。

(4)使總線克服瞬間不穩(wěn)定的措施有:在三態(tài)驅動器(D)都是高阻抗時,用三態(tài)輸出器件構成的總線是不穩(wěn)定的。一是由于易感應外來干擾,同時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,一點點外來干擾就有可能產生振蕩。當兩個相位相反的控制信號在時間上存在偏差時,一個由低電平變高電平的瞬間,而另一個還來不及由高電平變低電平,兩個均是高阻狀態(tài)。這一瞬間如果總線的負載是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,增強了總線的抗干擾能力。吊高電阻應大小適中,以免成為驅動端負載。8.3工業(yè)控制環(huán)境中計算機的抗干擾技術

工業(yè)控制環(huán)境中計算機的抗干擾技術,應當包括硬件的抗干擾技術和軟件的抗干擾技術。工業(yè)控制是計算機最重要的應用領域,也是計算機最艱難的應用環(huán)境。經驗認為:工業(yè)控制計算機的抗干擾性能的根本在于硬件結構,而軟件抗干擾只是一個補充。因而硬件的設計應當盡可能地完善,不能輕易降低標準。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,在保證實時性、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地結合起來,一個經得起長期現場考驗的盡可能完善的工業(yè)控制系統(tǒng)才能實現。8.3.1工控計算機硬件的抗干擾設計

計算機的硬件抗干擾設計應當包括:數字集成電路、動態(tài)RAM、A／D變換器、接口電路、計算機總線、I／O接口及傳輸線、印制版、供電系統(tǒng)和計算機的顯示器等所有部件的抗干擾設計。電磁兼容技術中的濾波、屏蔽、接地、隔離等技術都能很好地用于工業(yè)控制計算機(IPC,IndustrialProcessControl)的硬件抗干擾設計。隨著經濟的發(fā)展和工業(yè)自動化的需求,用于工業(yè)控制的計算機技術有了很大的進步,出現了滿足各種需求的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,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)嵌入式計算機及OEM產品,包括PID調節(jié)器及控制器(單片機、單板機、控制器、家電等配套控制器)。

(5)機電設備數控系統(tǒng)(CNC、FMS、CAM)。

(6)現場總線控制系統(tǒng)(FCS)。

IPC主要指基于PC總線的工業(yè)計算機,根據IEEE(國際電子電氣工程師學會)的工業(yè)標準設計的,最初是為了適應工業(yè)控制現場的復雜環(huán)境,滿足系統(tǒng)的可靠性。目前,CompactPCI(CPCI)總線工控機得到了普遍的重視,這是因為它既具有PCI總線的高性能又具有歐洲卡結構的高可靠性,是符合國際標準的真正工業(yè)型計算機,適合在可靠性要求較高的工業(yè)和軍事設備上應用。

CPCI總線所具有的開放性、高可靠性、可熱插拔(HotSwap),使該技術除了可以廣泛應用在通信、網絡、計算機電話整和(ComputerTelephony),也適合實時系統(tǒng)控制(RealTimeMachineControl)、產業(yè)自動化、實時數據采集(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算、高可靠度、可長期使用的應用領域。

CPCI總線工控機從基礎設計(如芯片)就高度重視電磁兼容性,以及標準化。它采用高度集成化的工控機功能模塊,并引入當今實時數字信號處理熱點——DSP高速數據信號處理器,作為智能數據處理核心,極大地提高了系統(tǒng)數據處理能力及整體工控機的電磁兼容性和可靠性、穩(wěn)定性。8.3.2工控計算機軟件的抗干擾設計計算機系統(tǒng)在工業(yè)現場使用時,大量的干擾源雖不能造成硬件系統(tǒng)的損壞,但常常使計算機系統(tǒng)不能正常運行,如程序“跑飛”,致使控制失靈,造成重大事故。一些不穩(wěn)定因素常產生于生產的全過程中,實時控制系統(tǒng)往往是24小時連續(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,因為這些干擾信號大多數是瞬時存在的,時間間隔不確定,傳播途徑不清楚。例如,在計算機的電源電壓上,由于開關、繼電器、雷電的影響而形成的浪涌電壓,電源電壓出現瞬間欠壓、過壓、掉電,各種內外因素產生的瞬間干擾脈沖都屬于這類干擾。軟件抗干擾是一種價廉、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,不需要對干擾源精確定位,不需定量分析,故實施起來靈活、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,實質上是采用冗余技術對故障進行屏蔽,對干擾響應進行掩蓋,在干擾過后對干擾所造成的影響在功能上進行補償,實現容錯自救。同時,在調試和運行中用容錯技術對干擾進行多層次多角度的預防、屏蔽和監(jiān)測。

