论文部分内容阅读
[摘 要]计算机测控系统的抗干扰能力应从硬件和软件两个方面着手，本文从测控系统受到干扰的影响出发，研究了一些常见的干扰现象以及在这些干扰下的抗干扰措施，指出了在软件抗干扰中，应注意的一些前提条件，以供参考。
[关键词]测控系统;抗干扰;软件
中图分类号：TP85 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）28-0348-01
在中国制造2025战略下，我国的工业生产不仅要数字化、网络化、智能化，最终还要使中国成为一个高效、创新的工业强国。由此工业自动化控制领域的计算机技术更新成为必然，而且十分紧迫。在计算机硬件技术逐步陷入瓶颈的情况下，软件的开发则顺理成章地成为主流。计算机测控系统由硬件和软件构成，成熟硬件的抗干扰能力远胜于软件的抗干扰能力。因此，研究计算机及测控系统的软件抗干扰十分必要，这是保证测控系统正常运行比较关键的环节。
一、 干扰对系统的影响
如果测控系统受到干扰，而抗干扰能力不强，则干扰源就会对系统产生如下影响：其一，加大数据采集误差。干扰通过信号输入通道侵入测量单元，叠加很多无用信号，导致传感器等数据采集单元收集的数据误差增加。特别是传感器输出的信号较为微弱时，更容易受到干扰的影响。其二，导致控制状态失控。一般情况下，系统输出较大控制信号时不易受到干扰影响，但控制信号一般要依靠一些状态输入信号以及CPU逻辑处理结果。一旦状态输入信号受到干扰入侵，产生误差，CPU的逻辑处理结果就会出错，导致输出控制信号不准确，使控制失灵。其三，导致程序运行出错，系统程序要正常运行关键在于CPU程序计数器要能够正常运行，如果受到干扰，计数器出错，就会导致程序运行出错。由于在干扰中计数器会得出随机值，这可能会导致程序混乱，出现严重的BUG，严重时可能导致系统失灵。第四，影响RAM中的数据，RAM中的数据可能在干扰的情况下被篡改，导致系统出错。所以研究抗干扰技术十分重要而且必要。
二、 系统软件抗干扰研究
1、 抗干扰的前提
成熟的硬件技术为计算机测控系统带来较为可靠的硬件抗干扰能力，但这只是一个基础，所以需要软件抗干扰来进行辅助，实行硬件+软件共同抗干软的模式，才能有效保证测控系统的可靠性。比如双机远程串行通讯电路，一般要使用带屏蔽的双绞线路进行连接，确保电磁兼容性以及保证误码率要求。如果用屏蔽效果差的导线并与其他导线混扎，必定会出现干扰，这在软件层面上是无法解决的。
软件抗干扰应遵循一个出发点，即当系统受到干扰，系统软件要能够立即感知并执行自检，通过进一步处理和重启恢复工作。
一些测控系统的程序和参数会保存在ROM当中，工作环境相对稳定。但一些在RAM中运行的应用程序，其本身的抗干扰能力就有局限，比较依赖平台及系统抗干扰能力和可靠性，所以软件抗干扰还需遵循以下几个前提。
其一，要能够保证系统硬件在干扰下不会出现损坏。
其二，要能够保证干扰不会侵害程序区。单片机系统中，重要的程序和参数等均固定保存在ROM中，数据不易被篡改。但一些在RAM中运行程序的系统，一旦受干扰而出错，只能排除干扰后，向RAM重新调入程序。
其三，要保证RAM中的重要数据不能被破坏，或是能够被修复。一些允许丢失的数据，在实时采样测控系统当中，一般均能够在短期内恢复。但一些不允许丢失的重要数据，受到干扰出错，就会影响系统运行，特别是单片机中，要尽量避免出现这样的软件。
2、 抗干擾的措施
2.1数据误差
其一，平均值算法，参考公式：。即针对一点数字连续多次采样，计算平均值，并作为采样结果，假设第n次和前k次采样的数字滤波输入为，为n次采样的输出。该方法可在一定程度上抑制随机干扰，假如CPU频率能满足要求的采样间隔且足够高，一般可取10次采样的平均值。
其二，一阶递推数字滤波法，利用软件来代替硬件RC滤波器，即用算法来模拟RC低通滤波器，可参考公式：，式中Q表示滤波系数其中分别表示采样周期与时间常数，和表示第n次采样的输入和输出，为n-1次采样的输出。这种方法能够较好地抑制数据误差，当然效果越好对CPU的要求越高，所以需要灵活选择方法。
2.2控制状态失灵
其一，设计软件冗余，设计采样方式为循环采样，改变控制条件的一次采样→处理→输出的方式，实时刷新。这种方法对开关量控制系统十分有效，其能够在执行单元尚未产生相应偶然误差的情况下及时修正，不过在一些响应速度快的系统或惯性较小的系统中效果不是很理想。
其二，设置闭环输出，在硬件当中设计输出状态采集电路，在软件上设计寄存单元，当干扰入侵造成信号通道输出状态出错，系统能够及时检查并比对实际状态和寄存状态的一致性，然后及时纠正状态。
