CPLD在信号滤波和抗干扰中的应用

至芯陈老师

1 滤波和抗干扰概述
单片机应用系统的输入信号常含有种种噪声和干扰，它们来自被测信号源、传感器、外界干扰源等。为了提高测量和控制精度，必须消除信号中的噪声和干扰。噪声有两大类：一类为周期性的;另一类为不规则的。前者的典型代表为50Hz的工频干扰，一般采用硬件滤波，使用积分时间等于20ms的整数倍的双积分A/D转换器，可有效地消除其对信号的影响。后者为随机信号，它不是周期信号，可用数字滤波方法予以消弱或滤除。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序来减少干扰信号在有用信号中的比重，故实际上它是一种软件滤波。硬件滤波具有效率高的优点，但要增加系统的投资和设备的体积，当干扰的性质改变时我们往往不得不重新搭接电路;软件滤波是用程序实现的，不需要增加设备，故投资少、可靠性高、稳定性好，并且可以对频率很低的信号实行滤波，随着干扰的性质改变只需修改软件即可，具有灵活、方便、功能强的优点，但要占用系统资源、降低系统的工作效率。一个传统的实际系统，往往采用软件和硬件相结合的滤波方法，这种结合是在两者的优缺点之间寻找一个平衡点。
硬件抗干扰主要采用隔离技术、双绞线传输、阻抗匹配等措施抑制干扰。常用的隔离措施有采用A/D、D/A与单片机进行隔离以及用继电器、光电隔离器、光电隔离固态继电器(SSR)等隔离器件对开关量进行隔离。
软件抗干扰主要利用干扰信号多呈毛刺状、作用时间短等特点。因此，在采集某一状态信号时，可多次重复采集，直到连续两次或多次采集结果完全一致时才视为有效。若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，给出报警信号。如果状态信号是来自各类开关型状态传感器，对这些信号采集不能用多次平均方法，必须完全一致才行。在满足实时性要求的前提下，如果在各次采集状态信号之间增加一段延时，效果会更好，能对抗较宽的干扰。对于每次采集的最高次数限额和连续相同次数均可按实际情况适当调整。对于扰乱CPU的干扰，可以采取指令冗余和软件陷阱等抗干扰技术加以抑制。
2 利用CPLD实现数字滤波及抗干扰
这里介绍的采用CPLD实现信号滤波及抗干扰的方法已经在智能仪器泵冲测量仪的开发中得到验证。下面就如何采用CPLD对系统的四路外部传感器脉冲信号和四路按键信号实现滤波、锁存、中断申请等功能进行阐述。
2.1 传感器信号滤波
由于要对传感器信号进行数字滤波，CPLD要引入时钟信号。因而我们对CPLD定义一输入端clki，作为数字滤波器的计数脉冲输入端。clki由单片机定时器1定时产生500Hz脉冲。以一路为例，泵冲信号滤波部分如图1所示。

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