軟件抗干擾問題的研究愈來愈引起人們的重視。

一拒名、工控軟件的結(jié)構(gòu)特點及干擾途徑

本次項目采用全新的自動控制系統(tǒng)和監(jiān)控技術(shù)可以克服以前人工控制精度低吩愧、運行操作繁瑣、誤操作可能性大等缺點增显，該系統(tǒng)的廢水處理工藝流程具有一定的先進(jìn)性慎瓮，達(dá)到了電廠廢水零排放，大大提高了水的利用率伊丘。在不同的工業(yè)控制系統(tǒng)中捧法，工控軟件雖然完成的功能不同，但就其結(jié)構(gòu)來說朦盲，一般具有如下特點：

＊ 實時性：工業(yè)控制系統(tǒng)中有些事件的發(fā)生具有隨機性木锈，要求工控軟件能夠及時地

處理隨機事件举么。

＊ 周期性：工控軟件在完成系統(tǒng)的初始化工作后结款，隨之進(jìn)入主程序循環(huán)。在執(zhí)行主程序過程中考瘪，如有中斷申請昼薯，則在執(zhí)行完相應(yīng)的中斷服務(wù)程序后，繼續(xù)主程序循環(huán)。

＊ 相關(guān)性：工控軟件由多個任務(wù)模塊組成彪珠，各模塊配合工作质法，相互關(guān)聯(lián)，相互依存浸船。

＊ 人為性：工控軟件允許操作人員干預(yù)系統(tǒng)的運行妄迁，調(diào)整系統(tǒng)的工作參數(shù).在理想情況下，工控軟件可以正常執(zhí)行李命。但在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的干擾下登淘，工控軟件的周期性、相關(guān)性及實時性受到破壞封字，程序無法正常執(zhí)行黔州，導(dǎo)致工業(yè)控制系統(tǒng)的失控，其表現(xiàn)是：

＊ 程序計數(shù)器PC值發(fā)生變化阔籽，破壞了程序的正常運行流妻。PC值被干擾后的數(shù)據(jù)是隨機的，因此引起程序執(zhí)行混亂笆制，在PC值的錯誤引導(dǎo)下绅这，程序執(zhí)行一系列毫無意義的指令，最后常常進(jìn)入一個毫無意義的“死循環(huán)”中在辆，使系統(tǒng)失去控制君躺。

＊ 輸入/輸出接口狀態(tài)受到干擾，破壞了工控軟件的相關(guān)性和周期性开缎，造成系統(tǒng)資源

被某個任務(wù)模塊獨占痹埠，使系統(tǒng)發(fā)生“死鎖”。

＊ 數(shù)據(jù)采集誤差加大妙帆。干擾侵入系統(tǒng)的前向通道仙尔，疊加在信號上，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集誤差加大兵雪。特別是當(dāng)前向通道的傳感器接口是小電壓信號輸入時编撵，此現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

＊ RAM數(shù)據(jù)區(qū)受到干擾發(fā)生變化晒茁。根據(jù)干擾竄入渠道易仍、受干擾數(shù)據(jù)性質(zhì)的不同，系統(tǒng)受損壞的狀況不同捷嘁，有的造成數(shù)值誤差绵盔，有的使控制失靈，有的改變程序狀態(tài)鳍彪，有的改變某些部件（如定時器／計數(shù)器璃璧、串行口等）的工作狀態(tài)等荔鸵。筆者在研制電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)時就曾遇到因現(xiàn)場強電磁干擾而造成RAM數(shù)據(jù)經(jīng)常性被破壞的情況。

＊ 控制狀態(tài)失靈踊跟。在工業(yè)控制系統(tǒng)中踩验，控制狀態(tài)的輸出常常是依據(jù)某些條件狀態(tài)的

輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結(jié)果而定。在這些環(huán)節(jié)中商玫，由于干擾的侵入箕憾，會造成條件狀態(tài)錯誤，致使輸出控制誤差加大拳昌，甚至控制失常厕九。

二、程序運行失常的軟件對策

系統(tǒng)受到干擾侵害致使PC值改變地回，造成程序運行失常扁远。對于程序運行失常的軟件對策主要是發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后及時引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)。

1.設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時器

使用定時中斷來監(jiān)視程序運行狀態(tài)刻像。定時器的定時時間稍大于主程序正常運行一個循環(huán)的時間畅买，在主程序運行過程中執(zhí)行一次定時器時間常數(shù)刷新操作。這樣细睡，只要程序正常運行谷羞，定時器不會出現(xiàn)定時中斷。而當(dāng)程序運行失常簿馍，不能及時刷新定時器時間常數(shù)而導(dǎo)致定時中斷脯黎，利用定時中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)復(fù)位。在8031應(yīng)用系統(tǒng)中作為軟件抗干擾的一個事例忆帐，具體做法是：

