安防知识：视频监控微机控制系统中的干扰与抗干扰

        现代信息社会与现代化工业的发展，安防监控系统往往都工作在较恶劣的环境中。如何合理地设计安防监控系统，以保证系统工作的可靠性，是微机控制系统设计的重要组成部分。本文按干扰源的分类，介绍可能进入微机控制系统中的各种干扰的来源，以及应相应采取的硬件与软件的抗干扰措施。
        现代信息社会与现代化工业的发展，由于对电子设备的电磁兼容性注意得不够，使得电磁辐射到处弥漫，因此安防监控系统往往都工作在较恶劣的环境中。如何合理地设计安防监控系统，以保证系统工作的可靠性，是微机控制系统设计的重要组成部分。所以，一个完善的微机控制系统不仅要求要实时准确，而且要可靠稳定，否则只能停留于实验室阶段，无法应用到现场，而失去实用价值。
        由此，在设计安防监控系统考虑微机控制系统中抗干扰的各种方案时，首先是要抓住主要的干扰源，以尽量削减其能量和峰值，然后阻止其剩余部分进入系统。下面按干扰源的分类，介绍可能进入微机控制系统中的各种干扰的来源，以及应相应采取的硬件与软件的抗干扰措施。
        微机控制系统中干扰的来源及硬件的抗干扰措施
        空间辐射干扰
        这种干扰主要来自大功率发射机（如电台）、雷达、大功率电器等。它们通过空间电磁波在引线、电源线中感应干扰信号。我们常见的示波器、电视机、计算机等也会产生此种干扰信号。对付此种干扰的办法是屏蔽。屏蔽的种类和作用如下：
        1、静电屏蔽（法拉第屏蔽）：即接地屏蔽，用来防止高频电磁场的影响；
        2、电磁屏蔽：用来防止电磁场影响；
        3、磁屏蔽：主要用于防低频电磁场的影响，采用高导磁系数可以防止磁感应。
        屏蔽的接地有两种：
        4、与信号地浮悬而接大地。它主要用于弱信号的处理（比如数据采集）；
        5、与信号地连接。主要用于一般系统。
        电源电压的脉冲干扰
        一般，电源电压的缓慢变化和不稳定性，可以通过交流稳压器和直流稳压器加以抑制，但它们对电源的脉动变化是无能为力的。这种脉动变化一般来源于大功率负载的启停、雷击等。
        通常，抑制这种电源干扰的手段有：
        1、采用交流稳压器或UPS不间断电源供电；
        2、选用高导磁材料做磁芯组成C型变压器，线组采用对称线包结构，初次级间加屏蔽；
        3、变压器初级加压阻电阻和噪声滤波器；
        4、分散独立供电，以减少公共电源的相互影响；
        5、采用不同相序供电，以减少相互的影响；
        6、采用开关电源和无感电源；
        7、采用隔离变压器等。
        I/O口线的干扰
        通常，由于I/O口线直接与检测信号、受控设备等外设相连，因此它也是干扰的主要渠道之一。
        对付这种干扰的主要办法有：
        1、使用光电隔离（对数字信号）和隔离放大器（对模拟量）对系统各部分进行隔离；
        2、布线时高频信号尽可能远离信号线，中间加地线屏蔽；
        3、电源线和信号线分开；
        4、任何I/O线及电源线要尽量短，并且远离线圈和变压器；
        5、不同的地要采取隔离措施；
        6、对输入信号采用RC滤波器，使干扰信号有很大的衰减（尤其对高频干扰的抑制）。
        I/O信号传输线路的干扰
        当I/O信号必须采用长线传输时，长线上就有共模干扰或感应噪声电压。对付这种干扰的办法有：
        1、提高信号电平值或改变信号传送方式。一般，电流传送优于电压传送，数字信号传输优于模拟信号传输；
        2、选择合理的传输线和负载，尽量采用标准电缆和双绞线传输。因为它们有抗干扰作用，并且还要注意，在传输线路加入阻抗匹配和滤波电路；
        3、设计合理的接口电路，最好采用隔离传输的办法；
        4、选择合理的波形进行传输；
        5、信号线不与动力线平行敷设，使信号线免受强磁场的干扰；
        6、输入与输出线均采用穿管敷设的方式；
        7、线路在敷设过程中尽量避开上、下水及通风等金属管道；
