4.5抗干扰设计
在理想情况下，一个系统的性能仅有该系统的结构及应用元器件的性能指标来决定，但是测控系统在使用过程中，由于内部或外部干扰的影响，在被测信号电压或电流上会叠加干扰信号，通常把这种干扰信号称为噪声。

在检测系统中，噪声对被测信号存在着严重影响，当被测信号微弱时，就会被干扰信号淹没掉，导致数据采集误差；在控制系统中，噪声干扰可能会导致误操作。

因此，在分析和设计测控系统时，必须考虑到可能存在的干扰对系统的影响，从硬件和软件上采取相应的措施消除和抑制系统中的噪声，增强系统的抗干扰能力。

所有噪声干扰的形成必须具有三个要素：噪声源、对噪声敏感的接收电路以及噪声源到接收电路间的耦合通道。

因此，抑制噪声干扰的方法相应地有三个：抑制噪声源的强度、使接收电路对噪声不敏感、抑制或切断噪声源与接收电路间的耦合通道。

多数情况下，须在这三个方面同时采取措施。

本自由摆平衡控制系统包括硬件设计和软件设计，所以抗干扰也从软、硬件两方面考虑。

4.5.1硬件抗干扰
1、抑制干扰源
干扰源是指产生干扰的元件、设备或信号，交流电源的干扰是电路系统的干扰源之一。

电源干扰是指电源过压、欠压、浪涌以及产生的尖峰等电压噪声，通过电源内阻耦合到电路中。

本次设计使用了交流稳压器，保证电源电压的稳定性，同时使用低通滤波滤掉高次谐波，改善电源波形。

电路板上的每个IC的电源与地端都并接一个作为本集成电路的蓄能电容，提供和吸收集成电路开关瞬间的充放电能；另一方面旁路滤掉该器件的高频噪声。

2、切断干扰的耦合通道
信号通道，无论是传输导线还是模拟或数字输出通道，都是干扰串入的通道。

本次设计中，处理器发出的脉冲信号与电机驱动电路之间采用了光电耦合器进行隔离，从而有效地抑制尖峰脉冲及其他噪声干扰。

传感器的输入端也采用了运算放大器跟随输出，并设置了滤波电路，抑制输入端。

这样ARM核心处理器系统与外界完全隔离开来，极大的提高了控制器的抗干扰能力，增加了系统的可靠性。

4.5.2 软件抗干扰
硬件抗干扰措施的目的是尽可能切断干扰进入测控系统通道，因此是十分必要的。

但是当干扰严重时，有可能使运行程序发生混乱导致程序跑飞或进入死循环，这时需要进一步借助软件措施去克服某些干扰。

软件抗干扰技术是当系统受干扰后是系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪求真的一种辅助方法，具有设计灵活、节省硬件自愿等优点。

在测控系统软件中，采用了一下抗干扰方法：
1、指令冗余
程序跑飞之后，往往将一些操作数作为指令码执行，从而引起整个程序的混乱，所谓“指令冗余”，就是在一些关键的地方插入一些单字节的空操作数作为指令代码执行的错误，而是在连续执行几个空操作后，继续执行后面的程序，是程序恢复正常运行。

通常只在一些对程序的流向其关键作用的指令前面插入两条NOP指令，指令冗余使用过多会降低程序执行效果。

2、利用Watchdog（看门狗）使CPU复位
当程序跑飞到一个临时构成的死循环中时，只能依靠看门狗解决。

看门狗电路所起的作用是一旦CPU运行出现故障，就强制对CPU进行硬件复位，使整个系统重新处于可控状态，CPU复位是程序跑飞后使其恢复正常运行的最简单有效的方法。

在Stellaris系列ARM里集成有硬件的看门狗定时器模块，看门狗定时器可配置成在第一次溢出（timeout）时向控制器产生中断，在第二次溢出时产生复位信号，一旦配置了看门狗定时器，就可以通过写锁定寄存器来防止定时器配置被意外更改，在第一次溢出事件之后，将看门狗定时器装载（WDTLOAD）寄存器的值重装入32位计数器，定时器从该值继续递减计数。

如果在第一次溢出中断青春定时器再次递减计数到零，并且复位信号已使能，则看门狗定时器将其复位信号发送到系统。

这样，当系统由于软件错误而无法响应或外部器件不能以期望的方式响应时，使用看门狗定时器可重新获得控制。

看门狗定时器监控处理器的配置如下所示。

函数wdoglnit（）初始化看门狗模块，已知系统时钟为6Hz，设置的定时时间为350ms，时能复位功能，配置后锁定，函数wdogFeed（）是喂狗操作。

解锁→喂狗→锁定，然后在主循环里每隔500ms喂狗一次，由于看门狗具有二次超时特性，因此不会产生复位，除非喂狗间隔超过了2*350ms。

本实验所需要的设备包括微机，ARM主控板，步进电机及其驱动板和摆架系统。

微机主要是用来编写软件语言程序的，通过仿真和综合，最后通过微机的USB接口将程序下载到ARM主控板的芯片中。

整个论文中的程序编写及调试工作都是在计算机中进行的。

ARM主控板以及步进电机驱动板是自己选择合理的芯片后画图制作的，主要作用是处理传感器信号并产生可以使步进电机工作的可调节脉冲信号。

5.1 调试过程
系统调试包括硬件调试和软件调试两大部分。

硬件调试主要是针对印刷电路板，印刷电路板制作完成后，不要急于焊接元器件，首先对照原理图仔细检查印制电路板的连线，确保无误后方可焊接。

同时，尽可能的以各单元电路为单位，一个个焊接调试，以便在调试过程中遇到困难时缩小故障范围，确保没有短路和虚焊。

通电前，确保电源输出正常。

调试过程是指从IRA EWARM集成开发软件开始吧程序下载到芯片。

进行数据处理，再把信号输出控制电机的整个过程，该过程主要是实际操作过程，也是对前面大量工作的验证。

下面具体说明调试过程。

5.2 系统性能测试
1.定点测试
定点测试主要是观察步进电机的反应快满，用手推动摆杆摆起一个角度，利用倾角传感器提供的当前平板与水平位置的角度，处理器计算出恢复平衡位置所需的脉冲个数并发送给步进电机，电机收到驱动信号后带动平板向上反方向驱动，到达平衡位置时停止转动。

反复调整脉冲的频率，确定使步进电机能迅速反应且稳定工作的运行频率，使摆杆在稳定后的2分钟内，平板处于水平状态。

2.动态性能测试
从θ=0°开始，在2秒钟内缓慢平稳地将摆杆推至θ=30°处，在此过程中平板保持水平状态。

将摆杆缓慢推至一定角度（45°-60°）处，待平板达到水平后释放，让摆杆自由阻尼摆动直至静止，在摆动过程中使平板保持水平状态。

实验表明，平台在跟踪速度要求范围内响应迅速。

3.存在干扰的情况
在上面状态的基础上，在摆杆的自由阻尼运动过程中人为强制使其停止摆动，使平板能迅速反应，恢复平衡状态。

4.改变负载
在平板上垫一张印刷有刻度的纸片，用手将摆杆推至一个角度在（45°-60°间），待平板恢复水平位置后沿电机轴方向放置一圆柱体，然后放开让摆杆自由摆动，控制使圆柱体不从平板滚落，并尽量减少圆柱滚动的距离。