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1、（4 4）精确性）精确性 算法选择、位数选择等要符合要求。算法选择、位数选择等要符合要求。（5 5）牢靠性）牢靠性 最重要的指标之一，两方面含义：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更时，软件能第一是运行参数环境发生变更时，软件能牢靠运行并给出精确结果，即软件应具有自适应性；牢靠运行并给出精确结果，即软件应具有自适应性；其次是工业环境极其恶劣，干扰严峻，软其次是工业环境极其恶劣，干扰严峻，软件必需保证在严峻干扰条件下也能牢靠运行。件必需保证在严峻干扰条件下也能牢靠运行。二二.软件抗干扰探讨的主要内容软件抗干扰探讨的主要内容1.1.接接受受软软件件的的方方法法抑抑制制叠叠加加在
2、在输输入入输输出出信信号号上上噪噪声声影影响响，如模拟输入信号的数字滤波技术；如模拟输入信号的数字滤波技术；2.2.由由于于干干扰扰而而使使程程序序发发生生混混乱乱，导导致致程程序序乱乱飞飞或或陷陷入入死死循循环环，实实行行使使程程序序纳纳入入正正轨轨的的措措施施，如如指指令令冗冗余余、软软件件陷陷阱阱、“看门狗看门狗”技术等；技术等；3.3.发发觉觉程程序序失失控控后后，解解决决系系统统复复原原正正常常运运行行的的方方法法，如如重重要信息的复原，系统重入的条件等。要信息的复原，系统重入的条件等。6.6.1 6.6.1 数字滤波技术数字滤波技术 由于工业生产的现场环境特别恶劣，各种干扰源很多，
3、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，达到精确的测量与限制，一般状况下还须要进行数字滤波。所谓数字滤波，就是通过确定的计算或推断程序削减干所谓数字滤波，就是通过确定的计算或推断程序削减干所谓数字滤波，就是通过确定的计算或推断程序削减干所谓数字滤波，就是通过确定的计算或推断程序削减干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。数字滤波牢靠性高，稳定性好，修改滤波参数也简洁，数字
4、滤波牢靠性高，稳定性好，修改滤波参数也简洁，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。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。它的不足之处是须要占用行滤波。它的不足之处是须要占用CPU的机时。的机时。与模拟滤波器相比，有以下几个优点与模拟滤波器相比，有以下几个优点:1.1.数数字字滤滤波波是是用用程程序序实实现现的的，不不须须要要增增加加硬硬设设备备，所以牢靠性高，稳定性好。所以牢靠性高，稳定性好。2.2.数数字字滤滤波波可可以以对对频频率率很很低低(如
5、如0 001HZ)01HZ)的的信信号号实实现现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。3.3.数数字字滤滤波波器器可可以以依依据据信信号号的的不不同同，接接受受不不同同的的滤滤波方法或滤波参数，具有敏捷、便利、功能强的特点。波方法或滤波参数，具有敏捷、便利、功能强的特点。主要数字滤波算法：主要数字滤波算法：算术平均值法、中位值滤波法、限幅算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法滤波法、惯性滤波法 等等1 1、算术平均值法、算术平均值法算算术术平平均均值值法法是是对对输输入入的的N个个采采样样数数据据xi(i=1N)，找找寻寻这这样样一一个个y，使使y与与各各采采
6、样样值值间间的的偏偏差差的的平平方方和和为最小，即为最小，即由一元函数求极值原理可得：由一元函数求极值原理可得：意义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：噪音的强度是用均方根来衡量的：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。信噪比：即算术平均值法使信噪比提高了 倍。例：某压力仪表采样数据如下：序 号采样值采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。接受算术平均值滤波后，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 特点特点：1 1）N N值值确确定定了了信信号号
7、平平滑滑度度和和灵灵敏敏度度。随随着着N N的的增增大大，平平滑滑度度提提高高，灵灵敏敏度度降降低低。应应当当视视具具体体状状况况选选择择N N，以以便便得得到到满满足足的的滤滤波波效效果果。一一般般地地，流流量量参参数数N=8-16N=8-16，常常取取1212；压压力力N=4N=4；液液面面N=4-12N=4-12；温度；温度N=1-4N=1-4，温度、成分等缓变信号可取，温度、成分等缓变信号可取2 2。在在编编制制算算法法程程序序时时,m,m一一般般取取2 2、4 4、8 8等等2 2的的整整数数幂幂，以以便便于用移位来代替除法求得平均值。于用移位来代替除法求得平均值。2 2）平平均均值
