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1、工控软件的抗干扰设计Abstract:Thecharacteristicofinterferenceinindustrialenviromenthasbeenintroducedinthispaper.Themethodofindustrialcontrolsoftwareanti-interencedesignhasalsobeendiscussedindetail.Keyword:industrialcontrolsoftware,anti-interference,reliability计算机系统在工业现场使用时，大量的干扰源虽不能造成硬件系统的损坏，但经常使计算机系统不能正常运行，致使
2、控制失灵，造成重大事故。计算机系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决，因此，软件抗干扰问题的研究愈来愈引起人们的重视。一、工控软件的构造特点及干扰途径在不同的工业控制系统中，工控软件固然完成的功能不同，但就其构造来讲，一般具有如下特点：实时性：工业控制系统中有些事件的发生具有随机性，要求工控软件可以及时地处理随机事件。周期性：工控软件在完成系统的初始化工作后，随之进入主程序循环。在执行主程序经过中，如有中断申请，那么在执行完相应的中断效劳程序后，继续主程序循环。相关性：工控软件由多个任务模块组成，各模块配合工作，互相关联，互相依存。人为性：工控软件允许操纵人员干预系统的运行，调整系统的工作参数。在
3、理想情况下，工控软件可以正常执行。但在工业现场环境的干扰下，工控软件的周期性、相关性及实时性受到破坏，程序无法正常执行，导致工业控制系统的失控，其表现是：程序计数器PC值发生变化，破坏了程序的正常运行。PC值被干扰后的数据是随机的，因此引起程序执行混乱，在PC值的错误引导下，程序执行一系列毫无意义的指令，最后经常进入一个毫无意义的“死循环中，使系统失去控制。输入/输出接口状态受到干扰，破坏了工控软件的相关性和周期性，造成系统资源被某个任务模块独占，使系统发生“死锁。数据收集误差加大。干扰侵入系统的前向通道，叠加在信号上，导致数据收集误差加大。十分是当前向通道的传感器接口是小电压信号输入时，此现
4、象更加严重。RAM数据区受到干扰发生变化。根据干扰窜入渠道、受干扰数据性质的不同，系统受损坏的状况不同，有的造成数值误差，有的使控制失灵，有的改变程序状态，有的改变某些部件如定时器计数器、串行口等的工作状态等。笔者在研制电力远程抄表系统时就曾碰到因现场强电磁干扰而造成RAM数据经常性被破坏的情况。控制状态失灵。在工业控制系统中，控制状态的输出经常是根据某些条件状态的输入和条件状态的逻辑处理结果而定。在这些环节中，由于干扰的侵入，会造成条件状态错误，致使输出控制误差加大，甚至控制失常。二、程序运行失常的软件对策系统受到干扰损害致使PC值改变，造成程序运行失常。对于程序运行失常的软件对策主要是发现
5、失常状态后及时引导系统恢复原始状态。1.设置监视跟踪定时器使用定时中断来监视程序运行状态。定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环的时间，在主程序运行经过中执行一次定时器时间常数刷新操纵。这样，只要程序正常运行，定时器不会出现定时中断。而当程序运行失常，不能及时刷新定时器时间常数而导致定时中断，利用定时中断效劳程序将系统复位。在8031应用系统中作为软件抗干扰的一个事例，详细做法是：使用8155的定时器所产生的“溢出信号作为8031的外部中断源INT1。用555定时器作为8155中定时器的外部时钟输入；8155定时器的定时值稍大于主程序的正常循环时间；在主程序中，每循环一次，对8155定时
6、器的定时常数进展刷新；在主控程序开场处，对硬件复位还是定时中断产生的自动恢复进展分类判定处理。2.设置软件陷井当PC失控，造成程序“乱飞而不断进入非程序区，只要在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷井，然后强迫使程序进入初始状态。例如Z80指令系统中数据FFH正好对应为重新起动指令RST56，该指令使程序自动转入0038H入口地址。因此，在Z80CPU构成的应用系统中，只要将所有非程序区全部置成FFH用以拦截失控程序。并在0038H处设置转移指令，使程序转至抗干扰处理程序。三、系统“死锁的软件对策在工业控制系统中，A/D、D/A，显示等输入/输出接口电路是必不可少的。这些接口与CPU之间采用查询
