計算機測控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)初探

摘要：在很多復(fù)雜的控制情況下，不可能完全依靠硬件抗干擾來解決微機控制系統(tǒng)的抗干擾問題，在硬件抗干擾無法有效解決的情況下，軟件抗干擾往往就能夠起到極為重要的作用。所以計算機測控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)越來越受到專業(yè)技術(shù)人員的重視。本文首先分析了計算機測控系統(tǒng)干擾的分類，其次，就計算機測控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)措施進行了深入的探討，具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：計算機；測控系統(tǒng)；軟件抗干擾

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 10-0092-01

一、前言

計算機測控系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，如機器人自動裝配線、自動分揀系統(tǒng)、家用空調(diào)洗衣機等，各種智能系統(tǒng)的傳感器或敏感元件為測控系統(tǒng)提供了直接的處理判斷和執(zhí)行依據(jù)，如何使傳感器在測量的過程中，輸出線性化和精度能夠達到最高，是值得我們深入探究的問題。

計算機測控系統(tǒng)的正常工作很容易受到各種工業(yè)電磁輻射、現(xiàn)場惡劣環(huán)境條件等因素的影響和干擾（如電機的啟動與停止、電磁閥的閉合、溫度壓力的變化等）。計算機測控系統(tǒng)中不可忽視的兩個重要內(nèi)容就是可靠性設(shè)計和抗干擾技術(shù)。因此，極有必要弄清楚現(xiàn)場的干擾作用方式和干擾源，設(shè)計出行之有效的預(yù)防干擾措施和消除干擾的電路，只有這樣，才可以使計算機測控系統(tǒng)達到最優(yōu)化的運行狀態(tài)。

計算機測控系統(tǒng)常用的抗干擾技術(shù)主要有兩種，分別是軟件抗干擾和硬件抗干擾。但是在很多復(fù)雜的控制情況下，不可能完全依靠硬件抗干擾來解決微機控制系統(tǒng)的抗干擾問題，在硬件抗干擾無法有效解決的情況下，軟件抗干擾往往就能夠起到極為重要的作用，所以計算機測控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)越來越受到專業(yè)技術(shù)人員的重視。

二、計算機測控系統(tǒng)干擾的分類

對計算機測控系統(tǒng)造成影響的干擾按其波形來進行分類，可分為脈沖序列、偶發(fā)性脈沖電壓、持續(xù)性正弦波等；按其傳導(dǎo)模式來進行分類，可分為串模干擾和共模干擾；按其產(chǎn)生原因來進行分類，可分為浪涌干擾、高頻振蕩干擾、放電干擾。干擾的耦合方式有六種，分別是漏電耦合、輻射耦合、直接耦合、電磁感應(yīng)耦合、電容耦合、公共阻抗耦合。

三、計算機測控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)措施

計算機測控系統(tǒng)軟件設(shè)計最核心的目的就在于一定要有效保證應(yīng)用程序能夠按照事先給定的順序來有條不紊地進行運行，主要是通過特殊處理RAM空間區(qū)、表格區(qū)、程序區(qū)來完成的。當(dāng)計算機測控系統(tǒng)的存儲空間允許的前提下，可以通過對計算機測控系統(tǒng)采用多種行之有效的軟件抗干擾措施來大幅度提高數(shù)據(jù)的安全性和運行的可靠性。

（一）軟件陷阱技術(shù)

軟件陷阱技術(shù)是將捕獲的程序通過引導(dǎo)指令強行引向到復(fù)位地址0000H或者錯誤處理程序，再通過專門的出錯處理程序來對這條捕獲的程序進行有效地處理。但值得注意的是不能隨便安置軟件陷阱的位置，應(yīng)該設(shè)置在專門的位置。

（1）設(shè)置到程序區(qū)的斷裂處，將跳轉(zhuǎn)指令和冗余指令設(shè)置到正常程序所無法執(zhí)行到的地方，目的在于能夠?qū)楋w的程序進行及時的捕捉，同時再將其引導(dǎo)到出錯處理程序。