8、值滤滤波波法法一一般般适适用用于于具具有有周周期期性性干干扰扰噪噪声声的的信信号号，特特殊殊适适用用信信号号本本身身在在某某一一数数值值范范围围上上下下波波动动的的状状况况，如如压压力力、流流量量、液液面面等等。但但对对偶偶然然出出现现的的脉脉冲冲干干扰扰信信号号，滤滤波波效效果果尚尚不不志志向。向。2中位值滤波法（中值滤波）中位值滤波法（中值滤波）中中位位值值滤滤波波法法的的原原理理是是对对被被测测参参数数连连续续采采样样m次次(m3)且且是是奇奇数数，并并按按大大小小依依次次排排列列；再再取取中中间间值值作作为为本本次次采采样样的的有有效效数数据。一般据。一般m取取35次即可。次即可。特特
9、点点：中中位位值值滤滤波波法法对对脉脉冲冲干干扰扰信信号号等等偶偶然然因因素素引引发发的的干干扰扰有有良良好好的的滤滤波波效效果果。如如对对温温度度、液液位位等等变变更更缓缓慢慢的的被被测测参参数数接接受受此此法法会会收收到到良良好好的的滤滤波波效效果果；对对流流量量、速速度度等等快快速速变变更更的的参参数数一般不宜接受中位值滤波法。一般不宜接受中位值滤波法。中中位位值值滤滤波波法法和和平平均均值值滤滤波波法法结结合合起起来来运运用用，滤滤波波效效果果会会更更好好。即即在在每每个个采采样样周周期期，先先用用中中位位值值滤滤波波法法得得到到m个个滤滤波波值值，再再对对这这m个个滤滤波波值值进进行
10、行算算术术平平均均，得得到到可可用用的的被被测测参参数数。也也称称为为去去脉冲干扰平均值滤波法。脉冲干扰平均值滤波法。例：某压力仪表采样数据如下：例：某压力仪表采样数据如下：序序 号号采样值采样值采样数据明显存在采样数据明显存在被干扰被干扰现象（彩色数据）。现象（彩色数据）。接受去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：接受去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：25对对1、2、3次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：24对对4、5、6次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：27对对7、8、9次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：253.3.滑动平均值法滤波滑动平均值法滤波 在在RAMR
11、AM区区中中设设置置一一个个先先进进先先出出的的循循环环队队列列作作测测量量数数据据缓缓冲冲区区，其其长长度度固固定定为为N N，每每采采样样一一个个新新数数据据，就就将将其其存存入入队队尾尾，而而丢丢掉掉原原来来队队首首的的一一个个数数据据，而而后后求求出出包包括括新新数数据据在在内内的的N N个个数数据据的的算算术术平平均均值值。这这样样每每进进行行一一次次采采样样，就就可可计计算算出出一一个个新新的的平平均均值值，从而提高了系统响应速度和测量精度。从而提高了系统响应速度和测量精度。特特点点：对对周周期期性性干干扰扰有有良良好好的的抑抑制制作作用用，平平滑滑度度高高，灵灵敏敏度度低低；但但
12、对对偶偶然然出出现现的的脉脉冲冲性性干干扰扰抑抑制制作作用用差差，不不易易消消退退由由于于脉脉冲冲干干扰扰引引起起的的采采样样值值偏偏差差。所所以以不不适适合合脉脉冲冲干干扰扰比比较较严严峻峻的的场场合合，而适用于高频振荡系统。而适用于高频振荡系统。N值设定的工程阅历值为：值设定的工程阅历值为：4限幅滤波法限幅滤波法（1）限幅滤波：接受上、下限限幅，即 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yLy(n)yH时，则取y(n)。阅历说明，生产过程中很多物理量的变更须要确定的时间，因此相邻两次采样值之间的变更幅度应在确定的限度之内。限幅滤波
13、就是把两次相邻的采样值相减，求其增量的确定值，再与两次采样所允许的最大差值Y进行比较，假如小于或等于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(k1)作为本次有效采样值。（2）限速滤波(亦称限制变更率)：即 当|y(n)-y(n-1)|y0时，则取y(n);当|y(n)-y(n-1)|y0时，则取y(n)=y(n-1)。其中y0为两次相邻采样值之差的可能最大变更量。y0值的选取，取决于采样周期T及被测参数y应有的正常变更率。因此，确定要依据实际状况来确定y0、yH及yL，否则，非但达不到滤波效果，反而会降低限制品质。优点：能有效克服
14、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惯性滤波法惯性滤波法 常用的RC滤波器的传递函数是：其中Tf=RC，它的滤波效果取决于滤波时间常数Tf。因此，RC滤波器不行能对极低频率的信号进行滤波。为此，人们仿照上式做成一阶惯性滤波器亦称低通滤波器。即将上式写成差分方程 稍加整理得 其中，称为滤波系数，且01，Ts为采样周期，Tf为滤波器时间常数。依据惯性滤波器的频率特性，若滤波系数越大（Tf越大），则带宽越窄，滤波频率也越低。因此，须要依据实际状况，适当选取值，使得被测参数既不出现明显的纹波，反应又不太迟缓。优点：对周期性
