第6检测系统抗干扰技术.pptx

第第6章章 检测系统抗干扰技术检测系统抗干扰技术 测量过程中常会遇到各种各样的干扰，不仅能造成逻辑关系混乱，使系统测量和控制失灵，以致降低产品的质量，甚至造成系统无法正常工作，造成损坏和事故。尤其是电子装置的小型化、集成化、数字化和智能化的广泛应用和迅速发展，有效地排除和抑制各种干扰，已是必需考虑并解决的问题。而提高检测系统抗干扰能力，首先应分析干扰产生的原因、干扰的引入方式及途径，才可有针对性地解决系统抗干扰问题。6.1 干扰的分类干扰的分类 干扰来自干扰源，在工业现场和环境中干扰源是各种各样的。按干扰的来源，可以将干扰分为内部干扰和外部干扰。6.1.1 外部干扰外部干扰 电气设备、电子设备、通信设施等高密度的使用，使得空间电磁波污染越来越严重。由于自然环境的日趋恶化，自然干扰也随之增大。外部干扰就是指那些与系统结构无关，由使用条件和外界环境因素所决定的干扰。它主要来自于自然界的干扰以及周围电气设备的干扰。自然干扰主要有地球大气放电(如雷电)、宇宙干扰(如太阳产生的无线电辐射)、地球大气辐射以及水蒸气、雨雪、砂尘、烟尘作用的静电放电等，以及高压输电线、内燃机、荧光灯、电焊机等电气设备产生的放电干扰。这些干扰源产生的辐射波频率范围较广、无规律。如雷电干扰，从几KHz到几百MHz或更高的频域。自然干扰主要来自天空，以电磁感应的方式通过系统的壳体、导线、敏感器件等形成接收电路，造成对系统的干扰。尤其对通讯设备、导航设备有较大影响。在检测装置中已广泛使用半导体器件，在光线作用下将激发出电子一空穴对，并产生电动势，从而影响检测装置的正常工作和精度。所以，半导体元器件均应封装在不透光的壳体内。对于具有光敏作用的元器件，尤其要注意光的屏蔽问题。各种电气设备所产生的干扰有电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热、可控硅整流等强电系统所造成的干扰。这些干扰主要是通过供电电源对测量装置和微型计算机产生影响。在大功率供电系统中。大电流输电线周围所产生的交变电磁场，对安装在其附近的智能仪器仪表也会产生干扰。此外，地磁场的影响及来自电源的高频干扰也可视为外部干扰。6.1.2 内部干扰内部干扰 内部干扰是指系统内部的各种元器件、信道、负载、电源等引起的各种干扰。下面简要介绍计算机检测系统重常见的信号通道干扰、电源电路干扰和数字电路干扰。（1）信号通道干扰）信号通道干扰 计算机检测系统的信号采集、数据处理与执行机构的控制等，都离不开信号通道的构建与优化。在进行实际系统的信道设计时，必须注意其间的干扰问题。信号通道形成的干扰主要有：1）共模干扰）共模干扰 共模干扰对检测系统的放大电路的干扰较大。是指相对公共地电位为基准点，在系统地两个输入端上同时出现的干扰，即两个输入端和地之间存在地电压。2）静电耦合干扰）静电耦合干扰 静电耦合干扰的形成，是由于电路之间的寄生电容使系统内某一电路信号的变化，从而影响其它电路。只要电路中有尖峰信号和脉冲信号等高频谱的信号存在，就可能存在静电耦合干扰。因此，检测系统中的计算机部分和高频模拟电路部分都是产生静电耦合干扰的直接根源。3）传导耦合干扰）传导耦合干扰 计算机检测系统中脉冲信号在传输过程中，容易出现延时、变形，并可能接收干扰信号，这些因素均会形成传导耦合干扰。（2）电源干扰）电源干扰 对于电子、电气设备来说，电源干扰是较为普遍的问题。在计算机检测系统的实际应用中，大多数是采用是由工业用电网络供电。工业系统中的某些大设备的启动、停机等，都可能引起电源的过压、欠压、浪涌、下陷及尖峰等，这些也是要加以重视的干扰因素。同时，这些电压噪声均通过电源的内阻，耦合到系统内部的电路，从而对系统造成极大的危害。