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安防知識：視頻監(jiān)控微機(jī)控制系統(tǒng)中的干擾與抗干擾

        現(xiàn)代信息社會與現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，安防監(jiān)控系統(tǒng)往往都工作在較惡劣的環(huán)境中。如何合理地設(shè)計安防監(jiān)控系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)工作的可靠性，是微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分。本文按干擾源的分類，介紹可能進(jìn)入微機(jī)控制系統(tǒng)中的各種干擾的來源，以及應(yīng)相應(yīng)采取的硬件與軟件的抗干擾措施。
        現(xiàn)代信息社會與現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，由于對電子設(shè)備的電磁兼容性注意得不夠，使得電磁輻射到處彌漫，因此安防監(jiān)控系統(tǒng)往往都工作在較惡劣的環(huán)境中。如何合理地設(shè)計安防監(jiān)控系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)工作的可靠性，是微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分。所以，一個完善的微機(jī)控制系統(tǒng)不僅要求要實時準(zhǔn)確，而且要可靠穩(wěn)定，否則只能停留于實驗室階段，無法應(yīng)用到現(xiàn)場，而失去實用價值。
        由此，在設(shè)計安防監(jiān)控系統(tǒng)考慮微機(jī)控制系統(tǒng)中抗干擾的各種方案時，首先是要抓住主要的干擾源，以盡量削減其能量和峰值，然后阻止其剩余部分進(jìn)入系統(tǒng)。下面按干擾源的分類，介紹可能進(jìn)入微機(jī)控制系統(tǒng)中的各種干擾的來源，以及應(yīng)相應(yīng)采取的硬件與軟件的抗干擾措施。
        微機(jī)控制系統(tǒng)中干擾的來源及硬件的抗干擾措施
        空間輻射干擾
        這種干擾主要來自大功率發(fā)射機(jī)（如電臺）、雷達(dá)、大功率電器等。它們通過空間電磁波在引線、電源線中感應(yīng)干擾信號。我們常見的示波器、電視機(jī)、計算機(jī)等也會產(chǎn)生此種干擾信號。對付此種干擾的辦法是屏蔽。屏蔽的種類和作用如下：
        1、靜電屏蔽（法拉第屏蔽）：即接地屏蔽，用來防止高頻電磁場的影響；
        2、電磁屏蔽：用來防止電磁場影響；
        3、磁屏蔽：主要用于防低頻電磁場的影響，采用高導(dǎo)磁系數(shù)可以防止磁感應(yīng)。
        屏蔽的接地有兩種：
        4、與信號地浮懸而接大地。它主要用于弱信號的處理（比如數(shù)據(jù)采集）；
        5、與信號地連接。主要用于一般系統(tǒng)。
        電源電壓的脈沖干擾
        一般，電源電壓的緩慢變化和不穩(wěn)定性，可以通過交流穩(wěn)壓器和直流穩(wěn)壓器加以抑制，但它們對電源的脈動變化是無能為力的。這種脈動變化一般來源于大功率負(fù)載的啟停、雷擊等。
        通常，抑制這種電源干擾的手段有：
        1、采用交流穩(wěn)壓器或UPS不間斷電源供電；
        2、選用高導(dǎo)磁材料做磁芯組成C型變壓器，線組采用對稱線包結(jié)構(gòu)，初次級間加屏蔽；
        3、變壓器初級加壓阻電阻和噪聲濾波器；
        4、分散獨立供電，以減少公共電源的相互影響；
        5、采用不同相序供電，以減少相互的影響；
        6、采用開關(guān)電源和無感電源；
        7、采用隔離變壓器等。
        I/O口線的干擾
        通常，由于I/O口線直接與檢測信號、受控設(shè)備等外設(shè)相連，因此它也是干擾的主要渠道之一。
        對付這種干擾的主要辦法有：