1.工控軟件的結構特點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,但就其結構來說,一般具有如下特點:

(1)實時性。工業(yè)控制系統(tǒng)中有些事件的發(fā)生具有隨機性,要求工控軟件能夠及時地處理隨機事件。

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

(3)相關性。工控軟件由多個任務模塊組成,各模塊配合工作,相互關聯,相互依存。

(4)人為性。工控軟件允許操作人員干預系統(tǒng)的運行,調整系統(tǒng)的工作參數。在理想情況下,工控軟件可以正常執(zhí)行。但在工業(yè)現場環(huán)境的干擾下,工控軟件的周期性、相關性及實時性受到破壞,程序無法正常執(zhí)行,導致工業(yè)控制系統(tǒng)的失控,其表現是:①程序計數器PC值發(fā)生變化,破壞了程序的正常運行。由于PC值被干擾后的數據是隨機的,因此引起程序執(zhí)行的混亂。在PC值的錯誤引導下,程序執(zhí)行一系列毫無意義的指令,最后常常進入一個毫無意義的“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性和周期性,造成系統(tǒng)資源被某個任務模塊獨占,使系統(tǒng)發(fā)生“死鎖”。③數據采集誤差加大。干擾侵入系統(tǒng)的前向通道,疊加在信號上,導致數據采集誤差加大。特別是當前向通道的傳感器接口是小電壓信號輸入時,此現象更加嚴重。④RAM數據區(qū)受到干擾發(fā)生變化。根據干擾串入渠道、受干擾數據性質的不同,系統(tǒng)受損壞的狀況不同,有的造成數值誤差,有的使控制失靈,有的改變程序狀態(tài),有的改變某些部件(如定時器／計數器、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)的輸出常常是依據某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結果而定。在這些環(huán)節(jié)中,由于干擾的侵入,會造成條件狀態(tài)錯誤,致使輸出控制誤差加大,甚至控制失常。

2.程序運行失常的軟件對策系統(tǒng)受到干擾侵害致使PC值改變,造成程序運行失常。對于程序運行失常的軟件對策主要是發(fā)現失常狀態(tài)后及時引導系統(tǒng)恢復原始狀態(tài)。

(1)設置監(jiān)視跟蹤定時器。使用定時中斷來監(jiān)視程序運行狀態(tài)。定時器的定時時間稍大于主程序正常運行一個循環(huán)的時間,在主程序運行過程中執(zhí)行一次定時器時間常數刷新操作。這樣,只要程序正常運行,定時器就不會出現定時中斷。而當程序運行失常,不能及時刷新定時器時間常數而導致定時中斷時,可利用定時中斷服務程序將系統(tǒng)復位。例如,在80C51應用系統(tǒng)中,軟件抗干擾的具體做法是:

·使用8155的定時器所產生的“溢出”信號作為80C51的外部中斷源INTl。用555定時器作為8155中定時器的外部時鐘輸入。

·8155定時器的定時值稍大于主程序的正常循環(huán)時間。

·在主程序中,每循環(huán)一次,對8155定時器的定時常數進行刷新。

·在主控程序開始處,對硬件復位還是定時中斷產生的自動恢復進行分類判斷處理。

(2)設置軟件陷阱。當PC失控,造成程序“亂飛”而不斷進入非程序區(qū)時,只要在非程序區(qū)設置攔截措施,使程序進入陷阱,然后強迫使程序進入初始狀態(tài)。例如,Z80指令系統(tǒng)中數據FFH正好對應為重新啟動指令RST56,該指令使程序自動轉入0038H入口地址。因此,在Z80CPU構成的應用系統(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處設置轉移指令,使程序轉至抗干擾處理程序。