（3）数字电路引起的干扰）数字电路引起的干扰 从量值上看，数字集成电路逻辑门引出的直流电流一般只有mA级。由于一般的较低频率的信号处理电路中对此问题考虑不多，所以容易使人忽略数字电路引起的干扰因素。但是，对于高速采样及信道切换等场合，即当电路处在高速开关状态时，就会形成较大的干扰。例如，TTL门电路在导通状态下，从直流电源引出5mA左右的电流，截止状态下则为1mA，在5ns的时间内其电流变化为4mA，如果在配电线上具有0.5H的电感，当这个门电路改变状态时，配电线上产生的噪声电压为：（6.1）如果把这个数值乘上典型系统的大量门电路的个数，可以看到，虽然这种门电路的供电电压仅5v，但引起的干扰噪声将是非常显著的。在实际的脉冲数字电路中，对脉冲中包含的频谱应有一个粗略概念。如果脉冲上升时间t为已知量，则可用近似公式求出其等效的最高频率为：（6.2）由上式算出，5ns的开关时间相当于最高频率31.8 MHz。真正的脉冲频谱取决于脉冲形状。对于非周期性脉冲，其频率从直流到fmax都会出现；对于周期性脉冲，则从对应的重复频率起，到fmax的所有频率都可能出现。6.2 干扰的引入干扰的引入 干扰是一种破坏因素，但它必须通过一定的传播途径才能影响到测量系统。所以有必要对干扰的引入或传播进行必要的分析，切断或抑制耦合通道，采取使接收电路对干扰不敏感或使用滤波等手段，有效地消除干扰。干扰的引入和传播主要有以下几种：静电耦合：又称静电感应，即干扰经杂散电容耦合到电路中去。电磁耦合：又称电磁感应，即干扰经互感耦合到电路中去。共阻抗耦合：即电流经两个以上电路之间的公共阻抗耦合到电路中 去。辐射电磁干扰和漏电流耦合：即在电能频繁交换的地方和高频换能 装置周围存在的强烈电磁辐射对系统产生的干扰和由于绝缘 不良由流经绝缘电阻的电流耦合到电流中去的干扰。对于检测系统，干扰引入的电路方式有串模干扰和共模干扰。6.2.1 串模干扰串模干扰 串模干扰的等效电路如图6.1所示。其中，Us为输入信号，Un为干扰信号。抗串模干扰能力用串模抑制比来表示：(6.3)式中：Ucm为串模干扰源 的电压峰值；Un为串模干扰引起 的误差电压。图6.1 串模干扰等效电路6.2.2 共模干扰共模干扰前面已经介绍信号通道间可能存在共模干扰，其实此类干扰可以归纳为三类，下面对其进一步分析：（1）由被测信号源的特点产生共模干扰）由被测信号源的特点产生共模干扰如图6.2所示，具有双端输出的差分放大器和不平衡电桥等不具有对地电位地的形式产生的共模干扰。差模电压 共模电压(6.4)(6.5)(6.6)(6.7)图6.2 共模电压示意图（2）电磁场干扰引起共模干扰）电磁场干扰引起共模干扰 当高压设备产生的电场同时通过分布电容耦合到无屏蔽的双输入线，而使之具有对地电位时，或者交流大电流设备的磁场通过双输入线的互感在双输入线中感应出相同大小的电动势时，都有可能产生共模电压施加在两个输入端。如图6.3a所示，若U H很高，通过局部电容C C1，C C2，C C3，C C4耦合到无屏蔽双输入线上的对地电压是U H在相应电容上的分压值U 1及U 2:(6.8)(6.9)图6.3 电磁场干扰引起共模电压当U 1U 2时，它们即是共模干扰电压；当U 1U 2时，则既有共模干扰电压，又有差模干扰电压。图6.3b表示大电流导体的电磁场在双输入线中感应产生的干扰电动势E1及E2也具有相似的性质。即当E1E2时，产生共模干扰；当E1E2时，既产生共模干扰又产生差模干扰电动势EnE1E2。（3）由不同地电位引起的共模干扰）由不同地电位引起的共模干扰 当被测信号源与检测装置相隔较远，不能实现共同的“大地点”上接地时，由于来自强电设备的大电流流经大地或接地系统导体，使得各点电位不同，并造成两个接地点的电位差Uce，即会产生共模干扰电压，如图6.4所示。