        1、使用光電隔離（對數(shù)字信號）和隔離放大器（對模擬量）對系統(tǒng)各部分進(jìn)行隔離；
        2、布線時高頻信號盡可能遠(yuǎn)離信號線，中間加地線屏蔽；
        3、電源線和信號線分開；
        4、任何I/O線及電源線要盡量短，并且遠(yuǎn)離線圈和變壓器；
        5、不同的地要采取隔離措施；
        6、對輸入信號采用RC濾波器，使干擾信號有很大的衰減（尤其對高頻干擾的抑制）。
        I/O信號傳輸線路的干擾
        當(dāng)I/O信號必須采用長線傳輸時，長線上就有共模干擾或感應(yīng)噪聲電壓。對付這種干擾的辦法有：
        1、提高信號電平值或改變信號傳送方式。一般，電流傳送優(yōu)于電壓傳送，數(shù)字信號傳輸優(yōu)于模擬信號傳輸；
        2、選擇合理的傳輸線和負(fù)載，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)電纜和雙絞線傳輸。因為它們有抗干擾作用，并且還要注意，在傳輸線路加入阻抗匹配和濾波電路；
        3、設(shè)計合理的接口電路，最好采用隔離傳輸?shù)霓k法；
        4、選擇合理的波形進(jìn)行傳輸；
        5、信號線不與動力線平行敷設(shè)，使信號線免受強(qiáng)磁場的干擾；
        6、輸入與輸出線均采用穿管敷設(shè)的方式；
        7、線路在敷設(shè)過程中盡量避開上、下水及通風(fēng)等金屬管道；
        8、由于電話線在接地和防雷等措施上較為成熟，因而可利用電話線傳輸。
        地線干擾
        由于存在地電流，則在各接地間會產(chǎn)生電位差，從而影響輸入電平的變化。這可根據(jù)需要，進(jìn)行單點和多點接地，也可進(jìn)行地線隔離。
        接地方式一般有混合接地系統(tǒng)、交直流分開接地系統(tǒng)、一點接地系統(tǒng)及懸浮接地系統(tǒng)等。此外，在三相四線制的配電網(wǎng)絡(luò)中，是中性點直接接地，按規(guī)程往往還要進(jìn)行重復(fù)接地，這樣能大大地消除由于各相間不平衡負(fù)載引起的中性線上的電流和漏電流，以及由這種電流所引起的中性點電位的漂移。顯然，可設(shè)專用接地極，并在電源的饋線上增加一條中性線。對這種接地方式，只要選好專用接地極電阻（不得大于4Ω）就可以達(dá)到一定的效果。
        一般地線要粗，數(shù)模分開。數(shù)字地干擾大，需建立一點公共地，各部分地分開走線。
        其它干擾
        其它的干擾還有元件內(nèi)部的熱噪聲干擾，總線競爭干擾等。一般，可采用高質(zhì)量元件和合理的電路設(shè)計來解決。
        高可靠性的自動復(fù)位電路
        CPU的復(fù)位是系統(tǒng)正常工作的前提，要注意其可靠性。為防止CPU受干擾后不能正常工作，一般設(shè)有自動復(fù)位電路，以恢復(fù)其正常工作。
        微機(jī)控制系統(tǒng)中軟件的抗干擾措施
        在抗干擾中，要發(fā)揮微機(jī)軟件的作用。要在應(yīng)用軟件中采取修正、補(bǔ)償和濾波，要和硬件方面的抗干擾措施相互補(bǔ)充、結(jié)合、形成強(qiáng)有力的雙重抗干擾措施。軟件方面的措施有時非常有效，而且往往簡單、并修改容易和經(jīng)濟(jì)。因為軟件抗干擾不需增加設(shè)備，只需在程序上作相應(yīng)的處理即可。
        電視監(jiān)視的控制系統(tǒng)與微機(jī)系統(tǒng)軟件的一個重要差別，就是其軟件的抗干擾設(shè)計。它設(shè)計的具體方法有：
        程序?qū)τ布O(shè)備的檢查
        程序?qū)τ布O(shè)備的檢查方法類似微機(jī)中的上電自檢，它用以確保以后程序運(yùn)行的環(huán)境正確。一般，自檢出錯時要報警，以便操作人員及時了解情況和處理故障。
        軟件的冗余抗干擾