其三，软件“看门狗”。在计算机内的特定内存单元或不为设定状态标识，开机时自检，一旦检测出问题，及时自动纠正，确保系统的可靠性。
2.3程序出错
其一，硬件“看门狗”，微机测控系统中最为常用，多样化的电路设计。主要遵循程序运行时，看门狗电路实时刷新重新计时。一旦程序出错，则强制复位系统。
其二，监视定时器，采取定时中断法，检查程序计数器PC值，依靠定时中断监视程序，检查PC值。如果PC值正常则定时器不中断，如果程序出错，则是PC值出错超出程序区，則执行定时中断，中断程序运行，并在此过程中判断复位方式。这种方法有一定局限，即无法检测出程序区的PC值是否正常，对于一些错位指令或死循环的抑制效果较差。
第三，软件陷阱。上述两种措施均为系统程序能够正常运行的情况下能采用的方法。但如果一次强烈的干扰导致系统所有程序出错，则只能依靠陷阱——某类CPU提供的中断或复位指令，强制捕获的程序指向一个固定地址，该地址为专用处理程序。
2.4RAM区防数据篡改
RAM是随机存储器，是可读的，其中的数据不像ROM中数据是固定的，容易被干扰而发生篡改，单片机系统中内部RAM和外扩RAM均可能受到干扰。如MCS-51单片机系统，则容易受到电源的干扰引起数据变化。一般处理数据篡改，硬件方面，增设电源滤波器，在复位端引脚连接去耦电容，RC复位电路接斯密特电路接复位端及外围复位端。软件方面，应保证软件能够实时刷新，对于RAM中的一些重要数据，可增设EEPROM加以保存，以便能够提供实时比对数据，一旦出错，则从EEPROM中读取正确数据纠正错误。
结束语：
工业自动化控制领域中计算机测控系统的可靠性十分重要，硬件技术在很大程度上影响系统的可靠性。但实践表明，系统抗干扰能力还是需要依靠硬件+软件的模式。对软件抗干扰的研究成果不多，所以本文在前人的基础上，以系统整体为出发点，探讨了一些抗干扰措施，其中包含有硬件和软件两个方面的建议措施，希望能够提供一些参考。
参考文献：
[1] 吴兴纯，杨燕云，吴瑞武.计算机测控系统的故障分析以及抗干扰技术研究[J].自动化与仪器仪表，2011，05：26-29+35.
[2] 高源.软件抗干扰技术在煤矿用单片机测控系统中的应用[J].煤炭技术，2014，03：239-240.
[3] 何晖.单片机测控系统的软件抗干扰技术分析和设计探讨[J].通讯世界，2016，21：224-225.
[关键词]测控系统;抗干扰;软件
中图分类号：TP85 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）28-0348-01
在中国制造2025战略下，我国的工业生产不仅要数字化、网络化、智能化，最终还要使中国成为一个高效、创新的工业强国。由此工业自动化控制领域的计算机技术更新成为必然，而且十分紧迫。在计算机硬件技术逐步陷入瓶颈的情况下，软件的开发则顺理成章地成为主流。计算机测控系统由硬件和软件构成，成熟硬件的抗干扰能力远胜于软件的抗干扰能力。因此，研究计算机及测控系统的软件抗干扰十分必要，这是保证测控系统正常运行比较关键的环节。
一、 干扰对系统的影响
如果测控系统受到干扰，而抗干扰能力不强，则干扰源就会对系统产生如下影响：其一，加大数据采集误差。干扰通过信号输入通道侵入测量单元，叠加很多无用信号，导致传感器等数据采集单元收集的数据误差增加。特别是传感器输出的信号较为微弱时，更容易受到干扰的影响。其二，导致控制状态失控。一般情况下，系统输出较大控制信号时不易受到干扰影响，但控制信号一般要依靠一些状态输入信号以及CPU逻辑处理结果。一旦状态输入信号受到干扰入侵，产生误差，CPU的逻辑处理结果就会出错，导致输出控制信号不准确，使控制失灵。其三，导致程序运行出错，系统程序要正常运行关键在于CPU程序计数器要能够正常运行，如果受到干扰，计数器出错，就会导致程序运行出错。由于在干扰中计数器会得出随机值，这可能会导致程序混乱，出现严重的BUG，严重时可能导致系统失灵。第四，影响RAM中的数据，RAM中的数据可能在干扰的情况下被篡改，导致系统出错。所以研究抗干扰技术十分重要而且必要。
二、 系统软件抗干扰研究
1、 抗干扰的前提
成熟的硬件技术为计算机测控系统带来较为可靠的硬件抗干扰能力，但这只是一个基础，所以需要软件抗干扰来进行辅助，实行硬件+软件共同抗干软的模式，才能有效保证测控系统的可靠性。比如双机远程串行通讯电路，一般要使用带屏蔽的双绞线路进行连接，确保电磁兼容性以及保证误码率要求。如果用屏蔽效果差的导线并与其他导线混扎，必定会出现干扰，这在软件层面上是无法解决的。