图中Re为两个接地点间的等效电阻。6.3 干扰的抑制方法干扰的抑制方法 目前在计算机检测系统中，主要从硬件和软件两个方面来考虑干扰抑制问题。其中，接地、屏蔽、去耦，以及软件抗干扰等是抑制干扰的主要方法。6.3.1 计算机检测系统的接地计算机检测系统的接地 接地技术起源于强电，其概念是将电网的零线及各种设备的外壳接大地，以起到保障人身和设备安全的目的。在电子装置与计算机系统中，接地又有了新的内涵，这里的“地”是指输入信号与输出信号的公共零电位，它本身可能是与大地相隔离。而接地不仅是保护人身和设备安全，也是抑制噪声干扰，保证系统工作稳定的关键技术。在设计和安装过程中，如果能把接地和屏蔽正确地结合起来使用，是可以抑制大部分干扰的。因此，接地是系统设计中必须加以充分而考虑的问题。通过正确的接地，可消除各电路电流流经公共地线阻抗时所产生的噪声电压；避免磁场和地电位差的影响，不使其形成地环路，避免噪声耦合的影响。我们知道，作为导体，地球的体积非常大，其静电容量也是非常大的，故其电位比较恒定。在实际的工程应用中，常将地球电位作为基准电位，即零电位。此外，通过导体与大地相连时，即使有少许的接地电阻，只要没有电流导入大地，可以认为导体的各部分以及与该导体连接的其他导体全都和大地一样为零电位。当然，检测系统在工作时，系统和基准电位之间总会有微小的电位差，要完全不让电注流入接地点是困难的。因此，接地电位的变化是产生干扰的最大原因之一。6.3.2 接地的类型接地的类型 检测系统的接地主要有二种类型：保护接地：保护接地是为了避免因设备的绝缘损坏或性能下降时，系统操作人员遭受触电危险和保证系统安全而采取的安全措施。工作接地：工作接地是为了保证系统稳定可靠地运行，防止地环路引起干扰而采取的防干扰措施。（1）一点接地和多点接地）一点接地和多点接地 一般来说，系统内印制电路板接地的基本原则是高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。因为在低频电路中，布线和元件间的电感并不是大问题，而公共阻抗耦合干扰的影响较大，因此，常以一点为接地点。高频电路中各地线电路形成的环路会产生电感耦合，增加了地线阻抗，同时各地线之间也会产生电感耦合。在高频、甚高频时，尤其是当线长度等于1/4波长的奇数倍时，地线阻抗就会变得很高。这时的地线就变成了天线，可以向外辐射噪声信号。所以这时的地线长度应小于信号波长的1/2，才能防止辐射干扰，并降低地线阻抗。实验证明，在超高频时，地线长度应小于25mm，并要求地线镀银处理。一般，频率在1MHz以下，可用一点接地；而高于10MHz时，则应多点接地。在110MHz之间时，如果采用一点接地的方式，其地线长度就不要超过波长的1/20。否则，应采用多点接地的方式。（2）交流地与信号地）交流地与信号地 在一段电源地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏电压。对低电平的信号电路来说，这是一个非常严重的干扰，必须加以隔离和防止，因此，交流地和信号地不能共用。（3）浮地与接地）浮地与接地 多数的系统应接大地，有些特殊的场合，如飞行器或船舰上使用的仪器仪表不可能接大地，则应采用浮地方式。系统的浮地就是将系统的各个部分全部与大地浮置起来，即浮空，其目的是为了阻断干扰电流的通路。浮地后，检测电路的公共线与大地（或者机壳）之间的阻抗很大，所以，浮地同接地相比，能更强地抑制共模干扰电流。浮地方法简单，但全系统与地的绝缘电阻不能小于50M。这种方法有一定的抗干扰能力，但一旦绝缘下降便会带来干扰；此外，浮空容易产生静电，也会导致干扰。还有一种方法，将系统的机壳接地，其余部分浮空。这种方法抗干扰能力强，而且安全可靠，但制造工艺较复杂。