7、或者中断方式工作，而这些设备或者接口对干扰很敏感，干扰信号一旦破坏了某一接口的状态字后，就会导致CPU误以为该接口有输入/输出恳求而停顿现行工作，转去执行相应的输入/输出效劳程序。但由于该接口本身并没有输入/输出数据，进而使CPU资源被该效劳程序长期占用，而不释放，其它任务程序无法执行，使整个系统出现“死锁。对这种干扰造成的“死锁问题，在软件编程中，可采用“时间片的方法来解决。其详细步骤为：根据不同的输入/输出外设对时间的要求，分配相应的最大正常的输入/输出时间。在每一输入/输出的任务模块中，参加相应的超时判定程序。这样当干扰破坏了接口的状态造成CPU误操纵后，由于该外设预备好信息长期无效，经
8、一定时间后，系统会从该外设的效劳程序中自动返回，保证整个软件的周期性不受影响，进而防止“死锁情况的发生。四、数据收集误差的软件对策根据数据受干扰性质及干扰后果的不同，采取的软件对策各不一样，没有固定的形式。对于实时数据收集系统，为了消除传感器通道中的干扰信号，在硬件措施上常采取有源或者无源RLC网络，构成模拟滤波器对信号实现频率滤波。同样，运用CPU的运算、控制功能可以以实现频率滤波，完成模拟滤波器类似的功能，这就是数字滤波。在很多数字信号处理专著中都有专门阐述，可以参考。随着计算机运算速度的进步，数字滤波在实时数据收集系统中的应用将愈来愈广。在一般数据收集系统中，可以采用一些简单的数值、逻辑
9、运算处理来到达滤波的效果。下面介绍几种常用的方法。1.算术平均值法对于一点数据连续采样屡次，计算其算术平均值，以其平均值作为该点采样结果。这种方法可以减少系统的随机干扰对收集结果的影响。一般35次平均即可。2.比拟取舍法当控制系统测量结果的个别数据存在偏向时，为了剔除个别错误数据，可采用比拟取舍法，即对每个采样点连续采样几次，根据所采数据的变化规律，确定取舍，进而剔除偏向数据。例如,“采三取二即对每个采样点连续采样三次，取两次一样的数据为采样结果。3.中值法根据干扰造成采样数据偏大或者偏小的情况，对一个采样点连续收集多个信号，并对这些采样值进展比拟，取中值作为该点的采样结果。4.一阶递推数字滤
10、波法这种方法是利用软件完成RC低通滤波器的算法，实现用软件方法代替硬件RC滤波器。一阶递推数字滤波公式为Yn=QXn+1-QYn-1式中Q-数字滤波器时间常数；Xn第n次采样时的滤波器输入；Yn第n次采样时的滤波器输出。采用软件滤波器对消除数据收集中的误差可以获得满足的效果。但应留意，选取何种方法应根据信号的变化规律选择。五、RAM数据出错的软件对策在实时控制经过中，干扰造成比拟严重的危害之一就是冲垮RAM中的数据，由于RAM中保存的是各种原始数据、标志、变量等，假如被破坏，会造成系统出错或者无法运行，根据数据被冲垮的程度，一般可分为三类：整个RAM数据被冲垮；RAM中某片数据被冲垮；个别数据
11、被冲垮。在工业控制系统中，RAM的大局部内容是为了进展分析、比拟而临时存放的，不允许丧失的数据只占极少局部。在这种情况下，除了这些不允许丧失的数据外，其余大局部内容允许短时间被破坏，最多只引起系统的一个很短时间的波动，很快能自动恢复正常。因此，在工控软件中，只要留意对少数不允许丧失的数据保护，一般常用的方法有“校验法和“设标法。这两种方法各有千秋，校验法比拟繁锁，但查错的可信度高。设标法简单，但对数据表中个别数据冲垮的情况，查错那么无难为力。在编程中一般应综合使用，其详细做法为：将RAM工作区重要区域的始端和尾端各设置一个标志码“0或者“1；对RAM中固定不变的数据表格设置校验字。在程序的执行
12、经过中，每隔一定的时间通过事先设计的查错程序来检查其各标志码是否正常，假如不正常，那么利用数据冗余技术通过抗干扰处理程序来进展修正；冗余数据表的一般设计原那么是：各数据表应互相远离分散设置，减少冗余数据同时被冲垮的概率。数据表应尽可能远离栈区，减少由于操纵错误造堆栈被成数据冲的可能。上述对RAM区域的恢复处理方法，在不同的应用系统中应根据的详细情况进展取舍。六、控制状态失常的软件对策在条件控制系统中，人们关注的问题是能否确保正常的控制状态。假如干扰进入系统，会影响各种控制条件、造成控制输出失误。为了确保系统平安可以采取下述软件抗干扰措施：1.软件冗余对于条件控制系统，将控制条件的一次采样、处理控制输出，改为循环采样、处理控制输出。这种方法具有良好的抗偶尔因素干扰作用。2.设置当前输出状态存放单元当干扰侵入输出通道造成输出状态破坏时，系统可和时查询当前输出状态存放单元的输出状态信息，及时纠正错误的输出状态。3.设置自检程序在计算机系统内的特定部位或者某些内存单元设状态标志，在运行中不断循环测试，以保证系统中信息存储、传输、运算的高可靠性。上述介绍的几种有关工控软件的抗干扰编程方法是笔者在工作理论中的体会。在设计工控软件的经过中只要采取相应的抗干扰措施，就可获得较好的抗干扰效果。假如结合各种硬件抗干扰措施一起使用，将会大大进步系统的可靠性。