软件抗干扰应遵循一个出发点，即当系统受到干扰，系统软件要能够立即感知并执行自检，通过进一步处理和重启恢复工作。
一些测控系统的程序和参数会保存在ROM当中，工作环境相对稳定。但一些在RAM中运行的应用程序，其本身的抗干扰能力就有局限，比较依赖平台及系统抗干扰能力和可靠性，所以软件抗干扰还需遵循以下几个前提。
其一，要能够保证系统硬件在干扰下不会出现损坏。
其二，要能够保证干扰不会侵害程序区。单片机系统中，重要的程序和参数等均固定保存在ROM中，数据不易被篡改。但一些在RAM中运行程序的系统，一旦受干扰而出错，只能排除干扰后，向RAM重新调入程序。
其三，要保证RAM中的重要数据不能被破坏，或是能够被修复。一些允许丢失的数据，在实时采样测控系统当中，一般均能够在短期内恢复。但一些不允许丢失的重要数据，受到干扰出错，就会影响系统运行，特别是单片机中，要尽量避免出现这样的软件。
2、 抗干擾的措施
2.1数据误差
其一，平均值算法，参考公式：。即针对一点数字连续多次采样，计算平均值，并作为采样结果，假设第n次和前k次采样的数字滤波输入为，为n次采样的输出。该方法可在一定程度上抑制随机干扰，假如CPU频率能满足要求的采样间隔且足够高，一般可取10次采样的平均值。
其二，一阶递推数字滤波法，利用软件来代替硬件RC滤波器，即用算法来模拟RC低通滤波器，可参考公式：，式中Q表示滤波系数其中分别表示采样周期与时间常数，和表示第n次采样的输入和输出，为n-1次采样的输出。这种方法能够较好地抑制数据误差，当然效果越好对CPU的要求越高，所以需要灵活选择方法。
2.2控制状态失灵
其一，设计软件冗余，设计采样方式为循环采样，改变控制条件的一次采样→处理→输出的方式，实时刷新。这种方法对开关量控制系统十分有效，其能够在执行单元尚未产生相应偶然误差的情况下及时修正，不过在一些响应速度快的系统或惯性较小的系统中效果不是很理想。
其二，设置闭环输出，在硬件当中设计输出状态采集电路，在软件上设计寄存单元，当干扰入侵造成信号通道输出状态出错，系统能够及时检查并比对实际状态和寄存状态的一致性，然后及时纠正状态。
其三，软件“看门狗”。在计算机内的特定内存单元或不为设定状态标识，开机时自检，一旦检测出问题，及时自动纠正，确保系统的可靠性。
2.3程序出错
其一，硬件“看门狗”，微机测控系统中最为常用，多样化的电路设计。主要遵循程序运行时，看门狗电路实时刷新重新计时。一旦程序出错，则强制复位系统。
其二，监视定时器，采取定时中断法，检查程序计数器PC值，依靠定时中断监视程序，检查PC值。如果PC值正常则定时器不中断，如果程序出错，则是PC值出错超出程序区，則执行定时中断，中断程序运行，并在此过程中判断复位方式。这种方法有一定局限，即无法检测出程序区的PC值是否正常，对于一些错位指令或死循环的抑制效果较差。
第三，软件陷阱。上述两种措施均为系统程序能够正常运行的情况下能采用的方法。但如果一次强烈的干扰导致系统所有程序出错，则只能依靠陷阱——某类CPU提供的中断或复位指令，强制捕获的程序指向一个固定地址，该地址为专用处理程序。
2.4RAM区防数据篡改
RAM是随机存储器，是可读的，其中的数据不像ROM中数据是固定的，容易被干扰而发生篡改，单片机系统中内部RAM和外扩RAM均可能受到干扰。如MCS-51单片机系统，则容易受到电源的干扰引起数据变化。一般处理数据篡改，硬件方面，增设电源滤波器，在复位端引脚连接去耦电容，RC复位电路接斯密特电路接复位端及外围复位端。软件方面，应保证软件能够实时刷新，对于RAM中的一些重要数据，可增设EEPROM加以保存，以便能够提供实时比对数据，一旦出错，则从EEPROM中读取正确数据纠正错误。
结束语：
工业自动化控制领域中计算机测控系统的可靠性十分重要，硬件技术在很大程度上影响系统的可靠性。但实践表明，系统抗干扰能力还是需要依靠硬件+软件的模式。对软件抗干扰的研究成果不多，所以本文在前人的基础上，以系统整体为出发点，探讨了一些抗干扰措施，其中包含有硬件和软件两个方面的建议措施，希望能够提供一些参考。
参考文献：
[1] 吴兴纯，杨燕云，吴瑞武.计算机测控系统的故障分析以及抗干扰技术研究[J].自动化与仪器仪表，2011，05：26-29+35.
[2] 高源.软件抗干扰技术在煤矿用单片机测控系统中的应用[J].煤炭技术，2014，03：239-240.
[3] 何晖.单片机测控系统的软件抗干扰技术分析和设计探讨[J].通讯世界，2016，21：224-225.