（4）数字地）数字地 数字地又称逻辑地，主要是逻辑开关网络，如TTL、CMOS印刷板等数字逻辑电路的零电位。印刷板中的地线应呈网状，而且其他布线不要形成环路，特别是环绕外周的环路，在噪声干扰上这是很重要的问题。印刷板中的条状线不要长距离平行，不得已时，应加隔离电极和跨接线,或作屏蔽处理。（5）模拟地）模拟地 在进行数据采集时，利用A/D转换为常用方式，而模拟量的接地问题是必须重视的。当输入A/D转换器的模拟信号较弱(050mV)时，模拟地的接法显得尤为重要。为了提高抗共模干扰的能力，可采用三线采样双层屏蔽浮地技术。所谓三线采样，就是将地线和信号线一起采样，这样的双层屏蔽技术是抗共模干扰最有效的办法。如图6.5所示,其中，图6.5（b）为图6.5（a）的等效电路。在等效电路图中，R3为测量装置A/D转换器的等效输入电阻；R4为低端到内屏蔽的漏电阻，约109；C4为低端到内屏蔽的寄生电容，约为2500pF；R5为内屏蔽到外蔽漏电阻，约109；C5为内屏蔽到外屏蔽的寄生电容，约为2500pF；R6为低端到外屏蔽的漏电阻，约1011；C6为低瑞到外屏蔽的寄生电容，约2pF。共模电压(U/2+Uac)所引起的共模电流IcMl、IcM2、IcM3中，IcMl是主要部分，它通过内屏蔽R5、C5入地，不通过R2，所以不会引起与信号源相串联的常态干扰；IcM2流过的阻抗比IcMl流过的大一倍，其电流只有IcMl的一半；IcM3在R2上所产生的压降可以忽略不计。此时只有IcM2在R2上的压降导致常态干扰而引起误差，但其数值很小。如10V(DC)的共模电压仅产生0.1V的DC常态型电压和20V的AC常态型电压。在实际应用中，由于传感器和机壳之间容易引起共模干扰，所以A/D转换器的模拟地一般采用浮空隔离的方式，即A/D转换器不接地，它的电源自成回路。A/D转换器和计算机的连接通过脉冲变压器或光电耦合器来实现。图6.5 A/D转换器的屏蔽图6.5 A/D转换器的屏蔽图6.5 A/D转换器的屏蔽（6）信号地）信号地(传感器地传感器地)在检测系统中，传感器是重要的组成部分，但一般的传感器输出的信号都比较微弱，传输线较长，这是很容易受到干扰影响的。所以，传感器的信号传输线应当采取屏蔽措施，以减少电磁辐射影响和传导耦合干扰。传感器的地，一般以5导体(接地电阻)一点入地，注意这种地是不浮空的。（7）屏蔽地）屏蔽地 屏蔽接地的目的是避免电场磁场对系统的干扰。实用中屏蔽的接法根据屏蔽对象的不同也各有不同：电场屏蔽。电场屏蔽的目的是解决分布电容的问题，一般以接大地的方式解决。电磁场屏蔽。主要是为了避免雷达、短波电台等高频电磁场的辐射干扰问题，屏蔽材料要利用低阻金属材料，最好接大地。磁路屏蔽。磁路屏蔽是为了防磁铁、电动机、变压器、线圈等磁感应、磁耦合而采取的抗干扰方法，其屏蔽材料为高磁材料。磁路屏蔽以封闭式结构为妥，并且接大地。放大电路的屏蔽。检测系统分机中的高增益放大电路最好用金属罩屏蔽起来。放大电路的寄生电容会使放大电路的输出端到输入端产生反馈通路，容易使放大电路产生振荡。解决的办法就是将屏蔽体接到放大电路的公共端，将寄生电容短路以防止反馈，达到避免放大电路的振荡的目的。若信号电路是一点接地，低频电缆的屏蔽层也应是一点接地。如果电缆的屏蔽层接地点有一个以上，就会产生噪声电流。对于扭绞电缆的芯线来说，屏蔽层中的电流便在芯线中耦合出不同的电压，形成干扰源。若电路有一个不接地的信号源与一个接地的(即使不是接大地)放大电路相连，输入端的屏蔽应接至放大电路的公共端。相反，若接地的信号源与不接地的放大器连接，即使信号源接的不是大地，放大电路的输入端也应接到信号源的公共端。（8）电缆和接插件的屏蔽）电缆和接插件的屏蔽 检测系统中，信号的传输距离可能较远，因而广泛采用带屏蔽体的电缆线传输的方式。