CPLD在信号滤波和抗干扰中的应用

摘 要： 滤波和抗干扰是任何智能仪器系统都必须考虑的问题。在传统的应用系统中，滤波部分往往要占用较多的软件资源和硬件资源。复杂可编程逻辑器件(CPLD)的出现，为解决这一问题开辟了新的途径，采用CPLD实现滤波是一种高效可靠的方法。介绍了利用MAX+PLUSII对CPLD编程来实现对传感器和按键信号滤波和抗干扰。该方法已在产品开发中获得了成功应用。
关键词： 复杂可编程逻辑器件 滤波 抗干扰

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，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。

A15a11 a10 a9 a8 wr rd  INPUT
En373 OUTPUT

BEGIN
En373＝a15& a11& a10& a9&a8&wr& rd
END
若单片机发出读81XXH地址中数的信号，则选通此373，读出其数。
以上介绍了采用CPLD实现数字滤波及抗干扰。该设计已在产品开发中成功应用，效果良好，达到了预期的目的。前面我们已经提到，一个传统的设计，往往在软件滤波和硬件滤波两者的优缺点之间寻找一个平衡点。用我们通常的成语来讲，这样做可以说是扬长避短或取长补短。一直以来，我们都把这两个成语看成是褒义的，不过细细品味一下其中的韵味似乎并不完全是好的代表：发扬长处固然值得称道，但回避短处未必是解决问题的途径，毕竟回避并不能解决问题的本质，哪怕是取其长处来弥补短处，也不是长远出路。应该直接去克服掉短处为佳。采用CPLD则可将软硬件滤波的优点兼而有之，同时将它们的缺点摒弃，从而达到扬长去短的目的。用CPLD实现滤波只占用较少的资源，故可用其实现其它数字电路，同时实现滤波。