数据处理与抗干扰技术课件

数据处理与抗干扰技术,§1 数据处理技术,§2 抗干扰技术,要点总结,§1 数据处理技术,§1.1 线性化处理,§1.2 标度变换,§1.3 越限报警处理,§1.4 数字滤波技术,§1.1 线性化处理,计算机从工程输入通道得到的现场信号与该信号所代表的对应的物理量之间不一定是线性关系，经常存在着非线性关系。,例如在温度测量中，常用的Pt100铂电阻，其适用范围为200850，根据IEC标准751-1983规定，Pt100铂电阻的阻值与温度的关系为,-2000 ,0850 ,§1.1 线性化处理,再如在流量测量中，孔板测量气体或液体的流量，差压变送器输出的孔板差压信号P，同实际流量F之间成平方根关系，即：,式中K是流量系数，也是非线性关系。,§1.1 线性化处理,非线性补偿的三种方法：,1. 公式计算法（可以用解析式明确表示的非线性函数关系）,2. 查表法,3. 线性插值法,§1.2 标度变换,标度变换：测量值（进入计算机的二进制）与工程值的转换（实际温度、压力、流量）。 目的：为了进行显示、记录、打印以及报警，必须将数字量转换成不同量纲，以便操作人员进行监视和管理生产。,一、线性参数标度变换,§1.2 标度变换,§1.2 标度变换,（一）如被测量为非线性刻度时，其标度变换应具体分析，如：流量测量中，其流量与差压的公式为：,二、非线性参数标度变换,测量流量时的标度变换公式为：,§1.2 标度变换,（二）线性化处理,级数展开法：,牛顿迭代法：,§1.3 越限报警处理,超限报警分为上限报警、下限报警及上下限报警。,1、上限报警 若XnXmax，则上限报警，否则继续执行原定操作。 2、下限报警 若XnXmin，则下限报警，否则继续执行原定操作。 3、上下限报警 若XnXmax，则上限报警，否则对下式作判别：XnXmin?若是，则下限报警，否则继续原定操作。,§1.3 越限报警处理,简单的上下限报警流程图,§1.3 越限报警处理,考虑越限次数的报警流程图,§1.4 数字滤波技术,实质上它是一种程序滤波。 数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点： 数字滤波是用程序实现的，可多个通道公用一个滤波程序； 不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好，不存在各个回路之间的阻抗匹配问题； 数字滤波可以对很低的频率进行滤波； 数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。,§1.4 数字滤波技术,1、 程序判断滤波方法,（1）限幅滤波消除幅度较大的尖峰干扰,（2）限速滤波消除高频干扰,§1.4 数字滤波技术,2、中值滤波方法,这种滤波法是将被测参数连续采样N次(一般N取奇数)，然后把采样值按大小顺序排列，再取中间值作为本次的采样值。消除脉冲性质的干扰。,3、算术平均滤波,4、加权平均滤波,流量： 压力：,§1.4 数字滤波技术,5、 一阶滞后滤波（惯性滤波方法）,慢速随机变量，短时间内连续采样,令,§1.4 数字滤波技术,6、 复合数字滤波,复合滤波就是把两种以上的滤波方法结合起来使用。例如把中值滤波的思想与算术平均的方法结合起来，就是一种常用的复合滤波法。具体方法是首先将采样值按大小排队，去掉最大和最小的，然后再把剩下的取平均值。这样显然比单纯的平均值滤波的效果要好。,§2 抗干扰技术,§2.1 干扰的来源和传播途径,§2.2 硬件抗干扰技术,§2.3 软件抗干扰技术,§2.4 接地技术,§2.1 干扰的来源和传播途径,一、 干扰的来源 微机控制系统所受到的干扰源分为外部干扰和内部干扰。 1、 外部干扰 外部干扰的主要来源有：电源电网的波动、大型用电设备(如天车、电炉、大电机、电焊机等)的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。 2、 内部干扰 内部干扰主要有：分布电容或分布电感产生的干扰、多点接地造成的电位差给系统带来的影响等。,§2.1 干扰的来源和传播途径,二、 干扰的作用途径 1、静电耦合 干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。系统内部各导线之间，印刷线路板的各线条之间，变压器线匝之间的绕组之间以及元件之间、元件与导线之间都存在着分布电容。具有一定频率的干扰信号通过这些分布电容提供的电抗通道穿行，对系统形成干扰。,§2.1 干扰的来源和传播途径,3、电磁耦合 电磁耦合是指在空间磁场中电路之间的互感耦合。因为任何载流导体都会在周围的空间产生磁场，而交变磁场又会在周围的闭合电路中产生感应电势，所以这种电磁耦合总是存在的，只是程度强弱不同而已。,§2.1 干扰的来源和传播途径,3、公共阻抗耦合 公共阻抗耦合是指多个电路的电流流经同一公共阻抗时所产生的相互影响。例如系统中往往是多个电路共用一个电源，各电路的电流都流经电源内阻和线路电阻，成为各电路的公共阻抗。每一个电路的电流在公共阻抗上造成的压降都将成为其它电路的干扰信号。,§2.1 干扰的来源和传播途径,三、 干扰的作用形式 各种干扰信号通过不同的耦合方式进入系统后，按照对系统的作用形式又可分为共模干扰和串模干扰。 1、共模干扰 共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成的，如图所示。,§2.1 干扰的来源和传播途径,共模电压对放大器的影响，实际上是转换成串模干扰的形式而加入到放大器的输入端。