在用电缆线连接时，常会发生无意中的地环路以及屏蔽不良。特别是当不同的电路在一起时更是如此。所以，在布线走线时应注意减少这些现象的发生，并应做到以下几点：1)高电平线和低电平线不要走同一条电缆。当不得已时，高电平线应组合一起，并要单独加以屏蔽。同时要仔细选择低电平线的位置。2)高电平线和低电平线不走同一接插件。不得巳时，要将高电平端子和低电平端子分支两端，中间留备用端子，并在中间接高电平引线地线和低电平引线地线。3)系统的出入电缆部分应保持屏蔽完整。电缆的屏蔽体也要经过接插件予以连接。当两条以上屏蔽电缆共用一个插件时，每条电缆的屏蔽层都要单独用一个接线端子。以免造成地环路使电流在各屏蔽层中间流动，产生新的干扰。4)低电平电缆的屏蔽层要实施一端接地，屏蔽层外面要有绝缘层，以防与其他地线接触。（9）其他接地）其他接地 功率地。这种地线的电流较大，接地线的线径应较粗，且与小信号地线分开，连直流地。小信号前置放大电路与内存放大电路的地。这种放大电路输入信号微弱，一般以微伏、毫伏计。因此地线更要小心。放大电路本身采用一点人地，不能一个电路多点接地，否则地线中的电位差将对放大电路产生干扰。A/D前置放大电路一般浮空。内存放大电路的印刷电路板上一点入地。这类放大器的地线一定要远离功率地和噪声地(即继电器、电动机等的地)。6.3.3 隔离与耦合隔离与耦合 在抗干扰措施中，还采用各种隔离与耦合的方式来提高系统的抗干扰能力。使用这种方法可以让两个电路相互独立而不形成一个回路，例如在系统中既有数字电路，又有模拟电路，当输入的模拟信号很小时，数字电路会对模拟电路产生较大的干扰，所以在实际的电路设计中应该避免数字电路和模拟电路之间有共同回路，即将二者加以隔离。此外，检测系统中单片机与数字电路、脉冲电路、开关电路的接口，一般也用光电耦合器进行隔离，以切断公共阻抗环路，避免长线感应和共模干扰。高增益的放大器（60dB），需要在输入级设级间耦合。在需要采用较长信号传输线的场合，可以采用屏蔽与光电耦合相结合的办法。常用的隔离方法有光电耦合器件隔离、继电器隔离、隔离放大器隔离和隔离变压器隔离等。光电耦合器件响应速度比变压器、继电器要快得多，对周围电路无影响，并且体积小、重量轻、价格便宜、便于安装，线性光电耦合器用在模拟电路中的信号线性变换场合，也用在放大器的隔离中，如图6.6所示为采用光电耦合器隔离前级放大和后级放大电路的方法。其中，Ib为偏置电流，两个光电耦合器组成互补的形式，以改变放大电路的线性度，减少温度影响。虽然线性光电耦合器的线性度好，但其转换精度较低，信号的动态范围也较小。所以现在大量使用的是用于数字量、开关量变换的光电耦合器。如图6.7所示为几种使用光电耦合器进行隔离的方式。图6.6放大器间的光电隔离图6.7采用光电耦合器隔离的方法6.3.4 布线抗干扰措施布线抗干扰措施 在检测系统中，印制板上电力线、信号线等线路的布局、板上器件空余管脚安排、测试设备与仪器仪表的信号传输线的连接等，都是实际应用中要考虑的问题。（1）走线原则）走线原则 在长线传输中，为了防止窜扰，行之有效的办法是采用交叉走线法。长线传送时，应遵循功率线、载流线和信号线要分开，电位线和脉冲线分开的原则。在传送050mv的小信号时，更应该如此。电力电缆最好用屏蔽电缆，并且单独走线，与信号线不能平行，更不能将电力线与信号线装在同一电缆中。（2）元器件空余输入端的处理）元器件空余输入端的处理 电路设计中常常会出现器件管脚空余的现象，一般不能将这些管脚随意处置，特别是元器件空余输入端，处理不好往往可能造成较大的干扰输入，所以应采取一定的处理方法，以降低干扰。实践中常采取如下方法：把空余的输入端与使用输入端并联。这种方法简单易行，但增加了前级电路的输出负担；把空余的输入端通过一个电阻接高电平。