3.系統(tǒng)“死鎖”的軟件對策在工業(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,而這些設備或接口對干擾很敏感。干擾信號一旦破壞了某一接口的狀態(tài)字后,就會導致CPU誤認為該接口有輸入／輸出請求而停止現行工作,轉去執(zhí)行相應的輸入／輸出服務程序。但由于該接口本身并沒有輸入／輸出數據,從而使CPU資源被該服務程序長期占用,而不釋放,其他任務程序無法執(zhí)行,使整個系統(tǒng)出現“死鎖”。對這種干擾造成的“死鎖”問題,在軟件編程中,可采用“時間片”的方法來解決。其具體做法如下:

·根據不同的輸入／輸出外設對時間的要求,分配相應的最大正常的輸入／輸出時間。

·在每一輸入／輸出的任務模塊中,加入相應的超時判斷程序。這樣當干擾破壞了接口的狀態(tài)造成CPU誤操作后,由于該外設準備好的信息長期無效,經一定時間后,系統(tǒng)會從該外設的服務程序中自動返回,保證整個軟件的周期性不受影響,從而避免“死鎖”情況的發(fā)生。

4.數據采集誤差的軟件對策根據數據受干擾性質及干擾后果的不同,采取的軟件對策各不相同,沒有固定的模式。對于實時數據采集系統(tǒng),為了消除傳感器通道中的干擾信號,在硬件措施上常采取有源或無源RLC網絡,構成模擬濾波器對信號實現頻率濾波。同樣,運用CPU的運算、控制功能也可以實現頻率濾波,完成模擬濾波器類似的功能,這就是數字濾波。在許多數字信號處理專著中都有專門論述,可以參考。隨著計算機運算速度的提高,數字濾波在實時數據采集系統(tǒng)中的應用將愈來愈廣。在一般數據采集系統(tǒng)中,可以采用一些簡單的數值、邏輯運算處理來達到濾波的效果。下面介紹幾種常用的方法。

(1)算術平均值法。對于一點數據連續(xù)采樣多次,計算其算術平均值,以其平均值作為該點采樣結果。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機干擾。對采集結果的影響,一般3～5次平均即可。

(2)比較取舍法。當控制系統(tǒng)測量結果的個別數據存在偏差時,為了剔除個別錯誤數據,可采用比較取舍法,即對每個采樣點連續(xù)采樣幾次,根據所采數據的變化規(guī)律,確定取舍,從而剔除偏差數據。例如,“采三取二”,即對每個采樣點連續(xù)采樣三次,取兩次相同的數據為采樣結果。

(3)中值法。根據干擾造成采樣數據偏大或偏小的情況,對一個采樣點連續(xù)采集多個信號,并對這些采樣值進行比較,取中值作為該點的采樣結果。

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

5.RAM數據出錯的軟件對策在實時控制過程中,干擾造成比較嚴重的危害之一就是沖毀RAM中的數據。由于RAM中保存的是各種原始數據、標志、變量等,如果這些數據被破壞,會造成系統(tǒng)出錯或無法運行,根據數據被沖毀的程度,一般可分為三類:

·整個RAM數據被沖毀;

·RAM中某片數據被沖毀;

·個別數據被沖毀。在工業(yè)控制系統(tǒng)中,RAM的大部分內容是為了進行分析、比較而臨時存放的,不允許丟失的數據只占極少部分。在這種情況下,除了這些不允許丟失的數據外,其余大部分內容短時間被破壞,最多只引起系統(tǒng)的一個很短時間的波動,很快能自動恢復正常。因此,在工控軟件中,只要注意保護少數不允許丟失的數據即可,一般常用的方法有“校驗法”和“設標法”。這兩種方法各具特點,“校驗法”比較繁瑣,但查錯的可信度高;“設標法”簡單,但對數據表中個別數據沖毀的情況,查錯則無能為力。在編程中一般應綜合使用,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置一個標志碼“0”或“1”;

·對RAM中固定不變的數據表格設置校驗字。在程序的執(zhí)行過程中,每隔一定的時間通過事先設計的查錯程序來檢查其各標志碼是否正常,如果不正常,則利用數據冗余技術通過抗干擾處理程序來進行修正。冗余數據表的一般設計原則是:

·各數據表應相互遠離分散設置,減少冗余數據同時被沖毀的概率;

·數據表應盡可能遠離棧區(qū),減少由于操作錯誤造成堆棧數據被沖的可能。上述對RAM區(qū)域的恢復處理方法,在不同的應用系統(tǒng)中應根據具體情況進行取舍。

6.控制狀態(tài)失常的軟件對策在條件控制系統(tǒng)中,人們關注的問題是能否確保正常的控制狀態(tài)。如果干擾進入系統(tǒng),會影響各種控制條件、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)設置當前輸出狀態(tài)寄存單元。當干擾侵入輸出通道造成輸出狀態(tài)破壞時,系統(tǒng)可以及時查詢當前輸出狀態(tài)寄存單元的輸出狀態(tài)信息,及時糾正錯誤的輸出狀態(tài)。

(3)設置自檢程序。在計算機系統(tǒng)內的特定部位或某些內存單元設狀態(tài)標志,在運行中不斷循環(huán)測試,以保證系統(tǒng)中信息存儲、傳輸、運算的高可靠性。上述介紹的幾種有關工控軟件的抗干擾編程方法是作者在工作實踐中的體會。在設計工控軟件的過程中只要采取相應的抗干擾措施,就可獲得較好的抗干擾效果。如果結合各種硬件抗干擾措施一起使用,將會大大提高系統(tǒng)的可靠性。8.3.3軟件技術在工控計算機中的應用

軟件抗干擾是一種廉價、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,不需要對干擾源精確定位,不需定量分析,故實施起來靈活、方便。工控計算機采用軟件抗干擾措施是對硬件抗干擾措施的一個補充和延伸,其實質上是采用冗余技術對故障進行屏蔽,對干擾響應進行掩蓋,在干擾過后對干擾所造成的影響在功能上進行補償,實現容錯自救。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)控制計算機在環(huán)境惡劣、電磁干擾嚴重的工業(yè)現場面臨著巨大的考驗,其抗干擾能力是一個關鍵因素。因此,除了整個系統(tǒng)的結構和每個具體的工控機都需要仔細設計硬件抗干擾措施之外,還需要注重軟件抗干擾措施的應用。軟件抗干擾技術就是利用軟件運行過程中對自己進行自監(jiān)視,與工控網絡中各機器間的互監(jiān)視,來監(jiān)督和判斷工控機是否出錯或失效的一個方法。這是工控系統(tǒng)抗干擾的最后一道屏障。

1.工控計算機實時控制軟件運行過程中的自監(jiān)視技術自監(jiān)視技術是工業(yè)控制計算機自己對自己的運行狀態(tài)的監(jiān)視。某些類型的工控機CPU內部具有Watchdog、Timer,例如Intel8098、80198系列,就可以方便地通過設定Watchdog工作方式以及采用合適的軟件編程的配合來達到自監(jiān)視目的。而沒有Watchdog、Timer的CPU,例如Z80、80C51系列等,當然也可以通過外加Watchdog電路,再配以軟件完成自監(jiān)視目的。這種軟硬結合的自監(jiān)視法通常是很有效的,可以大幅度提高工控機的抗干擾能力。如果Watchdog電路設計得好,并且軟件也編制得好的話,不但可以及時發(fā)現程序“跑飛”,而且還可以實現“跑飛”程序修復。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。

·設置Wathdog的指令正好在取指令時被干擾而讀錯。

·Watchdog發(fā)現程序“跑飛”之后,其產生的復位脈沖或者NMI申請信號正好被干擾而沒有奏效等。雖然以上導致Watchdog失效的因素幾率很小,但總是存在的。另一方面,還有相當數量的工業(yè)控制計算機沒有Watchdog電路。因此,下面重點討論軟件自監(jiān)視法。

