無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的抗干擾研究

宋云艷 史 晶

（長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130033）

對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)而言，可靠性是一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。可靠性即是系統(tǒng)最終顯示的結(jié)果是否能夠正確反應(yīng)被測(cè)對(duì)象的真實(shí)性。工業(yè)系統(tǒng)中的干擾是指在設(shè)備工作過(guò)程中出現(xiàn)的并不代表有用信號(hào)且對(duì)設(shè)備性能或信號(hào)傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。這些電氣變化現(xiàn)象迫使有用信號(hào)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，增大誤差，甚至使系統(tǒng)發(fā)生失誤和故障。因此為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕仨殢挠布蛙浖咸岣呦到y(tǒng)的抗干擾性。在這里主要研究無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的軟件抗干擾措施。

1 冗余技術(shù)

1.1 指令冗余指令技術(shù)

CPU 執(zhí)行程序的過(guò)程也就是逐條執(zhí)行指令的過(guò)程，而執(zhí)行指令的過(guò)程又分為取操作碼，取操作數(shù)和執(zhí)行三個(gè)階段。當(dāng)CPU 受到干擾后，會(huì)脫離預(yù)定的順序而出現(xiàn)“跑飛”，此時(shí)程序執(zhí)行就會(huì)產(chǎn)生混亂。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，常在程序的一些關(guān)鍵部位插入幾個(gè)NOP 指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)書(shū)寫(xiě)，這就稱(chēng)指令冗余。

最常用的做法是在雙字節(jié)或三字節(jié)指令之前插入2 條NOP 指令，則這條指令就不會(huì)被前面的失控程序拆散，并將被完整執(zhí)行，從而使程序的執(zhí)行走上正軌。也常在一些對(duì)程序走向起決定作用的指令之前插入2 條NOP 指令，以保證CPU“跑飛”后能迅速走上正軌。此類(lèi)指令有:RET,RETI,LCALL，SJMP,CJNE 等。但須注意的是，不宜加入太多的冗余指令，否則會(huì)降低程序的運(yùn)行效率。

1.2 循環(huán)冗余碼差錯(cuò)控制技術(shù)——CRC

無(wú)線傳輸過(guò)程中，數(shù)字信號(hào)完全暴露在環(huán)境中，傳輸過(guò)程中的誤碼是不可避免的，因此，在接收端必須進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。鑒于通訊雙方PC機(jī)和電腦均具有很強(qiáng)的軟件編程功能，這就為實(shí)施軟件差錯(cuò)檢測(cè)提供了前提條件。軟件差錯(cuò)檢測(cè)具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用不增加硬件開(kāi)銷(xiāo)的優(yōu)點(diǎn)，這里訂介紹一種軟件差錯(cuò)檢測(cè)方案--循環(huán)冗余碼差錯(cuò)檢測(cè)法(CRC)。

1.2.1 CRC 法的原理

CRC 的計(jì)算通常是采用多段移位寄存器實(shí)施的，每個(gè)移位寄存器的輸出送入異或門(mén)，其中有一個(gè)異或門(mén)的輸出反饋送入位于各段移位寄存器之間的異或門(mén)。

1.2.2 CRC 法的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)有一個(gè)(n，k)循環(huán)碼，它有 2k個(gè)碼字，根據(jù)循環(huán)碼的特點(diǎn)，它的任一個(gè)碼字的每一次移位得到的是本空間的另一個(gè)碼字，從中取一個(gè)前k-1 位為零的碼字以g(x)表示。則g(x),xg(x),……xk-1g(x)都是碼字，且這 k個(gè)碼字顯然都是獨(dú)立的，故可作為碼的一組生成基底。除全是零的碼字外，其它碼字中不可能找到連續(xù)k 位均為零的碼字，即連續(xù)為零的長(zhǎng)度只有 k-1 位，至少g(x)的首項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)的這兩項(xiàng)系數(shù)必定為1。也就是說(shuō)，g(x)是常數(shù)項(xiàng)不為零的 n-k 次式項(xiàng)式。更為重要的是，g(x)是碼中次數(shù)為 n-k 的唯一的一個(gè)多項(xiàng)式。因?yàn)槿绻袃蓚€(gè)的話，則把這兩個(gè)碼字相加也應(yīng)是一個(gè)碼字，而此碼字的多項(xiàng)式的次數(shù)將小于n-k 次。一旦確定了g(x),則整個(gè)(n,k)循環(huán)碼就被確定了。碼的生成矩陣 G(x)的 k行可以用 g(x)的循環(huán)移位構(gòu)成，即：

因此，所有用G(x)生成的碼字都是g(x)的倍式。換言之，凡是碼多項(xiàng)式都可被g(x)除盡。這些碼等效于如下編碼，若用多項(xiàng)式m(x)表示信息組，次數(shù)小于k，則xn-km(x)的次數(shù)就小于n。用g(x)去除 xn-kk(x)，得到余式 r(x)，其次數(shù)小于 n-k，把此余式作為校驗(yàn)碼元附加在信息組后面，就得到一個(gè)必能被g(x)除盡的多項(xiàng)式，故必是碼字多項(xiàng)式。這可由下式表示：

或c(x)=xn-km(x)+r(x)=q(x)g(x)