这种方法适用于慢速、多干扰的场合；把空余的输入端悬空，用一反相器接地。这种方法适用于要求严格的场合，但多用了一个组件。（3）数字电路的抗干扰措施）数字电路的抗干扰措施 每一块数字电路组件上，都有高频去耦电容，一般为0.010.02F。在布局上这些电容应充分靠近集成块，并且不应集中在印刷板上每一端。每块印刷板上的电源输入端也应加10100F的去耦电容。直流配电线的引出端也应尽可能地做成低阻抗传输线的形式。前面介绍过快速逻辑电路会产生高频干扰，所以这些电路也应按高频电路来处理。所有装有大量逻辑电路的印制板，都必须有良好的接地。实际设计中，这个地可以是低阻泄流排，或者是印制板上大面积的铜箔作接地，其接地面积应占印制板面积的60以上。这个接地面可对供电回路提供一个低感回路。并可为信号交连电路提供一个阻抗固定的线路。此外，在检查印制板的接地时要注意是否接触良好、可靠。各种逻辑电路的产生噪声的程度也是不同的，其中TTL产生的噪声最大，而HTL产生的噪声最小。一般来说，开关速度越快，噪声越大（ECL除外，其电路的供电电流，在导通和截止时都一样，在门的开关中，电流变化率为O，因此它产生的噪声低）。另外，门电路的速度与传播延时成比例，ECL的速度最高，HTL最慢。通常TTL的速度较ECL略低，但噪声却要大10倍。数字电路对噪声敏感。RTL对噪声极为敏感，而HTL和CMOS最不敏感。6.3.5 软件抗干扰措施软件抗干扰措施 干扰不仅影响检测系统的硬件，而且对其软件系统也会形成破坏。如造成系统的程序弹飞、进入死循环或死机状态，使系统无法正常工作。因此，软件的抗干扰设计对计算机检测系统是至关重要的。此外，前面介绍的干扰抑制技术，都是采用一定的硬件措施。随着抗干扰技术理论与实践的不断深入，除了研究常规的抗干扰措施外，对掌握信号与噪声的规律、区分噪声与信号的性质研究等也是非常重要的。实际的工程应用中，仅采用硬件措施往往满足不了需要，所以应该寻求软件方法。在软件方法中已有不少有效的措施，如数字滤波、选频和相关处理等，这些软件处理程序可以方便地提取淹没在噪声中的有用信号。而实践中将硬件方法和软件方法结合起来，可以达到良好的干扰抑制效果。设计实践证明：软件抗干扰不仅效果好，而且降低了产品成本。在系统运行速度和内存容量许可的条件下、应尽量采用软件抗干扰设计。（1）干扰对系统软件的影响）干扰对系统软件的影响 外界的干扰对智能仪器仪表中单片机系统产生干扰后，可能引起RAM、程序计数器获总线上的数字信号发生错乱，CPU根据错误数据进行运算，得到错误的操作数和结果，在没有任何纠错措施的情况下，这个错误会一直传递下去。CPU读取到错误的地址码后，会造成程序运行偏离正常轨道，引起程序失控。程序失控后，有时可能又会回到正常运行状态，但是已经造成一系列不良后果，或者对后续程序的正常运行埋下隐患，这样的情形甚至可能使得程序进入死循环，造成系统的完全瘫痪。计算机系统中的片内RAM、扩展RAM以及片内的各种特殊功能寄存器等，都可能因外界干扰引起状态的改变。这些数据状态的正常与否，关系着整个装置或系统的显示、控制、运行等，是非常重要的。如果某个中断专用寄存器的数据发生错误，中断设置方式的改变，可能造成有用中断的关闭和未用中断的开启，使意外的非法中断得以进入。此外，造成数据误差、控制失灵、某些部件的工作状态改变等，都是干扰可能对系统软件造成的影响。这些问题使得在系统软件的设计与维护中必须采取措施，维持正常、稳定的运行状态。（2）软件抗干扰的主要措施）软件抗干扰的主要措施1）数字滤波）数字滤波 检测系统的输入信号和外界的干扰有时是随机的，故其特性往往只能从统计的意义上来描述。此时，经典滤波方法就不可能把有用的信号从测量结果中分离出来。而数字滤波具有较强的自适应性。所谓数字滤波，就是通过一定的计算程序对采样信号进行平滑处理，提高其有用信号，消除或减少各种干扰和噪音的影响，以保证系统的可靠性。