(1)隨時監(jiān)督檢查程序計數器PC的值是否超出程序區(qū)。若計算機正常運行,則其PC值一定在程序區(qū)內。如果PC值跑出程序區(qū),則計算機肯定已發(fā)生了程序“跑飛”。檢查程序計數器PC值是否在程序區(qū)內的方法是,在一個經常要產生外部中斷的某個中斷服務程序中,讀取轉入該中斷時推入堆棧的斷點地址。如果該地址在程序區(qū)內,則認為PC值正常,否則一定是程序“跑飛”了。此時,程序跳轉到機器的重啟動入口或者復位入口,機器重新啟動。如果沒有一個合適的中斷源,可以專門設置一個定時中斷或者幾個定時中斷,在中斷服務程序中檢查PC值是否合法,一旦發(fā)現不對就立即轉入機器的重啟動入口。定時器中斷的時間常數,可視機器的繁忙程度和重要性設定,一般從幾毫秒到幾百毫秒。這個方法的局限性是不能查出PC值在程序區(qū)內的亂跳,即此時PC值雖受干擾卻并沒有超出程序區(qū),而是錯位亂拼指令而構成一些莫名其妙的操作,或者死循環(huán)。

(2)主循環(huán)程序和中斷服務程序相互臨視。每個工控機的主循環(huán)程序和中斷服務程序都有一定的運行規(guī)律可循,因此可以設計出主循環(huán)程序與各中斷服務程序、各中斷服務程序之間的相互監(jiān)視。每個監(jiān)視要定義一個RAM單元,依靠對其計數／清零的方法表達相互監(jiān)視信息。例如,某工控機的主循環(huán)程序循環(huán)一次的最長時間為80ms,它的一個定時中斷時間常數為10ms,當安排該定時中斷監(jiān)視主循環(huán)程序運行時,可以每10ms中斷一次對該RAM單元加1的計數,而主循環(huán)程序每循環(huán)一次對該RAM單元清零。因此,正常運行時,這個監(jiān)視計數RAM單元的計數值不可能大于等于9,如果10ms定時中斷服務程序發(fā)現其計數值大于等于9,就可知主循環(huán)程序已經被干擾“跑飛”或出現死循環(huán),于是就跳轉到機器的重啟動入口,重新恢復運行。使用這個方法,如果設計得當,是非常有效的。經驗證明,主循環(huán)程序被干擾“跑飛”的可能性最大,中斷服務程序越短小越不易“跑飛”。主循環(huán)程序和中斷服務程序以及中斷服務程序之間的相互監(jiān)視,應當多設計幾個監(jiān)視對。

(3)隨時校驗程序代碼的正確性。工業(yè)控制計算機的實時控制程序代碼通常采用EPROM固化運行,一般不易發(fā)生被改寫的情況。但程序成年累月地運行,有時也會發(fā)現極個別的單元出錯。其原因可能是芯片質量問題或者因靜電、雷擊干擾等造成的改寫。程序出錯了,將直接造成運行錯誤或者無法運行。校驗的方式可以采用累加和校驗或者BCH校驗(一種CRC校驗方法)。當采用BCH校驗時,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EPROM區(qū)域里。校驗方法是:在某個短小而且經常發(fā)生的中斷服務程序內安排一個校驗模塊,可以設計成每次循環(huán)校驗一部分程序代碼,分若干次校驗完成,或者當代碼較少、任務輕松時,也可以一次校驗完。如果發(fā)現校驗錯誤,應當立即向工控網絡主站報告或者以自身報警的辦法告知操作人員,以便及時處理。校驗法的局限性是被損壞的程序代碼不是校驗程序塊。

(4)隨時校驗RAM的正確性。RAM成年累月運行,其質量因素和接插件接觸因素都將導致其發(fā)生故障,這也將使控制系統(tǒng)發(fā)生錯誤。因此需要經常監(jiān)視RAM的正確性。監(jiān)視的辦法可以安排在主循環(huán)程序,也可以安排在某個經常要發(fā)生的中斷服務程序中,分幾次或者全部一次對RAM進行檢查。檢查的方法是先把被檢查的RAM單元的內容讀出,存放在某個通用寄存器里,然后對該單元寫入一個特定碼,再讀出比較,如果不正確就說明該單元可能損壞,此時要及時報告工控網絡主站或者自身報警,提醒操作人員處理。這個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,該組碼對每個比特都有“0”、“1”寫入讀出檢驗,如果不正確時,最好再驗證兩次后才能確定校驗結果。不管該單元是否有錯,校驗之后都應還回它的原始數據,再報警或往下操作。使用這個方法要注意處理好各個中斷源的級別關系。

