數(shù)字圖像處理系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)方案解析

隨著人類(lèi)文明的進(jìn)步和電子科技的快速發(fā)展，視頻通信作為人類(lèi)視野的延伸，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。應(yīng)運(yùn)而生的數(shù)字圖像處理技術(shù)也就得到了飛速地發(fā)展。目前，由于運(yùn)算速度快、片上資源豐富和能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的線性和非線性算法等原因，DSP已成為通信、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，其中在數(shù)字圖像處理技術(shù)中顯得尤為突出。然而，由于包括DSP本身在內(nèi)的所有電子器件都是干擾源，而且系統(tǒng)所處的工作環(huán)境中還有很多外界干擾源，再加上數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)信號(hào)噪聲非常敏感，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮系統(tǒng)的抗干擾問(wèn)題。否則，至少會(huì)影響系統(tǒng)的處理結(jié)果，甚至造成更為嚴(yán)重的后果。本文就是介紹基于DSP的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中的抗干擾設(shè)計(jì)。
　　1. 系統(tǒng)的干擾源和干擾徑
　　基于DSP的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中的干擾源主要有由光和電的基本性質(zhì)所引起的噪聲、電器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲、雷電放電造成的大氣噪聲源、太陽(yáng)黑子運(yùn)動(dòng)等造成的天電噪聲源、電阻等電子元器件工作時(shí)發(fā)熱造成的熱噪聲源、50Hz工頻電網(wǎng)造成的電網(wǎng)干擾源、汽車(chē)點(diǎn)火裝置造成的點(diǎn)火系統(tǒng)干擾源、無(wú)線通信系統(tǒng)造成的射頻干擾源以及一些人為惡意造成的干擾源等，所有干擾源中高頻脈沖噪聲對(duì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的危害最大。
　　以上提到的干擾源都屬于電磁干擾（EMI）。電磁學(xué)原理告訴我們：只要有電流存在就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，只要有電壓存在就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。磁場(chǎng)、電場(chǎng)隨時(shí)間變化的產(chǎn)生量的多少，就是電磁干擾的根本原因。電磁干擾的概念如圖1所示。
　　
　　基于DSP的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的干擾途徑主要有電源線、輸入／輸出線、接地線、電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)、電路的公共阻抗、電源異常等。各種干擾途徑在本系統(tǒng)中所占比例如表1所示。
　　
　　2. 抗干擾措施
　　根據(jù)對(duì)系統(tǒng)自身、干擾源和干擾途徑的分析，本系統(tǒng)抗干擾措施主要是：①提高系統(tǒng)自身的電磁兼容性；②隔離干擾源；③切斷干擾途徑等3種方案。基于此，本文提出了一些適用于本系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。
　　2.1 電磁兼容
　　電磁兼容性是指電力、電子、通訊設(shè)備或其系統(tǒng)在其設(shè)置的場(chǎng)所處于工作狀態(tài)時(shí)，不對(duì)其周?chē)a(chǎn)生影響，也不被其四周的電磁環(huán)境所影響，不產(chǎn)生誤動(dòng)作和性能降低，按設(shè)計(jì)獲得其工作能力。也就是說(shuō)，設(shè)備或系統(tǒng)不對(duì)外界產(chǎn)生干電磁干擾，而且不受所處環(huán)境中電磁干擾影響其的正常工作能力。
　　2.2 硬件抗干擾技術(shù)
　　硬件抗干擾具有效率高的特點(diǎn)，可將絕大多數(shù)干擾拒之門(mén)外，硬件抗干擾技術(shù)是設(shè)計(jì)時(shí)的首選，它能有效抑制干擾源，阻斷干擾通道。只要合理布置與選擇有關(guān)參數(shù)，適當(dāng)?shù)挠布垢蓴_措施就能抑制視頻通信系統(tǒng)的絕大部分干擾。常見(jiàn)的硬件抗干擾技術(shù)措施有：濾波（無(wú)源濾波和有源濾波）技術(shù)、去耦技術(shù)、隔離技術(shù)和接地技術(shù)等。
　　由于高頻脈沖噪聲對(duì)本系統(tǒng)危害最大，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，在系統(tǒng)中可采取以下措施：
　　（1） 增加總線的抗干擾能力。采用三態(tài)門(mén)形式的總線結(jié)構(gòu)，并給總線接上拉電阻，使總線在瞬間處于穩(wěn)定的高電平而避免總線出現(xiàn)懸空狀態(tài)?？偩€須加緩沖器。
　?。?） 提高系統(tǒng)控制信號(hào)抗干擾能力。在系統(tǒng)中通常有RESET、STB等控制線，當(dāng)CPU與其控制器件的傳輸距離較遠(yuǎn)且控制線阻抗較高時(shí)，就容易受到脈沖噪聲干擾。可在被控制器件的輸入端并聯(lián)一只20pF的電容，并且在RESET等控制信號(hào)線并聯(lián)一只0.01μF電容。給控制線加一級(jí)緩沖器，使控制線的阻抗變低，也有助于抑制干擾。
　?。?） 抑制數(shù)字信號(hào)的串模干擾。這種串模干擾是相鄰信號(hào)線在傳輸信號(hào)過(guò)程中引起的干擾，大多發(fā)生在印制板平行導(dǎo)線上。串模干擾的強(qiáng)弱與相鄰兩信號(hào)線之間的耦合阻抗和信號(hào)本身的阻抗有關(guān)。因此，在本系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)：盡量縮短信號(hào)線的長(zhǎng)度；傳輸多種電平信號(hào)時(shí)，盡量把前、后沿時(shí)間相近的電平信號(hào)劃為一組傳輸；在雙面印制板的背面布置較大面積的地線區(qū)域可對(duì)部件產(chǎn)生的高頻脈沖噪聲起到吸收和屏蔽的作用。
　?。?） 利用電磁干擾濾波器（EMI Filter）消除電源干擾。隨著電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)和家用電器的大量涌現(xiàn)與廣泛普及，電網(wǎng)干擾正曰益嚴(yán)重并形成一種公害。特別是瞬態(tài)電磁干擾，其電壓幅度高（幾百伏至上千伏）、上升速率塊、持續(xù)時(shí)間短、隨機(jī)性強(qiáng)，容易使數(shù)字電路產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，甚至損害設(shè)備。電磁干擾濾波器亦稱電源噪聲濾波器（PNF），它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性。電磁干擾濾波器在系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖2所示。
　　
　?。?） 利用硬件看門(mén)狗功能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。由專用芯片MAX692構(gòu)成的看門(mén)狗電路如圖3所示，系統(tǒng)所用外圍元件少。MAX692是微系統(tǒng)監(jiān)控電路芯片，具有后備電池切換、掉電判別、看門(mén)狗監(jiān)控等功能。其中WDI是看門(mén)狗檢測(cè)輸入端，接到DSP的一個(gè)專用I／O口或一個(gè)總線口上。是復(fù)位信號(hào)輸出端，接DSP的復(fù)位端。MAX692的WDI定時(shí)周期為1.6s，復(fù)位脈沖寬度是200ms。如果WDI保持高或低超過(guò)“看門(mén)狗”定時(shí)周期（1.6s），端將發(fā)生200ms寬（最小140ms）的負(fù)脈沖使DSP復(fù)位。