例如，对于N次等精度数据采集，存在着系统误差和因干扰引起的粗大误差，使采集的数据偏离真实值。此时，可以采用算术平均值的方法，求出平均值作为测量示值。还可以在此基础之上，将剔除了粗大误差的测量数据的平均值作为测量结果示值。这样既剔除了粗大误差，又可以消除一定的系统误差。在综合考虑适当的N值后，可以在满足测量精度要求的前提下，拥有足够的测量速度。式（6.10）为该数字滤波方法的表达式。（6.10）式中，为第i次的测量值，m为粗大误差数。对于主要以去掉脉冲性质的干扰为目的的场合，可以采用中值滤波法。即对某一个被测量连续采样N次（一般取奇数），然后将这N次的采样值从小到大或从大到小排队，再取中间值作为本次采样示值。另外，这个数字滤波方法只要改变循环次数，则可以推广到对任意采样值进行中值滤波，而且N值越大，滤波效果就越好。但是在实际应用中不可能把N值取得太大，一般取59即可，以控制总得采样时间。上面简要介绍的数字滤波方法主要适用于变化过程比较快的场合，基本上属于静态滤波，如压力、流量等参量。对于慢速随机变量，这些滤波方法效果并不太好。所以，要采用动态滤波的方法，即一阶滞后滤波方法。式（6.11）为该法的表达式。式中，X（k）为第k次采样值；为第k次采样后的滤波结果输出值；为上次滤波结果输出值；为滤波平滑系数，；为滤波环节的时间常数；T为采样周期。（6.11）通常采样周期要远小于滤波环节的时间常数，也就是输入信号的频率快，而滤波环节时间常数相对地大，这是一般滤波器的概念，所以这种数字滤波器相当于硬件电路中的RC滤波器。对于 、T的选取，可以根据具体情况而定。一般 越大，滤波的截止频率就越低，相当于RC滤波电路中电容增大，而硬件电路中的电容增加是有限的，数字滤波器中的值则是可以任意取值的，这也是数字滤波器可以作为低通滤波器的原因。滤波系数 的确定可以根据选用的 和T计算得到，其值一般为小数，所以（1 ）也是小数。每一种数字滤波方法都有其各自的特点，在实际应用中要根据具体的测量参数来选用合适的方法。除了可以根据所测参量变化快慢情况来选取外，要注意滤波效果与所选择的采样次数N有关，N越大，效果越好，只是花费时间越长。所以，在考虑实际滤波效果达到要求的前提下，应采用运行时间较短的程序。此外，在热工和化工过程DDC系统中，要结合实际情况决定是否一定用数字滤波方法。因为不适当的数字滤波方法有可能将要控制的波动滤掉，从而降低控制效果甚至不能控制。2）软件陷阱）软件陷阱 软件陷阱是通过指令强行将捕获的程序引向指定地址，并在此用专门的出错处理程序加以处理的软件抗干扰技术。前面提到干扰可能会使程序脱离正常的运行轨道，软件陷阱技术可以让弹飞了的程序安定下来。从汇编语言的角度，软件陷阱可用一条长跳转指令来实现，如MC-51单片机指令可用LJMP ERTREAT（错误处理程序入口），为加强捕捉效果，一般还结合指令冗余，即为抑制CPU受干扰后把操作数当成指令码来执行，而加入的不可能把操作数当成指令码来执行的两个字节的空操作指令NOP，实用中可在该指令前加上两条NOP指令，所以软件陷阱一般有三条指令构成：NOPNOPLJMP ERTREAT 程序中安置软件陷阱的位置是很考究的，通常可以在未使用的中断向量区、未使用的程序存储区、表格末端、程序区的断裂点等位置设置相应的陷阱。应该注意的是：当程序因干扰而弹飞，进入到非正常区域，若被这一位置事先设置好的软件陷阱捕捉，这时应引导程序先期进入出错处理程序，而不要简单地将程序引导到某段程序的起始处。在未使用的中断向量区设置陷阱，利用的是各种CPU所约定的中断入口地址。