第六章(二) 软件抗干扰技术(全)

2014-2-26 7
数字滤波技术--程序判断滤波—限幅滤波 (a)、限幅滤波：若采样值超过了物理量的上、下限Yh和Yl， 则要对采样值限幅。 当y(k)>=Yh时，取y(k)=Yh（上限值） 当y(k)<Yl时，y(k)=Yl（下限值） 若Yl<y(k)<Yh，则取y(k)。
2014-2-26
8
2014-2-26 3
软件出错对系统的危害 数据采集不可靠
在数据采集通道，尽管采取了一些必要的硬件抗干扰措施， 但在数据传输过程中仍然会有一些干扰侵入系统，造成采集的数 据不准确形成误差。
控制失灵
一般情况下，控制信号的输出是通过微机控制系统的输出通 道实现的。由于控制信号输出功率较大，不易直接受到外界干扰。 但是在微机控制系统中，控制状态的输出常常取决于某些条件状 态的输入和条件状态的逻辑处理结果，而在这些环节中，由于干 扰的侵入，可能造成条件状态偏差、失误，致使输出控制误差加 大，甚至控制失灵。
}
2014-2-26
23
数字滤波技术--一阶惯性滤波（示例）
2014-2-26
24
数字滤波技术—使用场合 (八) 各种数字滤波算法的比较 滤波效果：选择哪种滤波方式，应视具体情况而定。平均 值滤波适用于周期性干扰；中位值滤波和程序判断滤波适用 于偶然的脉冲干扰；加权平均滤波适用于纯滞后较大的被控 对象；惯性滤波适用于高频及低频的干扰信号；复合滤波适 用于较复杂的干扰环境。 滤波时间：在考虑滤波效果的基础上，应尽量选择执行时 间较短的算法。若计算机的计算时间允许，可采用效果较好 的复合滤波算法。
2014-2-26 31
程序运行失常的软件抗干扰--软件陷阱 所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序 引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错处理 的程序。 如果把这段程序的入口标号记为ERR的话，软件陷阱即 为一条无条件转移指令，为了加强捕捉效果，一般还在前 面加上两条NOP指令。所以软件陷阱的构成为： NOP NOP JMP ERR 软件陷阱安排在以下4种地方：（1）未使用的中断向量 区；(2)未使用的大片ROM空间；(3)表格；(4)程序区。
33
程序运行失常的软件抗干扰--设置监视跟踪定时器 每一个计算机控制系统都有自己的程序运行周期。在 初始化时，将Watchdog定时器的时间常数定为略大于程序 的运行周期，并且在程序运行的每个循环周期内，每次都 对定时器重新初始化。如果程序运行失常，跑飞或进入局 部死循环，不能按正常循环路线运行，则Watchdog定时器 得不到及时的重新初始化而使定时时间到，引起定时中断， 在中断服务程序中将系统复位，再次将程序的运行拉入正 常的循环轨道。
2014-2-26
25
开关量的软件抗干扰技术--开关量(数字量)信号输入抗干扰措施
2014-2-26
26
开关量的软件抗干扰技术--开关量(数字量)信号输出抗干扰措施 开关量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，会盲目锁存当前的 数据，不管此时的数据是否有效。 输出设备的惯性（响应速度）与干扰的耐受能力也有很 大的关系。惯性大的设备（各类电磁执行机构）对“毛刺” 的干扰有一定的耐受能力，惯性小的设备（通信口、显示设 备）耐受能力小一些。
2014-2-26
13
数字滤波技术—算术平均滤波
2014-2-26
14
数字滤波技术—算术平均滤波 由此可见，算术平均值滤波的实质是把一个采样周期 内的N次采样值相加，然后再把所得的和除以采样次数N得 到该周期的采样值。算术平均值滤波主要用于具有随机干 扰的压力、流量等周期性脉动的采样值进行平滑加工，但 对脉冲性干扰的平滑作用不理想。 算术平均值法对信号的平滑滤波程度完全取决于N。当 N较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测 量计算信号结果y的影响小；当N较小时，平滑度较低，但 灵敏度高。应按具体情况选取N。对流量，取N＝8～16； 对压力，N＝4。
