一種軟件消除瞬時干擾的的方法詳解

一、引言

近一、二十年來，單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各種測控系統(tǒng)中。但是單片機(jī)系統(tǒng)的輸入信號總是存在著不同形式和程度的噪聲和干擾，這給準(zhǔn)確測控帶來了一定的難度。采用濾波電路是削弱和消除這些干擾信號的方法之一。對于大多數(shù)高頻干擾信號，硬件濾波的方法能起到很好的作用。但對于一些特殊的干擾信號，采用硬件電路濾波則效果不大。其中有一類干擾具有以下形式：干擾的幅值與實(shí)際采樣信號的幅值相差不大，甚至大于采樣信號的幅值;干擾只出現(xiàn)在實(shí)際信號工作之前或之后，在系統(tǒng)真正工作時并不與采樣信號產(chǎn)生疊加;干擾的作用時間比系統(tǒng)實(shí)際所需信號的作用時間小得多（至少相差一個數(shù)量級）。此類干擾不同于一般的高頻干擾，利用硬件方法難以消除。針對這種干擾，我們在設(shè)計(jì)生鐵團(tuán)礦壓力實(shí)驗(yàn)儀中采用了一種軟件方法，來消除它的影響。這種方法借助單片機(jī)中的定時/計(jì)數(shù)器，對采集到信號的作用時間進(jìn)行計(jì)量、比較，利用干擾信號和實(shí)際信號作用時間相差特別大的特征，來區(qū)分干擾信號和實(shí)際信號。下面是這種方法的原理和程序編制及其在智能壓力實(shí)驗(yàn)儀上的實(shí)際應(yīng)用。

二、原理

在金屬抗拉、抗壓強(qiáng)度和生鐵團(tuán)礦破碎壓力測量等實(shí)驗(yàn)中，要求實(shí)驗(yàn)儀器能準(zhǔn)確測量出被采樣信號的最大值。由于單片機(jī)價(jià)格低廉，動作可靠，因此這些實(shí)驗(yàn)儀器常選用單片機(jī)進(jìn)行控制。在理想無干擾的狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)過程中這些被采樣信號的時域曲線有一個共同的特點(diǎn)：在到達(dá)最大值之前，曲線呈單調(diào)遞增趨勢，而在最大值之后，信號呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢，且遞減速率比上升速率大得多。例如，在理想狀態(tài)下45鋼抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，試棒所受拉力的時域曲線如圖1所示。但是，在這些實(shí)驗(yàn)中，不可避免地會存在各種形式的干擾。45#鋼在有瞬時干擾情況下拉力時域曲線如圖2所示。干擾的存在給這些實(shí)驗(yàn)儀器的研制帶來了很大的技術(shù)困難。

根據(jù)金屬抗拉、抗壓強(qiáng)度和生鐵團(tuán)礦破碎壓力在測試過程中時域曲線變化特征，利用89C51單片機(jī)中的定時/計(jì)數(shù)器，結(jié)合相應(yīng)的的軟件處理，可消除采樣過程中的瞬時干擾，準(zhǔn)確測量出金屬的抗拉、抗壓強(qiáng)度和生鐵團(tuán)礦破碎時的壓力最大值。

圖1 45#鋼無干擾狀態(tài)拉力時域曲線

圖2 45#鋼在瞬時干擾下的拉力時域曲線

在89C51單片機(jī)中有兩個可編程的定時/計(jì)數(shù)器―定時/計(jì)數(shù)器0與定時/計(jì)數(shù)器1（8032/8052還有定時/計(jì)數(shù)器2），可由程序選擇作為定時器用或作為計(jì)數(shù)器用，定時時間或計(jì)數(shù)值由程序設(shè)定。定時/計(jì)數(shù)器的核心是一個十六位的加法計(jì)數(shù)器，當(dāng)作定時器用時，加法計(jì)數(shù)器對內(nèi)部機(jī)器周期脈沖計(jì)數(shù)。在定時器的工作過程中，加法計(jì)數(shù)器的內(nèi)容是可讀回CPU的。借助單片機(jī)中定時/計(jì)數(shù)器的這些特點(diǎn)來編制消除瞬時干擾的程序。

軟件具體編制方法如下：把定時/計(jì)數(shù)器選作定時器用，設(shè)置好工作方式，在程序運(yùn)行過程中不產(chǎn)生中段請求信號，選擇內(nèi)存中的某一單元（例如R0），在其中設(shè)一初始值（如果初始值大于255，則需要兩個內(nèi)存單元），使得此初始值對應(yīng)的機(jī)器周期的時間比干擾信號的作用時間長，而比實(shí)際所需采樣信號的作用時間短（由于干擾信號與實(shí)際所需信號作用時間存在很大的差異，做到這一點(diǎn)并不困難）。由CPU對A/D輸入信號進(jìn)行處理，當(dāng)檢測到被采樣信號有上升趨勢時啟動定時器，并將定時器的初值設(shè)為0，在被采樣信號到達(dá)最大值時，讀回定時器中十六位計(jì)數(shù)器的值，以之與R0初始值比較。若比初始值小，說明采集到的是干擾信號的幅值，應(yīng)該舍去，并給計(jì)數(shù)器清零，重新返回采樣;若比初始值大，則可確定此時采集到的為所需的測量值，可以存儲起來或者通過顯示、打印輸出。

