计算机测控系统的软件抗干扰技术初探
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作者: 姜帆 赵鹏举 陈卫
摘要：在很多复杂的控制情况下，不可能完全依靠硬件抗干扰来解决微机控制系统的抗干扰问题，在硬件抗干扰无法有效解决的情况下，软件抗干扰往往就能够起到极为重要的作用。所以计算机测控系统的软件抗干扰技术越来越受到专业技术人员的重视。本文首先分析了计算机测控系统干扰的分类，其次，就计算机测控系统的软件抗干扰技术措施进行了深入的探讨，具有一定的参考价值。
关键词：计算机；测控系统；软件抗干扰
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 10-0092-01
一、前言
计算机测控系统已广泛地应用于现代社会生产和生活的各个领域，如机器人自动装配线、自动分拣系统、家用空调洗衣机等，各种智能系统的传感器或敏感元件为测控系统提供了直接的处理判断和执行依据，如何使传感器在测量的过程中，输出线性化和精度能够达到最高，是值得我们深入探究的问题。
计算机测控系统的正常工作很容易受到各种工业电磁辐射、现场恶劣环境条件等因素的影响和干扰（如电机的启动与停止、电磁阀的闭合、温度压力的变化等）。计算机测控系统中不可忽视的两个重要内容就是可靠性设计和抗干扰技术。因此，极有必要弄清楚现场的干扰作用方式和干扰源，设计出行之有效的预防干扰措施和消除干扰的电路，只有这样，才可以使计算机测控系统达到最优化的运行状态。
计算机测控系统常用的抗干扰技术主要有两种，分别是软件抗干扰和硬件抗干扰。但是在很多复杂的控制情况下，不可能完全依靠硬件抗干扰来解决微机控制系统的抗干扰问题，在硬件抗干扰无法有效解决的情况下，软件抗干扰往往就能够起到极为重要的作用，所以计算机测控系统的软件抗干扰技术越来越受到专业技术人员的重视。
二、计算机测控系统干扰的分类
对计算机测控系统造成影响的干扰按其波形来进行分类，可分为脉冲序列、偶发性脉冲电压、持续性正弦波等；按其传导模式来进行分类，可分为串模干扰和共模干扰；按其产生原因来进行分类，可分为浪涌干扰、高频振荡干扰、放电干扰。干扰的耦合方式有六种，分别是漏电耦合、辐射耦合、直接耦合、电磁感应耦合、电容耦合、公共阻抗耦合。
三、计算机测控系统的软件抗干扰技术措施
计算机测控系统软件设计最核心的目的就在于一定要有效保证应用程序能够按照事先给定的顺序来有条不紊地进行运行，主要是通过特殊处理RAM空间区、表格区、程序区来完成的。当计算机测控系统的存储空间允许的前提下，可以通过对计算机测控系统采用多种行之有效的软件抗干扰措施来大幅度提高数据的安全性和运行的可靠性。
（一）软件陷阱技术
软件陷阱技术是将捕获的程序通过引导指令强行引向到复位地址0000H或者错误处理程序，再通过专门的出错处理程序来对这条捕获的程序进行有效地处理。但值得注意的是不能随便安置软件陷阱的位置，应该设置在专门的位置。
（1）设置到程序区的断裂处，将跳转指令和冗余指令设置到正常程序所无法执行到的地方，目的在于能够将弹飞的程序进行及时的捕捉，同时再将其引导到出错处理程序。
（2）设置到系统中还未使用的ROM区。我们只需要将软件陷阱写在系统中还未使用的ROM空间内部，那么该区域必定能够及时捕捉到“跑飞”的程序。
（3）设置到程序中还没有使用的中断向量区。将一条跳转指令放置在程序中还没有使用的中断向量区，能够让因干扰而激活的中断服务进入出错处理程序。
（4）设置到表格的头、尾处。众所周知，表格数据实质是就是一群排列没有次序的指令代码段，我们将一些软件陷阱放置在表格的头、尾处，能够大幅度降低程序“跑飞”到表格内的几率。
（二）数字滤波
数字滤波法实质上是为了有效地保证系统的可靠性，通过一定的计算程序来平滑处理采样信号，减少或消除各种噪声和干扰的影响，提高其有用信号。在实际应用中，数字滤波的技术方法很多，应该结合实际情况来进行选用。
（1）算术平均值法。这种方法适应于滤波那些具有随机性干扰的信号。实质上就是通过连续采样N个值，然后再对采集到的这N个值来求其平均值，如果N值较大的情况下，灵敏度高，平滑度低。例如，在实时恒温环境检测与控制系统中，对各个监测点采用连续5～10次的采样平均值作为确认值。
（2）防脉冲干扰平均值滤波法。算术平均值法较为适合应用于那些脉冲干扰不太严重的场合，如果脉冲干扰严重，那么采用一般的算术平均值，势必不能有效地消除由于脉冲干扰引起的误差，干扰的信号将会平均到结果中去，所以在这种情况下，采用防脉冲干扰平均值滤波法就较为适宜，在N个采样数据中，取样最小值和最大值，然后再对余下的N-2个数据，计算其算术平均值。为了将测量速度加快，一般取N值为4。
（三）“WATCHDOG”技术
当失控的程序不能通过软件拦截技术来有效摆脱“死循环”的困境，那么一般大多采用“看门狗”（程序监视）技术来使程序脱离“死循环”。“WATCHDOG”技术就是一种较好的“看门狗”（程序监视）技术，软、硬件相互结合来达到抗程序跑飞的目的。其主体是单稳或计数器，基本独立运行，能够产生定时T，由CPU控制定时清零，CPU的复位线与“WATCHDOG”的定时输出端相互连接。在正常的运行条件下，CPU周期性清零会随着程序启动WDT而进行，在这种情况下，就很难发生WDT定时溢出的情况。一旦受到CPU受到严重的干扰，发生异常情况的时候，CPU程序执行混乱，时序逻辑会受到严重的破坏，那么此时，就不可能将WDT进行周期性地清零，这样一来，只有当WDT定时溢出，其输出才能够使得整个计算机测控系统复位，CPU摆脱陷入瘫痪的状态。
此种技术在远程监控系统中广泛采用，当系统运行出现意外时，可由计时器发出非屏蔽中断信号，使程序运行重启中断服务程序，恢复系统正常运行。
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[基金项目]本文系重庆市高等教育教学改革研究重点项目（立项编号为112101）的研究成果。
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