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)，為解決這一問題開辟了新的途徑，采用CPLD實現(xiàn)濾波是一種高效可靠的方法。介紹了利用MAX+PLUSⅡ?qū)PLD編程來實現(xiàn)對傳感器和按鍵信號濾波和抗干擾。該方法已在產(chǎn)品開發(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
單片機應(yīng)用系統(tǒng)的輸入信號常含有種種噪聲和干擾，它們來自被測信號源、傳感器、外界干擾源等。為了提高測量和控制精度，必須消除信號中的噪聲和干擾。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，可有效地消除其對信號的影響。后者為隨機信號，它不是周期信號，可用數(shù)字濾波方法予以消弱或濾除。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序來減少干擾信號在有用信號中的比重，故實際上它是一種軟件濾波。硬件濾波具有效率高的優(yōu)點，但要增加系統(tǒng)的投資和設(shè)備的體積，當干擾的性質(zhì)改變時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，并且可以對頻率很低的信號實行濾波，隨著干擾的性質(zhì)改變只需修改軟件即可，具有靈活、方便、功能強的優(yōu)點，但要占用系統(tǒng)資源、降低系統(tǒng)的工作效率。一個傳統(tǒng)的實際系統(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)缺點之間尋找一個平衡點。
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與單片機進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)等隔離器件對開關(guān)量進行隔離。
軟件抗干擾主要利用干擾信號多呈毛刺狀、作用時間短等特點。因此，在采集某一狀態(tài)信號時，可多次重復(fù)采集，直到連續(xù)兩次或多次采集結(jié)果完全一致時才視為有效。若多次采集后，信號總是變化不定，可停止采集，給出報警信號。如果狀態(tài)信號是來自各類開關(guān)型狀態(tài)傳感器，對這些信號采集不能用多次平均方法，必須完全一致才行。在滿足實時性要求的前提下，如果在各次采集狀態(tài)信號之間增加一段延時，效果會更好，能對抗較寬的干擾。對于每次采集的最高次數(shù)限額和連續(xù)相同次數(shù)均可按實際情況適當調(diào)整。對于擾亂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實現(xiàn)數(shù)字濾波及抗干擾
這里介紹的采用CPLD實現(xiàn)信號濾波及抗干擾的方法已經(jīng)在智能儀器泵沖測量儀的開發(fā)中得到驗證。下面就如何采用CPLD對系統(tǒng)的四路外部傳感器脈沖信號和四路按鍵信號實現(xiàn)濾波、鎖存、中斷申請等功能進行闡述。
2.1 傳感器信號濾波
由于要對傳感器信號進行數(shù)字濾波，CPLD要引入時鐘信號。因而我們對CPLD定義一輸入端clki，作為數(shù)字濾波器的計數(shù)脈沖輸入端。clki由單片機定時器1定時產(chǎn)生500Hz脈沖。以一路為例，泵沖信號濾波部分如圖1所示。
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oo0為經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后接近開關(guān)輸出的信號。當oo0為低電平時，說明泵1未動作，封鎖三端與門，時鐘信號clki無法通過，計數(shù)器bcn3n不計數(shù)。同理，當aa4為高電平時，亦封鎖三端與門(至于aa4如何變化及作用下文有介紹)。故當oo0為高、aa4為低時，clki接通計數(shù)器CLK端。當oo0和clr端任意一個為低時，計數(shù)器清零。計數(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]等于計數(shù)器當前的計數(shù)值。aa4就是aa[4..0]的最高位，當計數(shù)值達到10H(十六進制)時，即aa4為高電平時，三端與門封鎖，計數(shù)器保持10H不變，除非有清零信號。其波形如圖2所示。
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由波形可知，oo0為高，計數(shù)器開始計數(shù)。對于小的脈沖，計數(shù)器的最高位即aa4為低，認為是干擾信號;只有當aa4為“1”時才認為oo0的脈沖信號有效，并通過aa4將時鐘脈沖阻斷，使計數(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，后面無法進行處理。還應(yīng)注意的是，把oo0引入了清零信號。當信號有較多毛刺時，若oo0為低時不清零則使計數(shù)器不斷累加，積累到一定程度，使aa4為1，系統(tǒng)將認為有一有效脈沖信號，產(chǎn)生誤動作。
2.2 中斷申請信號產(chǎn)生
中斷申請信號由圖3電路生成。
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圖中四個計數(shù)器的最高位接四端或門，只要有一路信號為高，或門輸出就為高，并經(jīng)過非門，輸出低電平，接于D觸發(fā)器的時鐘端。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信號有效時，D觸發(fā)器清零，Q=“0”。其波形如圖4所示。
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只要有一路信號為高，D觸發(fā)器時鐘端為低。當所有4路都為低時，時鐘端由低變高，在上升沿，Q變?yōu)椤?”，發(fā)出中斷請求信號。
如果多路脈沖信號有重疊，例如有兩路信號發(fā)生重疊，而中斷信號只有在四路都為低時才會產(chǎn)生，因此需要對信號進行鎖存。本設(shè)計采用D觸發(fā)器來實現(xiàn)鎖存，電路如圖5所示。
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當aa4為由低變高時，a4變?yōu)楦唠娖?。由clr信號清零。
2.3 按鍵消抖及數(shù)據(jù)輸出
按鍵的消抖也通過計數(shù)器來實現(xiàn)，電路原理圖如圖6所示。
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按鍵未按下時為高電平，封鎖時鐘信號。按鍵按下時，計數(shù)器開始計數(shù)。當計數(shù)器輸出最高位為“1”時，亦封鎖時鐘信號，防止按鍵時間不定使需要的k14信號不定。當按鍵信號為高電平時，對計數(shù)器清零，防止計數(shù)器累加干擾信號而造成誤動作。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
若單片機發(fā)出讀81XXH地址中數(shù)的信號，則選通此373，讀出其數(shù)。
以上介紹了采用CPLD實現(xiàn)數(shù)字濾波及抗干擾。該設(shè)計已在產(chǎn)品開發(fā)中成功應(yīng)用，效果良好，達到了預(yù)期的目的。前面我們已經(jīng)提到，一個傳統(tǒng)的設(shè)計，往往在軟件濾波和硬件濾波兩者的優(yōu)缺點之間尋找一個平衡點。用我們通常的成語來講，這樣做可以說是揚長避短或取長補短。一直以來，我們都把這兩個成語看成是褒義的，不過細細品味一下其中的韻味似乎并不完全是好的代表:發(fā)揚長處固然值得稱道，但回避短處未必是解決問題的最佳途徑，畢竟回避并不能解決問題的本質(zhì)，哪怕是取其長處來彌補短處，也不是長遠出路。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)點兼而有之，同時將它們的缺點摒棄，從而達到揚長去短的目的。用CPLD實現(xiàn)濾波只占用較少的資源，故可用其實現(xiàn)其它數(shù)字電路，同時實現(xiàn)濾波。
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參考文獻
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2 David R.Coelho.The VHDL Handbook.Vantage Analysis Systems INC，1993
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4 宋俊德.可編程邏輯器件(PLD)原理與應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社，1994
5 何立民.MCS—51單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.北京:北京航空航天大學出版社，1990