由于十六位計(jì)數(shù)器最多只能計(jì)時216個機(jī)器周期，如果系統(tǒng)晶振為12MHz，則其最長計(jì)時時間為66.5毫秒，對于作用時間比較長的采樣系統(tǒng)就顯得不夠。由于實(shí)際信號作用時間長，當(dāng)采樣到最大值時加法計(jì)數(shù)器可能早已溢出，此時我們就不能確定計(jì)數(shù)器里的值與R0中所設(shè)初始值的大小了。為了解決這個問題，可對上述程序做些修改，具體如下：將定時器設(shè)為中斷工作方式，定時初值為0，R0中設(shè)初始值A(chǔ)，在檢測干擾信號時，由于干擾信號作用時間短，檢測到干擾信號幅值時計(jì)數(shù)器中的值小于R0中的初始值A(chǔ);而在檢測實(shí)際作用信號時，定時器會產(chǎn)生溢出。定時器溢出時向CPU發(fā)出中斷請求。在中斷程序中給定時器設(shè)立另一初值B，使B》A，中斷返回后計(jì)數(shù)器從B開始計(jì)數(shù)，當(dāng)測試到被測信號的最大值時，加法計(jì)數(shù)器中的值一定比初始值A(chǔ)大。因此我們就可以通過比較加法計(jì)數(shù)器中的值和R0中的初始值A(chǔ)來區(qū)分干擾信號和實(shí)際測量信號。

三、應(yīng)用實(shí)例

下面介紹這種設(shè)計(jì)思想在生鐵團(tuán)礦壓力實(shí)驗(yàn)儀中的應(yīng)用。

在高爐煉鐵中，鐵礦粉不能直接加入爐內(nèi)冶煉，而應(yīng)先制成球團(tuán)，稱為生鐵團(tuán)礦。為了保證生鐵團(tuán)礦在運(yùn)輸和裝爐過程中不至碎裂，必須測出其抗壓強(qiáng)度。團(tuán)礦壓力實(shí)驗(yàn)儀要求能準(zhǔn)確地測出生鐵團(tuán)礦的破碎壓力值，并顯示和打印出來。筆者設(shè)計(jì)的生鐵團(tuán)礦壓力實(shí)驗(yàn)儀中單片機(jī)采樣和控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，該實(shí)驗(yàn)儀的工作過程如下：團(tuán)礦放置在生鐵團(tuán)礦壓力實(shí)驗(yàn)儀的托盤上，電機(jī)正轉(zhuǎn)，托盤上升，球團(tuán)礦與傳感器接觸并受壓，傳感器壓力信號通過A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)，由單片機(jī)通過計(jì)算求出最大值。得到最大值后立即停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，顯示、打印破碎壓力值。然后電機(jī)反轉(zhuǎn)，托盤下降，進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。

圖3 壓力實(shí)驗(yàn)儀單片機(jī)系統(tǒng)框圖

在球團(tuán)礦壓力實(shí)驗(yàn)儀中，存在著電機(jī)頻繁地啟動與停止，在電機(jī)啟動與停止的瞬時，由于電路中存在能量的突變，產(chǎn)生了嚴(yán)重的電磁干擾，給采樣信號造成很大的影響，從而引起電機(jī)的誤動作。但干擾作用時間很短，一般為十幾微秒到幾十微秒，而球團(tuán)礦從受壓到破碎這一過程一般在10～50ms。此干擾不易為一般的RC濾波器所濾除。筆者使用上述軟件方法，基本上使此干擾得到控制。軟件的程序流程圖如圖4。

圖4 生鐵團(tuán)礦壓力實(shí)驗(yàn)儀單片機(jī)控制程序流程圖

對于采樣信號作用時間長的系統(tǒng)，則需要采用定時器的中斷工作方式。主程序的流程圖與圖4很類似，二者只是在定時器的初始化設(shè)置上有些不同。中斷程序的流程圖如圖5所示。

圖5 中斷程序流程圖

四、結(jié)語

本文介紹了一種軟件消除瞬時干擾的的方法。利用瞬時干擾比實(shí)際信號工作時間相差很大這個特點(diǎn)，借助單片機(jī)內(nèi)部的定時/計(jì)數(shù)器，通過編程來實(shí)現(xiàn)消除瞬時干擾的目的，思路新穎。利用這種方法，既避免了普通消除干擾方法中繁雜的硬件電路設(shè)計(jì)，又充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源。通過實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，此方法使瞬時干擾得到了很好的控制。