＊ 使用8155的定時器所產(chǎn)生的“溢出”信號作為8031的外部中斷源INT1兵正。用555定時

器作為8155中定時器的外部時鐘輸入；

＊ 8155定時器的定時值稍大于主程序的正常循環(huán)時間梢纫；

＊ 在主程序中窖硝，每循環(huán)一次，對8155定時器的定時常數(shù)進(jìn)行刷新汤浊；

＊ 在主控程序開始處邓晃，對硬件復(fù)位還是定時中斷產(chǎn)生的自動恢復(fù)進(jìn)行分類判斷處

理。

2.設(shè)置軟件陷井

當(dāng)PC失控砚皆，造成程序“亂飛”而不斷進(jìn)入非程序區(qū)纤票，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷井旦良，然后強迫使程序進(jìn)入初始狀態(tài)猪攀。例如Z80指令系統(tǒng)中數(shù)據(jù)FFH正好對應(yīng)為重新起動指令RST 56，該指令使程序自動轉(zhuǎn)入0038H入口地址鹃唯。因此爱榕，在Z80 CPU構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中瓣喊，只要將所有非程序區(qū)全部置成FFH用以攔截失控程序坡慌。

并在0038H處設(shè)置轉(zhuǎn)移指令黔酥，使程序轉(zhuǎn)至抗干擾處理程序。

三洪橘、系統(tǒng)“死鎖”的軟件對策

在工業(yè)控制系統(tǒng)中跪者，A/D、D/A熄求，顯示等輸入/輸出接口電路是必不可少的渣玲。這些接口與CPU之間采用查詢或中斷方式工作，而這些設(shè)備或接口對干擾很敏感弟晚，干擾信號一旦破壞了某一接口的狀態(tài)字后忘衍，就會導(dǎo)致CPU誤認(rèn)為該接口有輸入/輸出請求而停止現(xiàn)行工作，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的輸入/輸出服務(wù)程序卿城。但由于該接口本身并沒有輸入/輸出數(shù)據(jù)枚钓，從而使CPU資源被該服務(wù)程序長期占用，而不釋放粟宣，其它任務(wù)程序無法執(zhí)行喳卫，使整個系統(tǒng)出現(xiàn)“死鎖”。對這種干擾造成的“死鎖”問題辑揍，在軟件編程中硫红，

可采用“時間片”的方法來解決。其具體步驟為：

＊ 根據(jù)不同的輸入/輸出外設(shè)對時間的要求讽歹，分配相應(yīng)的最大正常的輸入/輸出時間综姜。

＊ 在每一輸入/輸出的任務(wù)模塊中，加入相應(yīng)的超時判斷程序几研。這樣當(dāng)干擾破壞了接口的狀態(tài)造成CPU誤操作后羡逃，由于該外設(shè)準(zhǔn)備好信息長期無效，經(jīng)一定時間后狡舞，系統(tǒng)會從該外設(shè)的服務(wù)程序中自動返回硬白，保證整個軟件的周期性不受影響，從而避免

“死鎖”情況的發(fā)生骇另。

四畴栖、數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對策

根據(jù)數(shù)據(jù)受干擾性質(zhì)及干擾后果的不同，采取的軟件對策各不相同八千，沒有固定的模式吗讶。對于實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除傳感器通道中的干擾信號恋捆，在硬件措施上常采取有源或無源RLC網(wǎng)絡(luò)照皆，構(gòu)成模擬濾波器對信號實現(xiàn)頻率濾波重绷。同樣，運用CPU的運算膜毁、控制功能也可以實現(xiàn)頻率濾波昭卓，完成模擬濾波器類似的功能，這就是數(shù)字濾波瘟滨。在許多數(shù)字信號處理專著中都有專門論述候醒，可以參考。隨著計算機運算速度的提高杂瘸，數(shù)字濾波在實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用將愈來愈廣倒淫。

在一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可以采用一些簡單的數(shù)值败玉、邏輯運算處理來達(dá)到濾波的效果祭静。下面介紹幾種常用的方法。

1.算術(shù)平均值法

對于一點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次爵路，計算其算術(shù)平均值姻粱，以其平均值作為該點采樣結(jié)果。

這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對采集結(jié)果的影響助安。一般3～5次平均即可辰诱。

2.比較取舍法

當(dāng)控制系統(tǒng)測量結(jié)果的個別數(shù)據(jù)存在偏差時，為了剔除個別錯誤數(shù)據(jù)莽裤，可采用比較取舍法拱缆，即對每個采樣點連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采數(shù)據(jù)的變化規(guī)律店烛，確定取舍谢奕，從 而剔除偏差數(shù)據(jù)。例如,“采三取二”即對每個采樣點連續(xù)采樣三次辱甫，取兩次相同的數(shù)據(jù)為采樣結(jié)果遍送。

3.中值法

根據(jù)干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏大或偏小的情況，對一個采樣點連續(xù)采集多個信號店诗，并對這些采樣值進(jìn)行比較裹刮，取中值作為該點的采樣結(jié)果。