        軟件的冗余抗干擾方法有兩層意思：對單個設(shè)備來說，主要是利用CPU的高可靠性來存貯整個設(shè)備I/O口的信息，并定時用此信息刷新I/O口，從而確保I/O口在受干擾后，能及時恢復(fù)正常；對整個系統(tǒng)來說，可利用主控制器等工作條件較好的設(shè)備的高可靠性，存貯整個系統(tǒng)設(shè)備的工作情況，并定時通過通信線刷新系統(tǒng)設(shè)備，從而確保這些設(shè)備在受干擾后，能保證恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。采用此方法時，如能與下面的自動復(fù)位措施相配合，效果會更加顯著。
        自動復(fù)位措施
        程序的執(zhí)行本身是封閉的，但是因CPU總線、程序存貯器受到干擾后，會影響程序的正常執(zhí)行。為了保證程序在受到干擾后，能恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)，通常采用下面兩種手段進(jìn)行保證。
        1、合理分配程序空間
        合理分配程序空間是，在未利用的地方加上跳轉(zhuǎn)指令，保證程序可以跳回到正常的程序。但此方法的前提是，CPU要處于正常的工作狀態(tài)才行，但有些時候干擾會損壞CPU工作條件，而使CPU不能進(jìn)行工作，因而產(chǎn)生了下面的一種自動復(fù)位手段。
        2、自動復(fù)位
        自動復(fù)位方法的原理是，在程序循環(huán)體中安排一監(jiān)視程序，也就是在程序正常執(zhí)行時，在某一口線上產(chǎn)生一定周期和脈寬的信號，將此脈沖送給復(fù)位檢測電路。一旦CPU工作異常，此時檢測電路就向CPU發(fā)出復(fù)位信號，以重新啟動設(shè)備工作。檢測電路一般有兩種工作方式：
        a、恒定電平檢測法：它利用可再觸發(fā)式單穩(wěn)電路進(jìn)行，利用上述信號不斷觸發(fā)單穩(wěn)電路，以保證正常的輸出，而一旦此觸發(fā)電路失去，單穩(wěn)電路便會給出復(fù)位信號。
        b、定時器檢測法：它利用一振蕩器脈沖計數(shù)，CPU給出的周期信號用來復(fù)位計數(shù)器，而一旦此復(fù)位信號消失，則計數(shù)器便溢出產(chǎn)生一信號復(fù)位CPU。
        在大部分的設(shè)備中，復(fù)位監(jiān)視程序僅提供一個周期信號是不夠的，因為CPU一旦復(fù)位，將破壞所有狀態(tài)，這樣的設(shè)備對用戶來說就不可靠了。為了保證上述過程對用戶透明，一般采用下述方法進(jìn)行：即CPU在復(fù)位時，不影響其內(nèi)部RAM的內(nèi)容。因此，利用內(nèi)部RAM的這個特點，可在上電復(fù)位后，在RAM中設(shè)一上電后的標(biāo)志。根據(jù)此標(biāo)志，CPU便可判定是上電復(fù)位，還是受干擾后自動復(fù)位了。并且，將程序分段執(zhí)行，進(jìn)入一個段便在RAM中作一標(biāo)記，設(shè)備各I/O口的狀態(tài)也存在RAM中，這樣一旦自動復(fù)位后，便可將上述信息寫到I/O口，以保證設(shè)備狀態(tài)的連續(xù)，同時進(jìn)行原程序段執(zhí)行，從而保證了程序運(yùn)行的連續(xù)性。采用此方法后，保證了自動復(fù)位過程對用戶的透明，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。
        其它軟件抗干擾
        1、數(shù)字濾波
        這種濾波是，濾去采樣過程中由于干擾而疊加于采樣值之上的成分。由于各種參數(shù)的干擾成分不同，所以濾去這些干擾成分的方式也不同。通常在使用中，可根據(jù)情況選用以下幾種數(shù)字濾波方法：
        a、一階慣性濾波法：一階慣性濾波是一種動態(tài)濾波法，實踐證明，它是一種比較有效的濾波法，尤其對于低頻干擾分量和一些周期性、脈沖性的干擾，有很好的效果，可以彌補(bǔ)RC濾波的不足。其基本計算機(jī)公式為 y (n) =βx (n) + (1－β) y (n－1) (1) 式中，x (n)是本次采樣值；y (n)、y (n－1)是本次、上次濾波輸出值；β是濾波系數(shù)。
        不同的采樣參數(shù)和不同的干擾成分，濾波系數(shù)β的取值不同。β值的選擇非常重要，通常β的取值范圍為0~1，一般取0.75左右。