2014-2-26
29
软件抗干扰技术--软件冗余技术—指令冗余 指令冗余 当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来 执行，引起程序混乱。当程序弹飞到某一单字节指令上时， 便自动纳入正轨。当弹飞到某一双字节指令上时，有可能 落到其操作数上，从而继续出错。当程序弹飞到三字节指 令上时，因它有两个操作数，继续出错的机会更大。因此， 应多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单 字节指令(NOP)或将有效单字节指令重复书写，这就是指 令冗余 。
2014-2-26 18
数字滤波技术—滑动平均值滤波
2014-2-26
19
数字滤波技术--一阶惯性滤波
2014-2-26
20
数字滤波技术--一阶惯性滤波
2014-2-26
21
数字滤波技术--一阶惯性滤波
2014-2-26
22
数字滤波技术--一阶惯性滤波（示例）
/*****************采样扭矩码******************************************/ void GetADTorqueCode(void) { ADTorqueCode=ADIn(0)-SetTorqueZeroCode();//扭矩通道，0 ADTorqueCode=ADTorqueCode-2048; ADTorqueCode=0.1*ADTorqueCode+0.9*ADTorqueCodeOld; //滤波 ADTorqueCodeOld=ADTorqueCode; ADTorqueCode=ADTorqueCode+2048; if(ADTorqueCode>4095) ADTorqueCode=4095; if(ADTorqueCode<1 ) ADTorqueCode=1;
2014-2-26 32
程序运行失常的软件抗干扰--设置监视跟踪定时器 设置监视跟踪定时器 监视跟踪定时器，也称为看门狗定时器(Watchdog)，可 以使陷入“死机”的系统产生复位，重新启动程序运行。这 是目前用于监视跟踪程序运行是否正常的最有效的方法之一， 得到了广泛的应用。
2014-2-26
第六章(二) 软件抗干扰技术Βιβλιοθήκη 2014-2-261
主要内容： 数字滤波技术 开关量的软件抗干扰技术 指令冗余技术 程序运行失常的软件抗干扰
2014-2-26
2
前言 为了提高工业控制系统的可靠性，仅靠硬件抗干扰措 施是不够的。需要进一步借助于软件措施来克服某些干扰。 在计算机控制系统中，如能正确地采用软件抗干扰措施， 与硬件抗干扰措施构成双道抗干扰防线，无疑将大大提高 工业控制系统的可靠性。 经常采用的软件抗干扰技术有： 数字滤波技术 开关量的软件抗干扰技术 指令冗余技术 软件陷阱技术等
2014-2-26
6
数字滤波技术--程序判断滤波 许多物理量的变化都需要有一定的时间，相邻两次采样 值之间的变化有一定的限度。根据生产经验，确定出相邻两 次采样信号之间可能出现的最大偏差 ∆Y，若超过此偏差值， 则表明该输入信号受到了干扰信号的干扰，应该去掉；若小 于此偏差，则可将该信号作为本次采样值。另外还有一种情 况：若采样值超过了物理量的上下限Yh和Yl，则要对采样值 限幅。 当大功率用电设备的启动和停止，造成电流的尖峰干扰 或错误检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真现象时， 可采用程序判断法进行滤波。分为限幅滤波和限速滤波两种。
2014-2-26
数字滤波技术--程序判断滤波—限速滤波
2014-2-26
9
数字滤波技术--程序判断滤波—限速滤波
2014-2-26
10
数字滤波技术--程序判断滤波—限速滤波
2014-2-26
11
数字滤波技术--程序判断滤波—限速滤波 限速滤波方法，主要用于变化较慢的参数。比如温度、 液位等测量系统。关键问题是最大允许误差∆Y、上下限Yh和 Yl的选取。通常可以根据经验获得，也可由实验得出。否则 非但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。 （c）、限幅滤波+限速滤波：先对采样值进行限幅，再进行 限速处理。
