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安防知識：視頻監(jiān)控微機控制系統(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。如何合理地設計安防監(jiān)控系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)工作的可靠性，是微機控制系統(tǒng)設計的重要組成部分。本文按干擾源的分類，介紹可能進入微機控制系統(tǒng)中的各種干擾的來源，以及應相應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。如何合理地設計安防監(jiān)控系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)工作的可靠性，是微機控制系統(tǒng)設計的重要組成部分。所以，一個完善的微機控制系統(tǒng)不僅要求要實時準確，而且要可靠穩(wěn)定，否則只能停留于實驗室階段，無法應用到現(xiàn)場，而失去實用價值。
        由此，在設計安防監(jiān)控系統(tǒng)考慮微機控制系統(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入系統(tǒng)。下面按干擾源的分類，介紹可能進入微機控制系統(tǒng)中的各種干擾的來源，以及應相應采取的硬件與軟件的抗干擾措施。
        微機控制系統(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（如電臺）、雷達、大功率電器等。它們通過空間電磁波在引線、電源線中感應干擾信號。我們常見的示波器、電視機、計算機等也會產生此種干擾信號。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，采用高導磁系數(shù)可以防止磁感應。
        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、選用高導磁材料做磁芯組成C型變壓器，線組采用對稱線包結構，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、受控設備等外設相連，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)各部分進行隔離；
        2、布線時高頻信號盡可能遠離信號線，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載，盡量采用標準電纜和雙絞線傳輸。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、選擇合理的波形進行傳輸；
        5、信號線不與動力線平行敷設，使信號線免受強磁場的干擾；
        6、輸入與輸出線均采用穿管敷設的方式；
        7、線路在敷設過程中盡量避開上、下水及通風等金屬管道；
        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，則在各接地間會產生電位差，從而影響輸入電平的變化。這可根據(jù)需要，進行單點和多點接地，也可進行地線隔離。
        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)絡中，是中性點直接接地，按規(guī)程往往還要進行重復接地，這樣能大大地消除由于各相間不平衡負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部的熱噪聲干擾，總線競爭干擾等。一般，可采用高質量元件和合理的電路設計來解決。
        高可靠性的自動復位電路
        CPU的復位是系統(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，一般設有自動復位電路，以恢復其正常工作。
        微機控制系統(tǒng)中軟件的抗干擾措施
        在抗干擾中，要發(fā)揮微機軟件的作用。要在應用軟件中采取修正、補償和濾波，要和硬件方面的抗干擾措施相互補充、結合、形成強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。因為軟件抗干擾不需增加設備，只需在程序上作相應的處理即可。
        電視監(jiān)視的控制系統(tǒng)與微機系統(tǒng)軟件的一個重要差別，就是其軟件的抗干擾設計。它設計的具體方法有：
        程序對硬件設備的檢查
        程序對硬件設備的檢查方法類似微機中的上電自檢，它用以確保以后程序運行的環(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：對單個設備來說，主要是利用CPU的高可靠性來存貯整個設備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備的高可靠性，存貯整個系統(tǒng)設備的工作情況，并定時通過通信線刷新系統(tǒng)設備，從而確保這些設備在受干擾后，能保證恢復正常的工作狀態(tài)。采用此方法時，如能與下面的自動復位措施相配合，效果會更加顯著。
        自動復位措施
        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，能恢復到正常的工作狀態(tài)，通常采用下面兩種手段進行保證。
        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不能進行工作，因而產生了下面的一種自動復位手段。
        2、自動復位
        自動復位方法的原理是，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，在某一口線上產生一定周期和脈寬的信號，將此脈沖送給復位檢測電路。一旦CPU工作異常，此時檢測電路就向CPU發(fā)出復位信號，以重新啟動設備工作。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位計數(shù)器，而一旦此復位信號消失，則計數(shù)器便溢出產生一信號復位CPU。
        在大部分的設備中，復位監(jiān)視程序僅提供一個周期信號是不夠的，因為CPU一旦復位，將破壞所有狀態(tài)，這樣的設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行：即CPU在復位時，不影響其內部RAM的內容。因此，利用內部RAM的這個特點，可在上電復位后，在RAM中設一上電后的標志。根據(jù)此標志，CPU便可判定是上電復位，還是受干擾后自動復位了。并且，將程序分段執(zhí)行，進入一個段便在RAM中作一標記，設備各I/O口的狀態(tài)也存在RAM中，這樣一旦自動復位后，便可將上述信息寫到I/O口，以保證設備狀態(tài)的連續(xù)，同時進行原程序段執(zhí)行，從而保證了程序運行的連續(xù)性。采用此方法后，保證了自動復位過程對用戶的透明，提高了設備的穩(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RC濾波的不足。其基本計算機公式為 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靈敏度均有直接的關系。N選得過大，雖然平均效果較好，但占用機器時間長，并且對參數(shù)變化的反應很不靈敏；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，以保護執(zhí)行機構的安全，必須設置輸出限幅環(huán)節(jié)。一旦輸出達到或超過限定值時，則應使送往執(zhí)行機構的信號受到箝位。
        3、計算機將沒有使用的內存單元全部置成FFH
        當發(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單元中預先寫入一條轉移指令，使它轉入用戶程序的入口，就不會造成“死機”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，全部寫成轉到用戶程序，也是防止出現(xiàn)“死機”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?shù)拇a型進行編碼和解碼，常用的有：漢明碼、對偶碼、循環(huán)碼、BCH碼、卷積碼等。有關這些知識已超出了本文的內容，讀者可以根據(jù)具體情況查找有關資料選擇一個合適的碼型。
        結語
        由上述介紹可以知道，要設計好一個安防監(jiān)控系統(tǒng)中的微機控制系統(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。尤其當前安防監(jiān)控系統(tǒng)中的設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。