15、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、其它滤波方法（1）.去极值平均滤波去极值平均滤波 算术平均滤波不能将明显的偶然的脉冲干扰消退，只是把算术平均滤波不能将明显的偶然的脉冲干扰消退，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波是对连续采样的m个数据进行比较，去掉其中的最大个数据进行比较，去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下的值与最小值，然后计算余下的m-2 个数据的算术平均值。个数据的算术平均值。在编制算法程序时在编制算法程序时,为便于用移位来代替除法求
16、得平均值，为便于用移位来代替除法求得平均值，m-2应取应取2、4、8等，故等，故m取取4、6、10等。等。这种算法适用于工业场合常常遇到的尖峰脉冲干扰的信号滤这种算法适用于工业场合常常遇到的尖峰脉冲干扰的信号滤波。波。（2）.加权平均滤波加权平均滤波 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冲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冲突。采样次数太少则平滑效果差，次数太多则灵敏度下降，对突。采样次数太少则平滑效果差，次数太多则灵敏度下降，对测量参数的变更趋势不敏感。为协调两者关系，可接受加权平测量参数的变更趋势不敏感。为协调两者关系，可接受加权平均滤波。均滤波。加权平均滤波
17、是对每次采样值不以相同的权系数而以增加簇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簇新采样值的权重相加。一个新采样值的权重相加。一个m项加权平均式为：项加权平均式为：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=1Cm Cm-1 C1 0C1、C2、Cm 的取值应视具体状况选取,并通过调试确定。例如,某纯滞后时间为的被控对象,接受m=4的加权平均滤波算式为=C1 y 1+C2 y 2+C3 y 3+C4 y 4 式中权系数,，,优点：这种算法能协调系统的平滑度和灵敏度的冲突，提高灵敏度，更适用于纯滞后较大的对象
18、和接受周期较短的系统。缺点：对于纯滞后时间常数较小和接受周期较长，变更缓慢的信号不能快速反应当前所受干扰的严峻程度，滤波效果差。7、各种滤波方法选择、各种滤波方法选择（1）滤波效果一般地，对于变更比较慢的参数，如温度，接受限幅滤波和惯性滤波法。对变更较快的参数，如压力、流量等，可选用算术平均和加权平均滤波，特殊是加权平均滤波效果更好。对要求比较高的系统，需接受复合滤波法。（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开关量的软件抗干扰技术 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
19、设备是电位限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”干扰实力，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。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样方为有效。6.6.3 CPU6.6.3 CPU抗干扰技术抗干扰技术当当干干扰扰作作用用到到CPU本本身身时时，CPU将将不不能能按按正正常常状状态态执执行行程程序序，从而引起混乱。从而引起混乱。1、睡眠抗干扰、睡眠抗干扰CMOS型型单单片片机机通通过过执执行行O
20、RL PCON，#1可可以以进进入入睡睡眠眠（待待机机）状状态态，只只有有定定时时/计计数数系系统统和和中中断断系系统统处处于于值值班班状状态态。这这时时CPU对对系系统统三三总总线线上上的的出出现现的的干干扰扰不不会会作作出出什什么么反应，从而大大降低系统对干扰的敏感程度。反应，从而大大降低系统对干扰的敏感程度。软件设计：软件设计：主程序自检、初始化主程序自检、初始化LOOP：ORL PCON，#1LJMP LOOP中断唤醒中断唤醒CPUPC指针自动压栈指针自动压栈中断服务程序中断服务程序中断返回中断返回CPU睡眠睡眠PC指针位置指针位置2、指令冗余、指令冗余CPU受干扰后，往往将操作数当作
21、操作码执行，造成程序混乱。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；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，从而出错机会更大数），因其有两个操作数，从而出错机会更大。应多接受单字节指令，并在关键地方人为插入一些单字应多接受单字节指令，并在关键地方人为插入一些
