第6章6.6软件抗干扰技术

主要数字滤波算法：算术平均值法、中位值滤波法、限幅 滤波法、惯性滤波法 等
1、算术平均值法
算术平均值法是对输入的 N个采样数据 xi(i=1～ N)，寻找这样一个y，使y与各采样值间的偏差的平方和 为最小，即
N 2 Emin (y xi ) i1

由一元函数求极值原理可得：
应多采用单字节指令，并在关键地方人为插入一些单字 节指令，或将有效单字节指令重复书写，提高弹飞程序纳入 正轨的机会，这便是指令冗余。
在 RAM 区中设置一个先进先出的循环队列作测量数据缓冲 区，其长度固定为 N ，每采样一个新数据，就将其存入队尾， 而丢掉原来队首的一个数据，而后求出包括新数据在内的 N 个 数据的算术平均值。这样每进行一次采样，就可计算出一个新 的平均值，从而提高了系统响应速度和测量精度。
特点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低； 但对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差，不易消除由于脉冲干 扰引起的采样值偏差。所以不适合脉冲干扰比较严重的场合， 而适用于高频振荡系统。 N值设定的工程经验值为：
优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率 较高的场合。 缺点：相位滞后，灵敏度低。
6、其它滤波方法
（1）.去极值平均滤波
算术平均滤波不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，只是 把其平均到采样结果中，从而降低了测量精度。去极值平均 滤波是对连续采样的 m 个数据进行比较，去掉其中的最 大值与最小值，然后计算余下的m-2 个数据的算术平均值。
式中，第 m 次为最新值，C1、C2、…、Cm 为加权系数， 先小后大，且均为小于1但总和等于1的小数，即满足下式
C1 C2 … Cm 1
Cm > Cm-1 > …C1 > 0 C1、C2、…、Cm 的取值应视具体情况选取,并通过调试确定。 例如,某纯滞后时间为τ的被控对象,采用m =4的加权平均 滤波算式为
6.6 软件抗干扰技术
一、测控系统软件的基本要求 （1）易理解、易维护 指软件系统容易阅读和理解，容易发现和纠正错误，容 易修改和补充。 （2）实时性 要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出处理结果。 （3）可测试性
两方面含义：其一是比较容易制定出测试准则，并根据这 些准则对软件进行测试；其二软件设计完成后，首先在模拟环 境下运行，经过静态分析和动态仿真运行，证明正确无误后才 可投入实际运行。
1.开关量(数字量)信号输入抗干扰措施
干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，我们 在采集某一开关量信号时，可多次重复采集，直到连续两次或 两次以上结果完全一致方为有效。
2.开关量(数字量)信号输出抗干扰措施
在软件上，最为有效的方法就是重复输出同一个数据。只要 有可能，其重复周期尽可能短些。
输出设备是电位控制型还是同步锁存型，对干扰的敏感性相 差较大。前者有良好的抗“毛刺”干扰能力，后者不耐干扰，当 锁存线上出现干扰时，它就会盲目锁存当前的数据，也不管此时 数据是否有效。
y ( k ) = C1 y 1 C2 y 2 C3 y 3 C4 y 4
式中权系数
e C1 R
3
,
e C2 R
2
,
e C3 R

，
C4
1 R
,
3 2 R e e e 1
优点： 这种算法能协调系统的平滑度和灵敏度的矛盾，提高灵 敏度，更适用于纯滞后较大的对象和采用周期较短的系统。 缺点：对于纯滞后时间常数较小和采用周期较长，变化缓慢的 信号不能迅速反应当前所受干扰的严重程度，滤波效果差。
2、指令冗余 CPU受干扰后，往往将操作数当作操作码执行，造成程序混乱。 ※当程序弹飞到一单字节指令上时，便自动纳入正轨；
※当程序弹飞到一双字节指令上时（操作码、操作数），有 可能落到操作数上，从而出错； ※当程序弹飞到一三字节指令上时（操作码、操作数、操 作数），因其有两个操作数，从而出错机会更大 。
序 号 1
பைடு நூலகம்
2
3
4
5
6
7
8
9
24 25 20 27 24 60 24 25 26
采样值 采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 对1、2、3次采样中位值滤波后值：24 对4、5、6次采样中位值滤波后值：27