        8、由于电话线在接地和防雷等措施上较为成熟，因而可利用电话线传输。
        地线干扰
        由于存在地电流，则在各接地间会产生电位差，从而影响输入电平的变化。这可根据需要，进行单点和多点接地，也可进行地线隔离。
        接地方式一般有混合接地系统、交直流分开接地系统、一点接地系统及悬浮接地系统等。此外，在三相四线制的配电网络中，是中性点直接接地，按规程往往还要进行重复接地，这样能大大地消除由于各相间不平衡负载引起的中性线上的电流和漏电流，以及由这种电流所引起的中性点电位的漂移。显然，可设专用接地极，并在电源的馈线上增加一条中性线。对这种接地方式，只要选好专用接地极电阻（不得大于4Ω）就可以达到一定的效果。
        一般地线要粗，数模分开。数字地干扰大，需建立一点公共地，各部分地分开走线。
        其它干扰
        其它的干扰还有元件内部的热噪声干扰，总线竞争干扰等。一般，可采用高质量元件和合理的电路设计来解决。
        高可靠性的自动复位电路
        CPU的复位是系统正常工作的前提，要注意其可靠性。为防止CPU受干扰后不能正常工作，一般设有自动复位电路，以恢复其正常工作。
        微机控制系统中软件的抗干扰措施
        在抗干扰中，要发挥微机软件的作用。要在应用软件中采取修正、补偿和滤波，要和硬件方面的抗干扰措施相互补充、结合、形成强有力的双重抗干扰措施。软件方面的措施有时非常有效，而且往往简单、并修改容易和经济。因为软件抗干扰不需增加设备，只需在程序上作相应的处理即可。
        电视监视的控制系统与微机系统软件的一个重要差别，就是其软件的抗干扰设计。它设计的具体方法有：
        程序对硬件设备的检查
        程序对硬件设备的检查方法类似微机中的上电自检，它用以确保以后程序运行的环境正确。一般，自检出错时要报警，以便操作人员及时了解情况和处理故障。
        软件的冗余抗干扰
        软件的冗余抗干扰方法有两层意思：对单个设备来说，主要是利用CPU的高可靠性来存贮整个设备I/O口的信息，并定时用此信息刷新I/O口，从而确保I/O口在受干扰后，能及时恢复正常；对整个系统来说，可利用主控制器等工作条件较好的设备的高可靠性，存贮整个系统设备的工作情况，并定时通过通信线刷新系统设备，从而确保这些设备在受干扰后，能保证恢复正常的工作状态。采用此方法时，如能与下面的自动复位措施相配合，效果会更加显著。
        自动复位措施
        程序的执行本身是封闭的，但是因CPU总线、程序存贮器受到干扰后，会影响程序的正常执行。为了保证程序在受到干扰后，能恢复到正常的工作状态，通常采用下面两种手段进行保证。
        1、合理分配程序空间
        合理分配程序空间是，在未利用的地方加上跳转指令，保证程序可以跳回到正常的程序。但此方法的前提是，CPU要处于正常的工作状态才行，但有些时候干扰会损坏CPU工作条件，而使CPU不能进行工作，因而产生了下面的一种自动复位手段。
        2、自动复位
        自动复位方法的原理是，在程序循环体中安排一监视程序，也就是在程序正常执行时，在某一口线上产生一定周期和脉宽的信号，将此脉冲送给复位检测电路。一旦CPU工作异常，此时检测电路就向CPU发出复位信号，以重新启动设备工作。检测电路一般有两种工作方式：
        a、恒定电平检测法：它利用可再触发式单稳电路进行，利用上述信号不断触发单稳电路，以保证正常的输出，而一旦此触发电路失去，单稳电路便会给出复位信号。
        b、定时器检测法：它利用一振荡器脉冲计数，CPU给出的周期信号用来复位计数器，而一旦此复位信号消失，则计数器便溢出产生一信号复位CPU。
        在大部分的设备中，复位监视程序仅提供一个周期信号是不够的，因为CPU一旦复位，将破坏所有状态，这样的设备对用户来说就不可靠了。为了保证上述过程对用户透明，一般采用下述方法进行：即CPU在复位时，不影响其内部RAM的内容。因此，利用内部RAM的这个特点，可在上电复位后，在RAM中设一上电后的标志。根据此标志，CPU便可判定是上电复位，还是受干扰后自动复位了。并且，将程序分段执行，进入一个段便在RAM中作一标记，设备各I/O口的状态也存在RAM中，这样一旦自动复位后，便可将上述信息写到I/O口，以保证设备状态的连续，同时进行原程序段执行，从而保证了程序运行的连续性。采用此方法后，保证了自动复位过程对用户的透明，提高了设备的稳定性和可靠性。