（2）設(shè)置到系統(tǒng)中還未使用的ROM區(qū)。我們只需要將軟件陷阱寫在系統(tǒng)中還未使用的ROM空間內(nèi)部，那么該區(qū)域必定能夠及時捕捉到“跑飛”的程序。

（3）設(shè)置到程序中還沒有使用的中斷向量區(qū)。將一條跳轉(zhuǎn)指令放置在程序中還沒有使用的中斷向量區(qū)，能夠讓因干擾而激活的中斷服務(wù)進入出錯處理程序。

（4）設(shè)置到表格的頭、尾處。眾所周知，表格數(shù)據(jù)實質(zhì)是就是一群排列沒有次序的指令代碼段，我們將一些軟件陷阱放置在表格的頭、尾處，能夠大幅度降低程序“跑飛”到表格內(nèi)的幾率。

（二）數(shù)字濾波

數(shù)字濾波法實質(zhì)上是為了有效地保證系統(tǒng)的可靠性，通過一定的計算程序來平滑處理采樣信號，減少或消除各種噪聲和干擾的影響，提高其有用信號。在實際應(yīng)用中，數(shù)字濾波的技術(shù)方法很多，應(yīng)該結(jié)合實際情況來進行選用。

（1）算術(shù)平均值法。這種方法適應(yīng)于濾波那些具有隨機性干擾的信號。實質(zhì)上就是通過連續(xù)采樣N個值，然后再對采集到的這N個值來求其平均值，如果N值較大的情況下，靈敏度高，平滑度低。例如，在實時恒溫環(huán)境檢測與控制系統(tǒng)中，對各個監(jiān)測點采用連續(xù)5～10次的采樣平均值作為確認(rèn)值。

（2）防脈沖干擾平均值濾波法。算術(shù)平均值法較為適合應(yīng)用于那些脈沖干擾不太嚴(yán)重的場合，如果脈沖干擾嚴(yán)重，那么采用一般的算術(shù)平均值，勢必不能有效地消除由于脈沖干擾引起的誤差，干擾的信號將會平均到結(jié)果中去，所以在這種情況下，采用防脈沖干擾平均值濾波法就較為適宜，在N個采樣數(shù)據(jù)中，取樣最小值和最大值，然后再對余下的N-2個數(shù)據(jù)，計算其算術(shù)平均值。為了將測量速度加快，一般取N值為4。

（三）“WATCHDOG”技術(shù)

當(dāng)失控的程序不能通過軟件攔截技術(shù)來有效擺脫“死循環(huán)”的困境，那么一般大多采用“看門狗”（程序監(jiān)視）技術(shù)來使程序脫離“死循環(huán)”。“WATCHDOG”技術(shù)就是一種較好的“看門狗”（程序監(jiān)視）技術(shù)，軟、硬件相互結(jié)合來達到抗程序跑飛的目的。其主體是單穩(wěn)或計數(shù)器，基本獨立運行，能夠產(chǎn)生定時T，由CPU控制定時清零，CPU的復(fù)位線與“WATCHDOG”的定時輸出端相互連接。在正常的運行條件下，CPU周期性清零會隨著程序啟動WDT而進行，在這種情況下，就很難發(fā)生WDT定時溢出的情況。一旦受到CPU受到嚴(yán)重的干擾，發(fā)生異常情況的時候，CPU程序執(zhí)行混亂，時序邏輯會受到嚴(yán)重的破壞，那么此時，就不可能將WDT進行周期性地清零，這樣一來，只有當(dāng)WDT定時溢出，其輸出才能夠使得整個計算機測控系統(tǒng)復(fù)位，CPU擺脫陷入癱瘓的狀態(tài)。

此種技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中廣泛采用，當(dāng)系統(tǒng)運行出現(xiàn)意外時，可由計時器發(fā)出非屏蔽中斷信號，使程序運行重啟中斷服務(wù)程序，恢復(fù)系統(tǒng)正常運行。

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[基金項目]本文系重慶市高等教育教學(xué)改革研究重點項目（立項編號為112101）的研究成果。