对7、8、9次采样中位值滤波后值：25
采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：25
3. 滑动平均值法滤波
特点： 1 ） N值决定了信号平滑度和灵敏度。随着 N的增大，平滑度提
高，灵敏度降低。应该视具体情况选择N，以便得到满意的滤
波效果。一般地，流量参数N=8-16 ，常取 12；压力 N=4 ；液面 N=4-12；温度N=1-4，温度、成分等缓变信号可取2 。
在编制算法程序时,m一般取2、4、8等2的整数幂，以便
T T f s •稍加整理得 y ( n ) x ( n ) y ( n 1 ) ( 1 α ) x ( n ) y ( n 1 ) T T T T f s f s
•其中， α 称为滤波系数，且 0 ＜ α ＜1 ，Ts 为采样周期， Tf 为 滤波器时间常数。
•根据惯性滤波器的频率特性，若滤波系数α越大（Tf越大）， 则带宽越窄，滤波频率也越低。因此，需要根据实际情况，适 当选取α值，使得被测参数既不出现明显的纹波，反应又不太 迟缓。
于用移位来代替除法求得平均值。 2 ）平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号，特 别适用信号本身在某一数值范围上下波动的情况，如压力、流 量、液面等。但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理 想。
2．中位值滤波法（中值滤波）
中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样 m次(m≥3)且是 奇数，并按大小顺序排列；再取中间值作为本次采样的有效数 据。一般m取3~5次即可。 •特点：中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发的干扰有 良好的滤波效果。如对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用
•
• •
当y(n)≥yH时，则取y(n)=yH(上限值)；
当y(n)≤yL时，则取y(n)=yL(下限值)； 当yL＜y(n)＜yH时，则取y(n)。
（2）限速滤波(亦称限制变化率)：即 当|y(n)-y(n-1)|≤Δy0时，则取y(n); 当|y(n)-y(n-1)|＞Δy0时，则取y(n)=y(n-1)。 其中Δy0为两次相邻采样值之差的可能最大变化量。Δy0值 的选取，取决于采样周期T及被测参数y应有的正常变化率。 因此，一定要按照实际情况来确定Δy0、yH及yL，否则，非但 达不到滤波效果，反而会降低控制品质。
7、各种滤波方法选择
（1）滤波效果 一般地，对于变化比较慢的参数，如温度，采 用限幅滤波和惯性滤波法。对变化较快的参数，如 压力、流量等，可选用算术平均和加权平均滤波， 特别是加权平均滤波效果更好。对要求比较高的系 统，需采用复合滤波法。
（2）滤波时间：应选用滤波时间较短的程序。
6.6.2 开关量的软件抗干扰技术
例：某压力仪表采样数据如下： 序 号 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
采样值
24 25 20 27 24 60 24 25 26 23
采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 采用算术平均值滤波后，其采样值为： Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+ 26+23)/10=28 干扰被平均到采样值中去了
优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。对随机干 扰或采样器不稳定引起的失真有良好的滤波效果。 缺点：无法抑制周期性干扰，平滑度差。
5．惯性滤波法
•常用的RC滤波器的传递函数是： y( s)
x(s)
1 1 Tf s
• 其中 Tf=RC ，它的滤波效果取决于滤波时间常数 Tf 。因此， RC滤波器不可能对极低频率的信号进行滤波。为此，人们模仿 上式做成一阶惯性滤波器亦称低通滤波器。 y ( n ) y ( n 1 ) •即将上式写成差分方程 T y ( n ) x ( n ) f T s
此法会收到良好的滤波效果；对流量、速度等快速变化的参数
一般不宜采用中位值滤波法。 即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到 m 个滤波值，再对 这 m 个滤波值进行算术平均，得到可用的被测参数。也称为去