        b、遞推平均值濾波法：這種濾波法是在采樣信號值出現(xiàn)頻繁的振蕩時，此時用遞推平均值濾波的方法可予以平滑。其基本的計算機(jī)公式為: 式中，y（k）是第k次N項的遞推平均值；y(k－i)是往前遞推第i項的測量值；N是遞推平均的項數(shù)。 N值的選擇，對采樣平均值的平滑程度與反應(yīng)靈敏度均有直接的關(guān)系。N選得過大，雖然平均效果較好，但占用機(jī)器時間長，并且對參數(shù)變化的反應(yīng)很不靈敏；N選得過小，效果不顯著，尤其對脈沖性干擾。N究竟取得多大，要視系統(tǒng)實際的采樣參數(shù)和生產(chǎn)情況而定。一般情況下，流量：N=12；壓力：N=4；溫度：N=1。
        c.、限幅濾波法：這種濾波法是，在工業(yè)現(xiàn)場采樣，由那些大的隨機(jī)干擾或由變送器可靠性欠佳所造成的失真，都將引起輸入信號的大幅度跳碼，從而造成計算機(jī)系統(tǒng)的誤動作。在這種情況下，一般可用這種限幅濾波法來抗干擾。
        2、輸出限幅
        在控制回路中，由于有干擾信號的串入，可能出現(xiàn)輸出信號大幅度變化或產(chǎn)生小的振蕩。為使系統(tǒng)在非特殊的情況下能夠正常穩(wěn)定地輸出，以保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全，必須設(shè)置輸出限幅環(huán)節(jié)。一旦輸出達(dá)到或超過限定值時，則應(yīng)使送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號受到箝位。
        3、計算機(jī)將沒有使用的內(nèi)存單元全部置成FFH
        當(dāng)發(fā)生飛程序時，若程序“飛”到置成FFH的單元，將執(zhí)行RST 38 H指令。若在0038 H單元中預(yù)先寫入一條轉(zhuǎn)移指令，使它轉(zhuǎn)入用戶程序的入口，就不會造成“死機(jī)”現(xiàn)象了。
        4、對不使用的中斷方式的處理
        對不使用的中斷方式的I/O入口，全部寫成轉(zhuǎn)到用戶程序，也是防止出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象的一種措施。
        系統(tǒng)軟件中的通信糾錯編碼
        還有一種抗干擾措施，就是系統(tǒng)軟件中的通信糾錯編碼。這種糾錯編碼的目的是，保證系統(tǒng)的正確性。在大部分的系統(tǒng)中，設(shè)備的通道是單向的，為保證各命令碼不丟失，采用自動回詢重傳是不現(xiàn)實的，只能將可靠性保證措施的重點，放在通信碼的糾錯上下功夫。
        通常采用的通信碼糾錯編碼的方法，分為兩類：
        1、冗余碼通信
        冗余碼通信是將每個碼多次發(fā)送，接收端進(jìn)行軟件判決，取多數(shù)的辦法來實現(xiàn)。通常用的是三中取二的方法，具體是分，按字節(jié)和按位兩種方法發(fā)送和判決。采用此冗余碼通信方法的缺點是，占用信道時間長，不能糾一個以上的錯。而控制系統(tǒng)的信道往往很少，過多地占用信道時間，因而會影響系統(tǒng)的實時性。
        2、糾錯編碼通信
        一般，在保證系統(tǒng)實時性的情況下，根據(jù)信道的特點，可選擇適當(dāng)?shù)拇a型進(jìn)行編碼和解碼，常用的有：漢明碼、對偶碼、循環(huán)碼、BCH碼、卷積碼等。有關(guān)這些知識已超出了本文的內(nèi)容，讀者可以根據(jù)具體情況查找有關(guān)資料選擇一個合適的碼型。
        結(jié)語
        由上述介紹可以知道，要設(shè)計好一個安防監(jiān)控系統(tǒng)中的微機(jī)控制系統(tǒng)，必須注意來自各方面的干擾，并在軟、硬件方面采取相應(yīng)對策的抗干擾措施。本文介紹的常見的干擾與抗干擾的方法，可供借鑒參考。尤其當(dāng)前安防監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)備趨向嵌入式的熱潮時，因此本文的撰寫發(fā)表可以說是適時的。