例如MCS-51CPU有5个中断源，对应每个中断源的中断子程序的入口地址都有明确的规定，不能任意选择：中断源 中断入口地址外部中断INT0 0003H定时器中断T0 000BH外部中断INT1 0013H定时器中断T1 001BH串行通道中断 0023H 所以中断服务子程序可以放在程序存储区的任何位置，但在上述中断入口地址单元必须放一条跳转指令，指向相应的中断服务子程序（对于软件设计中开放了的中断而言）。这时陷阱的设置就是在未使用的中断所对应的中断入口地址单元中放一条跳转指令，让因干扰而激活的中断服务进入出错处理程序。在程序寄存器EPROM的使用中，常常会遇到剩余大量未编程的空间的情况。这些未被使用的单元一般呈现0FFH状态，对于8051指令系统则是MOV R7,A这一指令。如果程序弹飞到此，将进入不再跳转的假停机状态。如果在这些未编程的空间，以每隔一定距离设置一陷阱，加上一条跳转指令，引导程序到出错处理程序，就可以解决该问题。在程序区中不能任意设置陷阱，否则将影响程序的正常执行，故一般是在程序的断裂点处设置陷阱。单片机指令系统中SJMP、LJMP、AJMP、RET、RETI等指令执行后，程序计数器PC的值应正常跳变，而不应顺次向下运行，否则是出现错误。这时设置软件陷阱就是在正常程序执行不到的地方放置冗余指令和跳转指令，以捕捉弹飞的程序并引导到出错处理程序。实际上，在编制汇编语言时，结合程序流程框图为各个主、子程序插入软件陷阱，并在系统运行中加以调试、调整，可以收到良好的软件抗干扰效果。3）“Watchdog”技术技术 “Watchdog”俗称看门狗，即监控定时器，是计算机检测系统及智能仪器仪表系统中普遍采用的抗干扰和可靠性措施之一。“Watchdog”有多种用法，其主要的应用则是用于因干扰引起的系统程序弹飞的出错检测和自动恢复。它实质上是一个可由CPU复位的定时器，原则上可由定时器以及与CPU之间的适当的输入/输出接口电路组成，如振荡器加上可复位的计数器构成的定时；各种可编程的定时器/计数器（如Intel 82538254等）；单片机内部的定时/计数器等。如图6.8所示为“Watchdog”的工作原理，两个计时周期不同的定时器T1、T2，例如两定时器的时钟源相同，设定T11.0s,T2=1.1s，用T1定时器的溢出脉P1同时对T1、T2定时器清零，那么只要T1定时器工作正常，则T2定时器永远不会计时溢出。一旦定时器T1不再计时，T2定时器就会计时溢出，产生溢出脉冲P2，表明T1出了故障。这里T1是应用程序的周期，T2即是“Watchdog”，利用输出脉冲P2并进行巧妙的程序设计，可以检测出系统的出错，使弹飞的程序重新回到正常轨道中。图6.8“Watchdog”工作原理 如图6.9所示为“Watchdog”的构成，实际上它是一个和CPU构成闭合回路的定时器。当程序飞到一个临时形成的死循环里，或者PC指针落到EPROM芯片范围外，即全地址区之外时，系统将完全瘫痪。“Watchdog”可以代替人工对系统自动复位，使CPU从死循环或弹飞状态回到正常的程序流程中。图6.9“Watchdog”的构成“Watchdog”的输出连接到CPU的复位端或中断输入端。“Watchdog”的每一次溢出输出都将引起系统的复位，使系统重新初始化；或产生中断，使系统进入故障处理程序，进行必要的处理，自动恢复正常的运行程序。只要在定时器的定时到脉冲产生之前，即“Watchdog”动作之前，CPU访问定时器一次，则定时器均会重新开始计时，故也不会有定时到脉冲的输出，否则有定时器定时到脉冲输出，说明定时器这个“看门狗”所监视的程序进程发生了问题，需要系统复位或中断。在一般的应用中，可以把一个程序分成若干的进程或者任务，如图6.10所示，然后以不同的进程或任务分别设置“Watchdog”的定时值，从而达到监控每一个进程或任务的目的。图6.10以进程设置“Watchdog”的定时值