4.一階遞推數(shù)字濾波法

這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法庞瘸，實現(xiàn)用軟件方法代替硬件RC濾波器捧弃。一階遞推數(shù)字濾波公式為Yn=QXn+（1-Q）Yn-1 式中Q -數(shù)字濾波器時間常數(shù)；

Xn－第n次采樣時的濾波器輸入擦囊；

Yn－第n次采樣時的濾波器輸出违霞。

采用軟件濾波器對消除數(shù)據(jù)采集中的誤差可以獲得滿意的效果。但應(yīng)注意瞬场，選取何種方法應(yīng)根據(jù)信號的變化規(guī)律選擇买鸽。

五涧郊、RAM數(shù)據(jù)出錯的軟件對策

在實時控制過程中，干擾造成比較嚴(yán)重的危害之一就是沖毀RAM中的數(shù)據(jù)眼五，由于RAM中保存的是各種原始數(shù)據(jù)妆艘、標(biāo)志、變量等弹砚，如果被破壞双仍，會造成系統(tǒng)出錯或無法運行寺斟，根據(jù)數(shù)據(jù)被沖毀的程度虫棚，一般可分為三類：

＊ 整個RAM數(shù)據(jù)被沖毀；

＊ RAM中某片數(shù)據(jù)被沖毀溪胖；

＊ 個別數(shù)據(jù)被沖毀黔琢。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，RAM的大部分內(nèi)容是為了進(jìn)行分析肤不、比較而臨時存放的寻癌，不允許丟失的數(shù)據(jù)只占極少部分。在這種情況下豌腮，除了這些不允許丟失的數(shù)據(jù)外绪封，其余大部分內(nèi)容允許短時間被破壞，最多只引起系統(tǒng)的一個很短時間的波動椰骇，很快能自動恢復(fù)正常历扭。因此，在工控軟件中膨吼，只要注意對少數(shù)不允許丟失的數(shù)據(jù)保護(hù)棺氢，一般常用的方法有“校驗法” 和“設(shè)標(biāo)法”。這兩種方法各有千秋现恼，校驗法比較繁鎖肃续，但查錯的可信度高。設(shè)標(biāo)法簡單叉袍，但對數(shù)據(jù)表中個別數(shù)據(jù)沖毀的情況始锚，查錯則無難為 力。在編程中一般應(yīng)綜合使用喳逛，其具體做法為：

＊ 將RAM工作區(qū)重要區(qū)域的始端和尾端各設(shè)置一個標(biāo)志碼“0” 或“1”瞧捌；

＊ 對RAM中固定不變的數(shù)據(jù)表格設(shè)置校驗字。

在程序的執(zhí)行過程中艺配，每隔一定的時間通過事先設(shè)計的查錯程序來檢查其各標(biāo)志碼是否正常察郁，如果不正常，則利用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)通過抗干擾處理程序來進(jìn)行修正转唉；冗余數(shù)據(jù)表的一般設(shè)計原則是：

＊ 各數(shù)據(jù)表應(yīng)相互遠(yuǎn)離分散設(shè)置皮钠，減少冗余數(shù)據(jù)同時被沖毀的概率稳捆。

＊ 數(shù)據(jù)表應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離棧區(qū)，減少由于操作錯誤造堆棧被成數(shù)據(jù)沖的可能 麦轰。

上述對RAM區(qū)域的恢復(fù)處理方法乔夯，在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)根據(jù)的具體情況進(jìn)行取舍。

六潘吸、控制狀態(tài)失常的軟件對策

在條件控制系統(tǒng)中醇疮，人們關(guān)注的問題是能否確保正常的控制狀態(tài)。如果干擾進(jìn)入系統(tǒng)卤撬，會影響各種控制條件巴移、造成控制輸出失誤。為了確保系統(tǒng)安全可以采取下述軟件抗干擾措施：

1.軟件冗余

對于條件控制系統(tǒng)柄楼，將控制條件的一次采樣瞭驴、處理控制輸出，改為循環(huán)采樣翅陪、處理控制輸出退钱。這種方法具有良好的抗偶然因素干擾作用。

2.設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元

當(dāng)干擾侵入輸出通道造成輸出狀態(tài)破壞時钠台，系統(tǒng)可以及時查詢當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元的輸出狀態(tài)信息欠诊，及時糾正錯誤的輸出狀態(tài)。

3.設(shè)置自檢程序

在計算機系統(tǒng)內(nèi)的特定部位或某些內(nèi)存單元設(shè)狀態(tài)標(biāo)志辟劲，在運行中不斷循環(huán)測試以保證系統(tǒng)中信息存儲臣疑、傳輸、運算的高可＊性帕胆。

上述介紹的幾種有關(guān)工控軟件的抗干擾編程方法是筆者在工作實踐中的體會朝捆。在設(shè)計工控軟件的過程中只要采取相應(yīng)的抗干擾措施，就可獲得較好的抗干擾效果懒豹。

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