•中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。
脉冲干扰平均值滤波法。
例：某压力仪表采样数据如下：
在编制算法程序时,为便于用移位来代替除法求得平均值， m-2应取2、4、8等，故m取4、6、10等。 这种算法适用于工业场合经常遇到的尖峰脉冲干扰的信号滤 波。
（2）. 加权平均滤波 算术平均滤波和去极值平均滤波都存在平滑性和灵敏度的矛 盾。采样次数太少则平滑效果差，次数太多则灵敏度下降，对 测量参数的变化趋势不敏感。为协调两者关系，可采用加权平 均滤波。 加权平均滤波是对每次采样值不以相同的权系数而以增加新 鲜采样值的权重相加。一个m项加权平均式为：
参数 N值
流量 12
压力 4
液面 4~12
温度 1~4
4．限幅滤波法
经验说明，生产过程中许多物理量的变化需要一定的时间， 因此相邻两次采样值之间的变化幅度应在一定的限度之内。限 幅滤波就是把两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对值，再 与两次采样所允许的最大差值 Y 进行比较，如果小于或等 于 Y，表示本次采样值 y(k)是真实的，则取 y(k)为有效采 样值；反之，y(k)是不真实的， 则取上次采样值 y(k 1)作 为本次有效采样值。 （1）限幅滤波：采用上、下限限幅，即
1 y N
x
i 1
N
i
意义
假设某次测量的测量值包括信号成分Si和噪音成分Ci，进行N次测 量后信号成分之和为：
Si N * S
i 1
N
噪音的强度是用均方根来衡量的：
2 Ci NC i 1 N
上两式中，S、C分别表示进行N次测量后信号和噪音的平均强度。
N*S S N 信噪比： C N *C 即算术平均值法使信噪比提高了 N 倍。
6.6.3 CPU抗干扰技术
当干扰作用到CPU本身时，CPU将不能按正常状态执行程序， 从而引起混乱。 1、睡眠抗干扰 CMOS 型单片机通过执行 ORL PCON ， #1 可以进入睡眠 （待机）状态，只有定时/计数系统和中断系统处于值班状 态。这时 CPU对系统三总线上的出现的干扰不会作出什么 反应，从而大大降低系统对干扰的敏感程度。 软件设计： 主程序自检、初始化 LOOP：ORL PCON，#1 LJMP LOOP CPU睡眠 PC指针位置 中断唤醒CPU PC指针自动压栈 中断服务程序 中断返回
（4）准确性 算法选择、位数选择等要符合要求。 （5）可靠性 最重要的指标之一，两方面含义： 第一是运行参数环境发生变化时，软件能可靠 运行并给出准确结果，即软件应具有自适应性； 第二是工业环境极其恶劣，干扰严重，软件必
须保证在严重干扰条件下也能可靠运行。
二.软件抗干扰研究的主要内容
1.采用软件的方法抑制叠加在输入输出信号上噪声影响，
与模拟滤波器相比，有以下几个优点:
1.数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以
可靠性高，稳定性好。 2. 数字滤波可以对频率很低 ( 如 0 ． 01HZ) 的信号实现滤
波，克服了模拟滤波器的缺陷。
3.数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方 法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。
如模拟输入信号的数字滤波技术；
2.由于干扰而使程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循 环，采取使程序纳入正轨的措施，如指令冗余、软件陷阱、 “看门狗”技术等； 3.发现程序失控后，解决系统恢复正常运行的方法，如重 要信息的恢复，系统重入的条件等。
6.6.1
数字滤波技术
由于工业生产的现场环境非常恶劣，各种干扰源很多， 计算机系统通过输入通道采集到的数据信号，虽经硬件电路的 滤波处理，但仍会混有随机干扰噪声。因此，为了提高系统性 能，达到准确的测量与控制，一般情况下还需要进行数字滤波。 所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干 扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。 数字滤波可靠性高，稳定性好，修改滤波参数也容易， 而且一种滤波子程序可以被多个通道所共用，因而成本很低。 另外，数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进 行滤波。它的不足之处是需要占用CPU的机时。