,当放大器为单端输入时，共模电压Vc引入放大器输入端的串模干扰电压为 Vn1 = IcZs = VcZs / (Zs+Zr),Zs 为信号源内阻； Zr 为放大器输入阻抗； Zr Zs 因此， Vn1 VcZs / Zr,§2.1 干扰的来源和传播途径,当放大器为双端输入时，共模电压Vc引入放大器输入端的串模干扰电压为 Vn2 = Ic1Zs1 Ic2Zs2 = VcZs1 / (Zs1+Zr1) VcZs2 / (Zs2+Zr2),Zs1 、 Zs2为信号源内阻； Zc1 、 Zc2 为放大器输入端对地的漏阻抗； Zc1 Zs1 Zc2 Zs2 因此， Vn2 Vc( Zs1 / Zc1 Zs2 / Zc2 ) 当 Zs1 / Zc1 = Zs2 / Zc2时 Vn2 0,§2.1 干扰的来源和传播途径,2、串模干扰 串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。,§2.2 硬件抗干扰技术,一、共模干扰的抑制 抑制共模干扰的主要方法是设法消除不同接地点之间的电位差。 1、变压器隔离,§2.2 硬件抗干扰技术,2、光电隔离 光电耦合具有以下特点： （1）密封在管壳内，不受外界光的影响； （2）靠光传输信号，切断了各电路之间地线的联系； （3）其发光二极管只有通过一定的电流时才能发光，从而有效的抑制干扰信号。,§2.2 硬件抗干扰技术,模拟信号经放大后，再利用光电隔离的线性区，直接对模拟信号进行光电耦合传送。,§2.2 硬件抗干扰技术,3、浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。所谓浮地，就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。 4、采用具有高共模抑制比的仪表放大器作为输入放大器 仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。,§2.2 硬件抗干扰技术,二、串模干扰的抑制 对于串模干扰的抑制比较困难。 1、滤波 如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，应采用带通滤波器。 一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二阶阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。,§2.2 硬件抗干扰技术,2、采用双绞线作为信号线 若串模干扰和被测信号的频率相当，则很难用滤波的方法消除。此时，必须采用其它措施，消除干扰源。通常可在信号源到计算机之间选用带屏蔽层的双绞线或同轴电缆，并确保接地正确可靠。 采用双绞线作为信号引线的目的是减少电磁干扰。双绞线能使各个小环路的感应电势相互抵消。一般双绞线的节距越小抗干扰能力越强。,§2.2 硬件抗干扰技术,3、电流传送 当传感器信号距离主机很远时很容易引入干扰。如果在传感器出口处将被测信号由电压转换为电流，以电流形式传送信号，将大大提高信噪比，从而提高传输过程中的抗干扰能力。,§2.3 软件抗干扰技术,一、输入/输出软件抗干扰措施,1、开关量(数字量)信号输入抗干扰措施 对于开关量的输入，为了确保信息准确无误，在软件上可采取多次读取的方法(至少读两次)，认为无误后再行输入。,§2.3 软件抗干扰技术,2、开关量(数字量)信号输出抗干扰措施,§2.3 软件抗干扰技术,当计算机输出开关量控制闸门、料斗等执行机构动作时，为了防止这些执行机构由于外界干扰而误动作，比如已关的闸门、料斗可能中途打开；已开的闸门、料斗可能中途突然关闭。对于这些误动作，可以在应用程序中每隔一段时间(比如几个ms)发出一次输出命令，不断地关闭闸门或者开闸门。这样，就可以较好地消除由于扰动而引起的误动作(开或关)。,§2.3 软件抗干扰技术,二、软件冗余技术,1、数据冗余 数据冗余就是将要保护的原始数据在另外两个区域同时存放，建立两个备份，当原始数据块被破坏时，用备份数据块去修复。备份数据的存放地址应远离原始的存放地址以免被同时破坏。数据区也不要靠近栈区，以防止万一堆栈溢出而冲掉数据。,§2.3 软件抗干扰技术,2、指令冗余 当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。当程序弹飞到某一单字节指令上时，便自动纳入正轨。当弹飞到某一双字节指令上时，有可能落到其操作数上，从而继续出错。当程序弹飞到三字节指令上时，因它有两个操作数，继续出错的机会更大。因此，我们应多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令(NOP)或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余。,§2.3 软件抗干扰技术,三、程序运行失常的软件抗干扰,1、设置软件陷阱 当干扰导致程序计数器PC值混乱时，可能造成CPU离开正确的指令顺序而跑飞到非程序区去执行一些无意义地址中的内容，或进入数据区，把数据当作操作码来执行，使整个工作紊乱，系统失控。针对这种情况，可以在非程序区设置陷阱，一旦程序飞到非程序区，很快进入陷阱，然后强迫程序由陷阱进入初始状态。 所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错处理的程序。软件陷阱安排在以下4种地方：（1）未使用的中断向量区；(2)未使用的大片ROM空间；(3)表格；(4)程序区。,§2.3 软件抗干扰技术,2、设置监视跟踪定时器 也称为看门狗定时器(Watchdog)，可以使陷入“死机”的系统产生复位，重新启动程序运行。这是目前用于监视跟踪程序运行是否正常的最有效的方法之一，近来得到了广泛的应用。 在程序运行的每个循环周期内，对定时器重新初始化。如果程序运行失常，跑飞或进入局部死循环，不能按正常循环路线运行，则Watchdog定时器得不到及时的重新初始化而使定时时间到，引起复位。,§2.3 软件抗干扰技术,监控电路实例（MAX1232） （1）MAX1232基本功能 电源供电监控功能。 手动复位输入 可编程的监控定时器,（2）监控定时器设定 TD0， 复位时间150ms； TD开路， 复位时间600ms； TDVCC， 复位时间1200ms；,§2.3 软件抗干扰技术,（3）电源电压允许限 TOL0 电源电压允许限5； TOLVCC 电源