1 濾波和抗干擾" title="抗干擾">抗干擾概述
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入信號(hào)常含有種種噪聲和干擾，它們來自被測信號(hào)源,、傳感器,、外界干擾源等,。為了提高測量和控制精度，必須消除信號(hào)中的噪聲和干擾,。噪聲有兩大類：一類為周期性的,；另一類為不規(guī)則的。前者的典型代表為50Hz的工頻干擾,，一般采用硬件濾波,，使用積分時(shí)間等于20ms的整數(shù)倍的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，可有效地消除其對信號(hào)的影響,。后者為隨機(jī)信號(hào),，它不是周期信號(hào)，可用數(shù)字濾波" title="數(shù)字濾波">數(shù)字濾波方法予以消弱或?yàn)V除,。所謂數(shù)字濾波,，就是通過一定的計(jì)算或判斷程序來減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中的比重，故實(shí)際上它是一種軟件濾波,。硬件濾波具有效率高的優(yōu)點(diǎn),，但要增加系統(tǒng)的投資和設(shè)備的體積，當(dāng)干擾的性質(zhì)改變時(shí)我們往往不得不重新搭接電路,；軟件濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的,，不需要增加設(shè)備，故投資少,、可靠性高,、穩(wěn)定性好，并且可以對頻率很低的信號(hào)實(shí)行濾波,，隨著干擾的性質(zhì)改變只需修改軟件即可,，具有靈活、方便,、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),，但要占用系統(tǒng)資源、降低系統(tǒng)的工作效率,。一個(gè)傳統(tǒng)的實(shí)際系統(tǒng),，往往采用軟件和硬件相結(jié)合的濾波方法，這種結(jié)合是在兩者的優(yōu)缺點(diǎn)之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn),。
硬件抗干擾主要采用隔離技術(shù),、雙絞線傳輸、阻抗匹配等措施抑制干擾,。常用的隔離措施有采用A/D,、D/A與單片機(jī)進(jìn)行隔離以及用繼電器、光電隔離器,、光電隔離固態(tài)繼電器(SSR)等隔離器件對開關(guān)量進(jìn)行隔離,。
軟件抗干擾主要利用干擾信號(hào)多呈毛刺狀,、作用時(shí)間短等特點(diǎn)。因此,，在采集某一狀態(tài)信號(hào)時(shí),，可多次重復(fù)采集，直到連續(xù)兩次或多次采集結(jié)果完全一致時(shí)才視為有效,。若多次采集后,，信號(hào)總是變化不定,，可停止采集,，給出報(bào)警信號(hào)。如果狀態(tài)信號(hào)是來自各類開關(guān)型狀態(tài)傳感器,，對這些信號(hào)采集不能用多次平均方法,，必須完全一致才行。在滿足實(shí)時(shí)性要求的前提下,，如果在各次采集狀態(tài)信號(hào)之間增加一段延時(shí),，效果會(huì)更好，能對抗較寬的干擾,。對于每次采集的最高次數(shù)限額和連續(xù)相同次數(shù)均可按實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整,。對于擾亂CPU的干擾，可以采取指令冗余和軟件陷阱等抗干擾技術(shù)加以抑制,。
2 利用CPLD實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波及抗干擾
這里介紹的采用CPLD" title="CPLD">CPLD實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波及抗干擾的方法已經(jīng)在智能儀器泵沖測量儀的開發(fā)中得到驗(yàn)證,。下面就如何采用CPLD對系統(tǒng)的四路外部傳感器脈沖信號(hào)和四路按鍵信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波、鎖存,、中斷申請等功能進(jìn)行闡述,。
2.1 傳感器信號(hào)濾波
由于要對傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，CPLD要引入時(shí)鐘信號(hào),。因而我們對CPLD定義一輸入端clki,，作為數(shù)字濾波器的計(jì)數(shù)脈沖輸入端。clki由單片機(jī)定時(shí)器1定時(shí)產(chǎn)生500Hz脈沖,。以一路為例,，泵沖信號(hào)濾波部分如圖1所示。
oo0為經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后接近開關(guān)輸出的信號(hào),。當(dāng)oo0為低電平時(shí),，說明泵1未動(dòng)作，封鎖三端與門,，時(shí)鐘信號(hào)clki無法通過,，計(jì)數(shù)器bcn3n不計(jì)數(shù)。同理,，當(dāng)aa4為高電平時(shí),，亦封鎖三端與門(至于aa4如何變化及作用下文有介紹),。故當(dāng)oo0為高、aa4為低時(shí),，clki接通計(jì)數(shù)器CLK端,。當(dāng)oo0和clr端任意一個(gè)為低時(shí)，計(jì)數(shù)器清零,。計(jì)數(shù)器bcn3n由MAX+PLUSII的文本編輯器編輯,，其文本如下：