22、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。正轨的机会，这便是指令冗余。实现方法实现方法：在在一一些些对对程程序序流流向向起起确确定定作作用用的的指指令令之之前前插插入入两两条条NOP指指令令，以以保保证证弹弹飞飞的的程程序序快快速速纳纳入入正正确确的的限限制制轨轨道道。这这些些指指令令有有：RET、RETI、LCALL、LJMP、JZ/JNZ、JC/JNC、JB/JNB、JBC、CJNE、DJNZ等。（如等。（如51单片机）单片机）如：利用减法比较两无符号数的大小程序（数放如：利用减法比较两无符号数的
23、大小程序（数放A、B中）：中）：无指令冗余程序无指令冗余程序：CLRCSUBB A,BJCBBIGBBIG:NOP.有指令冗余的状况：有指令冗余的状况：CLRCSUBB A,BNOPNOPJCBBIGBBIG:NOP.指令冗余缺点：指令冗余缺点：降低指令执行效率降低指令执行效率指令冗余特点指令冗余特点：1.降低正常程序执行的效率；降低正常程序执行的效率；2.可可以以削削减减程程序序弹弹飞飞的的次次数数，使使其其很很快快纳纳入入程程序序轨轨道道，使使CPU按按“操操作作码码、操操作作数数”方方式式运运行行，但但不不能能保保证证失失控控期期间间不不干干坏坏事事，更更不不能能保保证证程程序序纳纳入入
24、正正常常轨轨道道后后太太平平无无事事。因因为为弹弹飞飞的的程程序序已已经经偏偏离离正正常常依依次次，做做了了不不该该做做的的事事。解解决决这个问题还要靠软件容错技术，削减或歼灭程序误动作。这个问题还要靠软件容错技术，削减或歼灭程序误动作。3.指指令令冗冗余余使使弹弹飞飞程程序序安安定定下下来来是是有有条条件件的的，首首先先弹弹飞飞的的程序要落到程序区，其次必需执行到冗余的指令。程序要落到程序区，其次必需执行到冗余的指令。4.当当程程序序弹弹飞飞到到非非程程序序区区时时，或或弹弹飞飞的的程程序序遇遇到到冗冗余余指指令令前已形成死循环，都会使冗余指令失去作用。前已形成死循环，都会使冗余指令失去作用
25、。3、软件陷阱、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，在那里有一段特地对程序出错进行处理向一个指定的地址，在那里有一段特地对程序出错进行处理的程序。的程序。软件陷阱由三条指令构成：软件陷阱由三条指令构成：NOP NOP LJMP ERR ;ERR错误处理程序入口错误处理程序入口软件陷阱支配在下列四种地方：软件陷阱支配在下列四种地方：1 1）未运用的中断向量区）未运用的中断向量区2 2）未运用的大片）未运用的大片ROMROM区区3 3）表格区尾部）表格区尾部4 4）程序区）程序区 软软件件陷陷阱阱支支配配在在
26、程程序序的的断断裂裂点点处处，这这类类指指令令有有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI，正正常常执执行行的的程程序序到到此此便便不不会会接接着着往往下下执执行行，假假如还要依次执行，必定是出错了，就有必要设陷阱将其捕获出来。如还要依次执行，必定是出错了，就有必要设陷阱将其捕获出来。例：依据累加器例：依据累加器A内容的正、负、零状况进行三分支的程序中，软件陷阱的内容的正、负、零状况进行三分支的程序中，软件陷阱的安置如下：安置如下：JNZ XYZ ;零处理零处理 LJMP ABC NOP NOP LJMP ERRXYZ:JB ACC.7,UVW ；正数处理；正数处理 LJMP ABC N
27、OP NOP LJMP ERRUVW:；负数处理；负数处理ABC:；取结果；取结果RET NOP NOP LJMP ERR软件陷阱断裂点4、程序运行监视系统（、程序运行监视系统（WATCHDOG)假如弹飞的程序弹飞到一个临时构成的死循环中，冗余指令假如弹飞的程序弹飞到一个临时构成的死循环中，冗余指令和软件陷阱就无能为力了。这时系统将完全瘫痪。和软件陷阱就无能为力了。这时系统将完全瘫痪。解决方法：解决方法：1）手动复位；）手动复位；2）接受程序运行监视系统）接受程序运行监视系统WATCHDOG特性：特性：1）本身是能独立工作的定时器，基本不依靠）本身是能独立工作的定时器，基本不依靠CPU工作。工
28、作。2）CPU在一个固定的时间间隔中和该系统打一次交道（喂在一个固定的时间间隔中和该系统打一次交道（喂一次狗），以表明系统一次狗），以表明系统“目前正常目前正常”。3）当）当CPU掉入死循环后，能刚好发觉并使系统复位。掉入死循环后，能刚好发觉并使系统复位。WATCHDOG电路构成电路构成1、计数器形式；、计数器形式；2、单稳态电路形式；、单稳态电路形式；3、集成集成WATCHDOG电路，电路，如如X5045、OMP813L、MAX705、CAT1023 等等。等等。以上措施只解决了如何发觉系统被干扰，及如何捕以上措施只解决了如何发觉系统被干扰，及如何捕获失控的程序，仅此是不够的。还要让计算机依据被破获失控的程序，仅此是不够的。还要让计算机依据被破坏的现场中的残留信息自动复原到正常工作状态。坏的现场中的残留信息自动复原到正常工作状态。精品课件精品课件！精品课件精品课件！作业第第6章章 3、5、6、7新教材：新教材：2、4、5、6