        其它软件抗干扰
        1、数字滤波
        这种滤波是，滤去采样过程中由于干扰而叠加于采样值之上的成分。由于各种参数的干扰成分不同，所以滤去这些干扰成分的方式也不同。通常在使用中，可根据情况选用以下几种数字滤波方法：
        a、一阶惯性滤波法：一阶惯性滤波是一种动态滤波法，实践证明，它是一种比较有效的滤波法，尤其对于低频干扰分量和一些周期性、脉冲性的干扰，有很好的效果，可以弥补RC滤波的不足。其基本计算机公式为 y (n) =βx (n) + (1－β) y (n－1) (1) 式中，x (n)是本次采样值；y (n)、y (n－1)是本次、上次滤波输出值；β是滤波系数。
        不同的采样参数和不同的干扰成分，滤波系数β的取值不同。β值的选择非常重要，通常β的取值范围为0~1，一般取0.75左右。
        b、递推平均值滤波法：这种滤波法是在采样信号值出现频繁的振荡时，此时用递推平均值滤波的方法可予以平滑。其基本的计算机公式为: 式中，y（k）是第k次N项的递推平均值；y(k－i)是往前递推第i项的测量值；N是递推平均的项数。 N值的选择，对采样平均值的平滑程度与反应灵敏度均有直接的关系。N选得过大，虽然平均效果较好，但占用机器时间长，并且对参数变化的反应很不灵敏；N选得过小，效果不显著，尤其对脉冲性干扰。N究竟取得多大，要视系统实际的采样参数和生产情况而定。一般情况下，流量：N=12；压力：N=4；温度：N=1。
        c.、限幅滤波法：这种滤波法是，在工业现场采样，由那些大的随机干扰或由变送器可靠性欠佳所造成的失真，都将引起输入信号的大幅度跳码，从而造成计算机系统的误动作。在这种情况下，一般可用这种限幅滤波法来抗干扰。
        2、输出限幅
        在控制回路中，由于有干扰信号的串入，可能出现输出信号大幅度变化或产生小的振荡。为使系统在非特殊的情况下能够正常稳定地输出，以保护执行机构的安全，必须设置输出限幅环节。一旦输出达到或超过限定值时，则应使送往执行机构的信号受到箝位。
        3、计算机将没有使用的内存单元全部置成FFH
        当发生飞程序时，若程序“飞”到置成FFH的单元，将执行RST 38 H指令。若在0038 H单元中预先写入一条转移指令，使它转入用户程序的入口，就不会造成“死机”现象了。
        4、对不使用的中断方式的处理
        对不使用的中断方式的I/O入口，全部写成转到用户程序，也是防止出现“死机”现象的一种措施。
        系统软件中的通信纠错编码
        还有一种抗干扰措施，就是系统软件中的通信纠错编码。这种纠错编码的目的是，保证系统的正确性。在大部分的系统中，设备的通道是单向的，为保证各命令码不丢失，采用自动回询重传是不现实的，只能将可靠性保证措施的重点，放在通信码的纠错上下功夫。
        通常采用的通信码纠错编码的方法，分为两类：
        1、冗余码通信
        冗余码通信是将每个码多次发送，接收端进行软件判决，取多数的办法来实现。通常用的是三中取二的方法，具体是分，按字节和按位两种方法发送和判决。采用此冗余码通信方法的缺点是，占用信道时间长，不能纠一个以上的错。而控制系统的信道往往很少，过多地占用信道时间，因而会影响系统的实时性。
        2、纠错编码通信
        一般，在保证系统实时性的情况下，根据信道的特点，可选择适当的码型进行编码和解码，常用的有：汉明码、对偶码、循环码、BCH码、卷积码等。有关这些知识已超出了本文的内容，读者可以根据具体情况查找有关资料选择一个合适的码型。
        结语
        由上述介绍可以知道，要设计好一个安防监控系统中的微机控制系统，必须注意来自各方面的干扰，并在软、硬件方面采取相应对策的抗干扰措施。本文介绍的常见的干扰与抗干扰的方法，可供借鉴参考。尤其当前安防监控系统中的设备趋向嵌入式的热潮时，因此本文的撰写发表可以说是适时的。