摘? 要: 濾波和抗干擾是任何智能儀器系統(tǒng)都必須考慮的問(wèn)題,。在傳統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)中,，濾波部分往往要占用較多的軟件資源和硬件資源,。復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的出現(xiàn),，為解決這一問(wèn)題開(kāi)辟了新的途徑,，采用CPLD實(shí)現(xiàn)濾波是一種高效可靠的方法,。介紹了利用MAX+PLUSⅡ?qū)PLD編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器和按鍵信號(hào)濾波和抗干擾,。該方法已在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中獲得了成功應(yīng)用,。
關(guān)鍵詞: 復(fù)雜可編程邏輯器件? 濾波? 抗干擾
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1 濾波和抗干擾概述
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(lái)自被測(cè)信號(hào)源,、傳感器、外界干擾源等,。為了提高測(cè)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(duì)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)字濾波方法予以消弱或?yàn)V除,。所謂數(shù)字濾波,，就是通過(guò)一定的計(jì)算或判斷程序來(lái)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(duì)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(duì)開(kāi)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(lái)自各類開(kāi)關(guān)型狀態(tài)傳感器，對(duì)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(duì)抗較寬的干擾,。對(duì)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(duì)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(cè)量?jī)x的開(kāi)發(fā)中得到驗(yàn)證。下面就如何采用CPLD對(duì)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(qǐng)等功能進(jìn)行闡述。
2.1 傳感器信號(hào)濾波
由于要對(duì)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(duì)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,。
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oo0為經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后接近開(kāi)關(guān)輸出的信號(hào),。當(dāng)oo0為低電平時(shí)，說(shuō)明泵1未動(dòng)作,，封鎖三端與門(mén),，時(shí)鐘信號(hào)clki無(wú)法通過(guò)，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(mén)(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:
SUBDESIGN bcn3n
(?? clk: INPUT；
?????? q[4..0]: OUTPUT,；)
VARIABLE
?????? count[4..0]
BEGIN
?????? count[].clk=clk
?????? count[]=count[]+1
?????? q[]=count[]
END
其輸出aa[4..0]等于計(jì)數(shù)器當(dāng)前的計(jì)數(shù)值,。aa4就是aa[4..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(mén)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,。
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由波形可知，oo0為高,，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),。對(duì)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(guò)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(wú)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(qǐng)信號(hào)產(chǎn)生
中斷申請(qǐng)信號(hào)由圖3電路生成,。
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圖中四個(gè)計(jì)數(shù)器的最高位接四端或門(mén),，只要有一路信號(hào)為高，或門(mén)輸出就為高,，并經(jīng)過(guò)非門(mén),，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,。
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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)椤?”,，發(fā)出中斷請(qǐng)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(duì)信號(hào)進(jìn)行鎖存。本設(shè)計(jì)采用D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖存,，電路如圖5所示,。
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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(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路原理圖如圖6所示,。
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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(kāi)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(duì)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,。
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它采用文本編輯，具體如下:
SUBDESIGN bcn5n1
(
a15,，a11,，a10，a9,，a8,，wr，rd?????? : INPUT,；?????
en373????? : OUTPUT,；
)
BEGIN
en373=!(a15&!a11&!a10&!a9&a8&wr&!rd)
END
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(kāi)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(yǔ)來(lái)講,，這樣做可以說(shuō)是揚(yáng)長(zhǎng)避短或取長(zhǎng)補(bǔ)短,。一直以來(lái)，我們都把這兩個(gè)成語(yǔ)看成是褒義的,，不過(guò)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(zhǎng)處固然值得稱道,，但回避短處未必是解決問(wèn)題的最佳途徑，畢竟回避并不能解決問(wèn)題的本質(zhì),，哪怕是取其長(zhǎng)處來(lái)彌補(bǔ)短處,，也不是長(zhǎng)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(zhǎng)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,。
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參考文獻(xiàn)
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