2014-2-26 28
软件抗干扰技术--软件冗余技术--数据冗余 数据冗余 RAM数据冗余就是将要保护的原始数据在另外两个区 域同时存放，建立两个备份。当原始数据块被破坏时，用备 份数据块去修复。备份数据的存放地址应远离原始的存放地 址以免被同时破坏。数据区也不要靠近栈区，以防止万一堆 栈溢出而冲掉数据。
2014-2-26
27
开关量的软件抗干扰技术--开关量(数字量)信号输出抗干扰措施
在软件上，最为有效的方法是重复输出同一个数据。只要有 可能，其重复周期尽可能短。这样，执行机构接收到一个被干扰 的错误信号后，还来不及做出有效反应，一个正确的输出信号又 来到了，可及时防止错误动作的发生。 当计算机输出开关量控制闸门、料斗等执行机构动作时，为 了防止这些执行机构由于外界干扰而误动作，比如已关的闸门、 料斗可能中途打开；已开的闸门、料斗可能中途突然关闭。对于 这些误动作，可以在应用程序中每隔一段时间(比如几个ms)发出 一次输出命令，不断地关闭闸门或者开闸门。这样，就可以较好 地消除由于扰动而引起的误动作(开或关)。
2014-2-26 4
数字滤波技术
数字滤波是提高数据采集系统可靠性最有效的 方法，因此在计算机控制系统中一般都要进行数字 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。数字滤波主要是针对串模干扰进行 的处理。
2014-2-26
5
数字滤波技术 与模拟滤波器相比，数字滤波有以下几个优点： 采用软件实现，不需增加硬设备，可靠性高，稳定性好。 可以对频率很低(<0.01Hz)的信号实行滤波，克服了模拟滤 波器的不足。 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。 模拟滤波器通常是专用的，而数字滤波器则可共享，降低 了成本。
2014-2-26
12
数字滤波技术--中位值滤波 (二)中位值滤波 所谓中位值滤波是对某一参数连续采样n次(一般为奇 数)，然后把n次采样值从小到大(或从大到小)排队，再取中 间值做为本次的采样值。 中位值滤波对于去掉由偶然因素引起的波动或采样器 不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。若参数 变化较慢，则采用中位值滤波效果较好，但对快速变化的 参数，则不宜使用。
2014-2-26
30
程序运行失常的软件抗干扰--软件陷阱 为了防止“死机”，一旦发现程序运行失常后能及时 引导程序恢复原始状态，必须采取一些相应的软件抗干扰 措施。 设置软件陷阱 当干扰导致程序计数器PC值混乱时，可能造成CPU 离开正确的指令顺序而跑飞到非程序区去执行一些无意义 地址中的内容；或进入数据区，把数据当作操作码来执行， 使整个工作紊乱，系统失控。针对这种情况，可以在非程 序区设置陷阱，一旦程序飞到非程序区，很快进入陷阱， 然后强迫程序由陷阱进入初始状态。
2014-2-26
34
软件抗干扰小结

数字滤波技术 程序判断滤波 中位值滤波 算术平均值滤波 加权平均值滤波 滑动平均值滤波 惯性滤波 复合数字滤波
开关量的软件抗干扰技术 开关量信号输入抗干扰措施 开关量信号输出抗干扰措施 软件冗余技术 数据冗余 指令冗余 程序运行失常的软件抗干扰 设置软件陷阱 看门狗定时器(Watchdog)
2014-2-26 15
数字滤波技术—加权平均值滤波
2014-2-26
16
数字滤波技术—加权平均值滤波
2014-2-26
17
数字滤波技术—滑动平均值滤波 (五)滑动平均值滤波 是对算术平均滤波和加权平均值滤波的改进。不管是 算术平均滤波还是加权平均滤波，都需连续采样N个数据， 然后求算术平均或加权平均。但采样N次所需的时间较长， 故检测速度较慢。 可以改进为滑动平均值滤波：预先在计算机内存中建 立一个数据缓冲区，按照顺序存放N个采样数据，每采进一 个新数据，就将最早采进的数据丢掉，而后求包括新数据 在内的N个数据的算术平均或加权平均。这样每进行一次采 样，就可以计算出一个新的平均值，加快了数据处理的速 度。