2.實時控制系統(tǒng)的互監(jiān)視技術(空間冗余)

一個分布式工控網絡或者重要環(huán)節(jié)的雙機熱備份運行都可以構成軟件抗干擾的互監(jiān)視法。主從式的工控網,主站和從站可以相互監(jiān)視運行狀況,環(huán)形網的相鄰站或者全部站也都可以相互監(jiān)視運行狀況,雙機熱備份運行的兩工控機,更應該相互監(jiān)視。對于網絡型的各站間的相互監(jiān)視,主要是定時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(當然也可能是網絡通信出問題),操作人員應及時前往處理。最簡單的詢問和回答碼的設計是詢問方發(fā)出一組數字,回答方經過某種簡單的運算,例如求反,再發(fā)回詢問方。這種相互監(jiān)視法可檢驗被詢站是否死機以及校驗通信網絡是否完好。而重要環(huán)節(jié)的雙機熱備份運行的相互監(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,當發(fā)現問題時應當及時報警,通知值班人員處理。

3.其他常用的軟件抗干擾技術

(1)廣布“陷阱”技術。以上討論的自監(jiān)視法和互監(jiān)視法都是建立在工控機能正確運行全部或部分程序的基礎上的。有時一個意想不到的干擾可能破壞中斷和所有程序的正常運行。此時,PC機可能在程序區(qū)內,也可能在程序區(qū)外,要使它能夠自恢復正常運行,只有依賴于廣布“陷阱”技術。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位指令。例如,Z80指令RST38H,其機器碼為FFH。當CPU執(zhí)行該指令時,將當前程序計數器的值壓入堆棧,然后轉到0038H地址執(zhí)行程序。如果把0038H作為一個重啟動入口,則機器就可以恢復新的工作了。

再例如,Intel8098、80198系列的復位指令RST,機器碼也為FFH。當CPU執(zhí)行該指令時,其內部進行復位操作,然后從2080H開始執(zhí)行程序。當然,80198系列還有更多的非法操作碼可作為“陷阱”指令使用,這時只需要在2012H的一個字的中斷矢量單元取安排中斷入口,并且編制一個處理非法操作碼的中斷服務程序,一旦遇到非法操作碼就能進行故障處理。經驗表明,“陷阱”不但需要在ROM的全部非內容區(qū)、RAM的全部非數據區(qū)設置,而且需要在程序區(qū)內的模塊之間廣泛布置。一旦機器程序“跑飛”,總會碰上“陷阱”,立即就可以救活機器。

(2)重復功能設定法。工控機的很多功能的設定,通常都是在主程序開始時的初始化程序里設定的,以后再不必設定,這在正常情況下沒有問題。但偶然的干擾會改變CPU內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)先級別、串行口、并行口的設定修改了,機器的運行肯定會出錯。因此,只要重復設定功能操作不影響當前連續(xù)工作的性能,都應當納入主程序的循環(huán)圈里。每個循環(huán)就可以刷新一次設定,從而避免了偶然錯誤的發(fā)生。對于那些會影響當前連續(xù)工作性能的重復設定功能操作,要盡量設法找機會重新設定。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,串口會有一個短暫的空閑時,就應作出判斷并且安排重新設定一次操作。

(3)重要數據備份技術。工控機中的一些關鍵數據,應當有兩個以上的備份副本,當操作這些數據時,可以把主、副本進行比較,如果不同,就要分析原因,采取預先設計好的方法處理。還可以把重要數據采用校驗或者分組BCH校驗的方法進行校驗。這兩種方法結合使用則更可靠。

(4)數字濾波技術。數字濾波技術既屬于硬件仿真(代替濾波器的功能)技術,又屬于時間冗余技術。它不靠硬件,而是靠計算機的高速、多次運算達到模擬并提高精度的目的。根據數據的性質不同,消除干擾的軟件濾波的方法也不同。①對溫度、壓力、流量等數值模擬量,可采取算術平均值濾波,因為它對高斯型的噪聲濾除有效;②中值濾波對尖刺脈沖干擾、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,對快速的干擾源濾波有效;④邏輯濾波用于開關量濾波,信號是二值狀態(tài),采用多數表決法,用“邏輯與”或“邏輯或”作濾波結果。