其輸出aa4．．0等于計(jì)數(shù)器當(dāng)前的計(jì)數(shù)值。Aa4就是aa4．．0的最高位當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到10H(十六進(jìn)制)時(shí),，即aa4為高電平時(shí),，三端與門封鎖，計(jì)數(shù)器保持10H不變,，除非有清零信號(hào),。其波形如圖2所示。
由波形可知,，oo0為高,，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。對于小的脈沖,，計(jì)數(shù)器的最高位即aa4為低,，認(rèn)為是干擾信號(hào)；只有當(dāng)aa4為"1"時(shí)才認(rèn)為oo0的脈沖信號(hào)有效,，并通過aa4將時(shí)鐘脈沖阻斷,，使計(jì)數(shù)器值不再增加。這樣做是為了防止由于oo0的脈沖不定寬,，使aa4的電平不定,，后面無法進(jìn)行處理。還應(yīng)注意的是,，把oo0引入了清零信號(hào),。當(dāng)信號(hào)有較多毛刺時(shí)，若oo0為低時(shí)不清零則使計(jì)數(shù)器不斷累加,，積累到一定程度,，使aa4為1，系統(tǒng)將認(rèn)為有一有效脈沖信號(hào),，產(chǎn)生誤動(dòng)作,。
2.2 中斷申請信號(hào)產(chǎn)生
中斷申請信號(hào)由圖3電路生成。
圖中四個(gè)計(jì)數(shù)器的最高位接四端或門,，只要有一路信號(hào)為高,，或門輸出就為高，并經(jīng)過非門,，輸出低電平,，接于D觸發(fā)器的時(shí)鐘端,。D觸發(fā)器的D端始終為高電平。D觸發(fā)器為上升沿觸發(fā)器,，若輸入D為1,，在時(shí)鐘脈沖的上升沿，把"1"送入觸發(fā)器,，使Q＝"1",。只有在CLRN端的clr信號(hào)有效時(shí)，D觸發(fā)器清零,，Q＝"0",。其波形如圖4所示。
只要有一路信號(hào)為高,，D觸發(fā)器時(shí)鐘端為低,。當(dāng)所有4路都為低時(shí)，時(shí)鐘端由低變高,，在上升沿，Q變?yōu)?quot;1",，發(fā)出中斷請求信號(hào),。
如果多路脈沖信號(hào)有重疊，例如有兩路信號(hào)發(fā)生重疊,，而中斷信號(hào)只有在四路都為低時(shí)才會(huì)產(chǎn)生,，因此需要對信號(hào)進(jìn)行鎖存。本設(shè)計(jì)采用D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)鎖存,，電路如圖5所示,。
當(dāng)aa4為由低變高時(shí)，a4變?yōu)楦唠娖?。由clr信號(hào)清零,。
2.3 按鍵消抖及數(shù)據(jù)輸出
按鍵的消抖也通過計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，電路原理圖如圖6所示,。
按鍵未按下時(shí)為高電平,，封鎖時(shí)鐘信號(hào)。按鍵按下時(shí),，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),。當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出最高位為"1"時(shí)，亦封鎖時(shí)鐘信號(hào),，防止按鍵時(shí)間不定使需要的k14信號(hào)不定,。當(dāng)按鍵信號(hào)為高電平時(shí)，對計(jì)數(shù)器清零,，防止計(jì)數(shù)器累加干擾信號(hào)而造成誤動(dòng)作,。波形如圖7所示,。
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泵沖和按鍵經(jīng)處理后的信號(hào)a4,、b4,、c4、d4,、k04,、k14、k24,、k34,，經(jīng)74373掛于數(shù)據(jù)總線，如圖8所示,。74373使能信號(hào)由圖9電路產(chǎn)生,。
它采用文本編輯，具體如下：
若單片機(jī)發(fā)出讀81XXH地址中數(shù)的信號(hào),，則選通此373,，讀出其數(shù)。
以上介紹了采用CPLD實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波及抗干擾,。該設(shè)計(jì)已在產(chǎn)品開發(fā)中成功應(yīng)用,，效果良好，達(dá)到了預(yù)期的目的,。前面我們已經(jīng)提到,，一個(gè)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，往往在軟件濾波和硬件濾波兩者的優(yōu)缺點(diǎn)之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn),。用我們通常的成語來講,，這樣做可以說是揚(yáng)長避短或取長補(bǔ)短。一直以來,，我們都把這兩個(gè)成語看成是褒義的,，不過細(xì)細(xì)品味一下其中的韻味似乎并不完全是好的代表：發(fā)揚(yáng)長處固然值得稱道，但回避短處未必是解決問題的最佳途徑,，畢竟回避并不能解決問題的本質(zhì),，哪怕是取其長處來彌補(bǔ)短處，也不是長遠(yuǎn)出路,。應(yīng)該直接去克服掉短處為佳,。采用CPLD則可將軟硬件濾波的優(yōu)點(diǎn)兼而有之，同時(shí)將它們的缺點(diǎn)摒棄,，從而達(dá)到揚(yáng)長去短的目的,。用CPLD實(shí)現(xiàn)濾波只占用較少的資源，故可用其實(shí)現(xiàn)其它數(shù)字電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波,。