用這種方法所編出的碼字，前面是原來(lái)未變的 k個(gè)信息碼元，后面為 r個(gè)檢驗(yàn)碼元。

1.2.3 CRC 法在收 /發(fā)雙方的軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面所得的數(shù)學(xué)模型，可以編制 CRC程序，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息為8 位(即信息組m(x)為8 位),選用CRC 多項(xiàng)式g(x)=x5+x2+1。實(shí)際上 CRC 程序的關(guān)鍵在于求余式r(x)(即求冗余校驗(yàn)碼元)。

假設(shè)需發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1 1 1 0 1 1 1 0,則m(x)=m(x)=x7+x6+x5+x3+x2+x

則數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼的完整的多項(xiàng)式為：

C(x)=xn-km(x)+r(x)

先將校驗(yàn)碼均設(shè)為零，則與xn-km(x)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0,相當(dāng)于將數(shù)據(jù)信息左移了n-k 位，（n-k=r 就是校驗(yàn)位數(shù)，這里g(x)是5 次冪，故r=5)，根據(jù)上式將數(shù)據(jù)代入得：

即r(x)=0 1 0 1 1

則實(shí)際要發(fā)送的整個(gè)信息為：

G(x)=x5+r(x)→1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1，如果在傳輸過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生差錯(cuò)，G(x)一定能被接收方的g(x)整除。若不能除盡，則表示發(fā)生差錯(cuò)。

用CRC 法進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)的問(wèn)題，接收方如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則回一信息，通知發(fā)送端該數(shù)據(jù)以前的信息均正確收到，要求重發(fā)該數(shù)據(jù)及其之后的信息；若沒(méi)有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則不回送信息。由此可以提高收發(fā)效率。實(shí)踐證明 CRC 法在無(wú)線通訊的差錯(cuò)檢測(cè)中應(yīng)用是非常有效的。

2 軟件陷阱技術(shù)

指令冗余不能完全解決程序“跑飛”的問(wèn)題。若“跑飛”后產(chǎn)生的新執(zhí)行點(diǎn)沒(méi)有落到程序區(qū)時(shí)，指令冗余就無(wú)法再使程序的執(zhí)行步入正規(guī)。對(duì)于這種情況，可以用設(shè)置軟件陷阱的方法來(lái)解決。所謂“軟件陷阱”，就是一段引導(dǎo)程序，該程序能將捕獲的程序引向錯(cuò)誤處理程序或復(fù)位地址0OOOH，使CPU 能提示錯(cuò)誤或重新執(zhí)行任務(wù)。例如:把錯(cuò)誤處理程序的入口地址記為ERROR，則“軟件陷阱”程序段為:

NOP

NOP

LJMP ERROR

軟件陷阱通常安排在程序中以下位置:

2.1 系統(tǒng)中空的ROM 區(qū)。將未用的ROM區(qū)域都寫(xiě)上軟件陷阱程序，只要程序執(zhí)行點(diǎn)落入該區(qū)域，CPU 就會(huì)被引入正軌或自動(dòng)重新運(yùn)行。

2.2 表格的頭、尾處。由于表格數(shù)據(jù)是無(wú)序的“指令”代碼，在其頭、尾設(shè)置軟件陷阱可以使程序執(zhí)行點(diǎn)落入數(shù)據(jù)表格區(qū)后也能被引入正軌。

2.3 程序中沒(méi)有使用的中斷向量處。“跑飛”的程序可能意外地開(kāi)啟了已關(guān)閉的中斷，若在未用的中斷向量處設(shè)置軟件陷阱可以控制這種現(xiàn)象發(fā)生。

2.4 程序體內(nèi)的“斷裂處”。所謂“斷裂處”是指程序中跳轉(zhuǎn)指令之后，下一新的程序段之前的位置。在此設(shè)置軟件陷阱，可以保證程序不順序向下執(zhí)行。

3 數(shù)據(jù)格式的抗干擾措施

由于在無(wú)信號(hào)輸出時(shí)，串口輸出是隨機(jī)數(shù)據(jù)，所以在所發(fā)送的數(shù)據(jù)前加“0xFF00”，后面加“dddd”作為標(biāo)識(shí)符，在接收數(shù)據(jù)時(shí)，控制機(jī)首先檢測(cè)數(shù)據(jù)前后是否有“0xFF00”、“dddd”的標(biāo)識(shí)符，若含有則認(rèn)為所接收的數(shù)據(jù)為正確數(shù)據(jù)，否則認(rèn)為此組數(shù)據(jù)無(wú)效，舍棄數(shù)據(jù)，繼續(xù)接收下組數(shù)據(jù)。

4 中值濾波算法

中值濾波方法對(duì)緩慢變化的信號(hào)中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好的濾波效果。其原理是：對(duì)信號(hào)連續(xù)進(jìn)行 次采樣，然后對(duì)采樣值排序，并取序列中位值作為采樣有效值，采樣次數(shù) 一般取為大于3 的奇數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中可編制中值濾波程序，把干擾濾掉。例如：連續(xù)三次采樣，并對(duì)這三次采樣值進(jìn)行比較，去掉最大的和最小的，留中間值作為采樣值，這樣就把許多干擾和偶然因素濾掉。

無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的軟件抗干擾措施很多，這里只介紹幾種，通過(guò)這些措施，能提高系統(tǒng)的抗干擾能力，增加了系統(tǒng)的可靠性。

[1]王幸之，王雷等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[J].

[2]申永明.單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)[J].山西電子技術(shù).2006.3.