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

(1)無信息調制的電磁輻射。如計算機的開關電源、時鐘頻率、倍頻和諧頻等,這類電磁波輻射多數沒有信息內容調制,個別的有50Hz交流電源或單一頻率調制,不易造成敏感信息泄漏。

(2)并行數據信息的電磁輻射。計算機系統(tǒng)內部的信息流主要有四個部分:數據總線、地址總線、控制總線及I/O輸出。其中,前三個部分信息的共同特征是都是并行數據流(8位、16位、32位、64位等),這些并行的數據信息泄漏后是極難還原的。這是因為:①并行的多位數據在時域上同步、頻域上相關。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這些并行的數據都是二進制編碼。在不同的操作系統(tǒng)和不同的應用程序中,對同一組碼的定義是完全不同的,因此很難確定某一組二進制碼的確切含義。這類輻射信號的內容多數是反映計算機的運算過程,輻射頻率主要集中在2～450MHz內。

(3)寄生振蕩。寄生振蕩是指,計算機電子線路中的分布電容、布線電感在特定條件下,對某一頻率諧振而產生的振蕩。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,有的輻射信號理論上可以傳播數公里。

(4)計算機終端的視頻信號輻射。計算機I/O傳輸的數據一般是串行數據,如打印機、繪圖儀、傳真接口等,這些數據的速率低,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輻射。由顯示卡輸出的視頻信息經預處理、放大后加在顯示器的陰極及控制柵極,信號的幅度高達700Vpp,行、場信號經同步、放大后,形成上百伏的高電壓,偏轉線圈的電流可以達到安培級。這些串行特征的視頻信號在大幅度、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)計算機顯示器陰極射線管產生的X射線。這種X射線也可以通過特殊的技術手段進行還原。8.4.2計算機電磁信息輻射的特點通過對大量計算機的測量發(fā)現,所有計算機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,品牌機要好于組裝機,新機型好于老機型,新機型的電磁輻射頻率一般高于老的機型。另外,計算機的電磁輻射還具有以下特點:

(1)電磁輻射信號多數為窄帶信號;

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

(3)輻射頻率分布在非常寬的頻域范圍內,這些頻率多是諧波關系;

(4)單個頻率點一般只包含部分的視頻信息。8.4.3計算機電磁信息輻射泄漏的防護技術為了盡量減少計算機視頻信息電磁泄漏的危險,必須采取安全防護措施。目前的防電磁信息泄漏技術措施主要有三種:信號干擾技術、電磁屏蔽技術和TEMPEST技術。

1.信號干擾技術信號干擾技術又稱為偽信息泄漏防護技術,是指把干擾器發(fā)射出來的電磁波和計算機輻射出來的電磁波混合在一起,以掩蓋原泄漏信息的內容和特征等,使竊密者即使截獲這一混合信號也無法提取其中的信息。計算機電磁輻射干擾器大致可以分為兩種:白噪聲干擾器和相關干擾器。白噪聲干擾器采用白噪聲作為干擾源,對計算機輻射信號進行覆蓋。此類干擾器的優(yōu)點是結構簡單、成本低,可以對放置在一起的多臺計算機同時起到干擾作用。但存在以下不足:

(1)干擾器的干擾信號和計算機的輻射信號之間沒有相關聯系。竊取者在接收這種白噪聲干擾的混合信號后,仍然可以將噪聲信號去除掉,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干擾器所取代。相關干擾器模仿計算機的顯示規(guī)律,生成的干擾信號和計算機視頻輻射信號具有相同的頻譜特性,使輻射信號和干擾信號在空間混合后形成一種復合信號,因而破壞了原輻射的信號形態(tài),使竊收者無法還原其信息。在具體實現過程中,必須考慮以下基本要求:

·干擾信號與輻射信號頻域相同,即干擾信號時鐘與信息像素時鐘相同;

·干擾信號與泄漏信號時域相同,即有一定的幀周期重復特性;

·干擾信號自身的保密性高,信號結構不能是單一的簡單模式;

·能夠自動跟蹤顯示模式的改變,自動適應各種不同工作模式下的顯示終端;

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