單片機(jī)系統(tǒng)軟件抗干擾的幾種方法

在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時(shí)，軟件抗干擾以其設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好越來(lái)越受到重視。下面以MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)為例，對(duì)微機(jī)系統(tǒng)軟件抗干擾方法進(jìn)行研究。
1 軟件抗干擾方法的研究
在工程實(shí)踐中，軟件抗干擾研究的內(nèi)容主要是： 一、消除模擬輸入信號(hào)的嗓聲（如數(shù)字濾波技術(shù)）；二、程序運(yùn)行混亂時(shí)使程序重入正軌的方法。本文針對(duì)后者提出了幾種有效的軟件抗干擾方法。
1.1 指令冗余
CPU取指令過(guò)程是先取操作碼，再取操作數(shù)。當(dāng)PC受干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當(dāng)亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時(shí)刻落在操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當(dāng)作操作碼，程序?qū)⒊鲥e(cuò)。若“飛” 到了三字節(jié)指令，出錯(cuò)機(jī)率更大。
在關(guān)鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫稱為指令冗余。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個(gè)字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動(dòng)納入正軌。
此外，對(duì)系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP，也可將亂飛程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行。
1.2 攔截技術(shù)
所謂攔截，是指將亂飛的程序引向指定位置，再進(jìn)行出錯(cuò)處理。通常用軟件陷阱來(lái)攔截亂飛的程序。因此先要合理設(shè)計(jì)陷阱，其次要將陷阱安排在適當(dāng)?shù)奈恢谩?br /> 1.2.1 軟件陷阱的設(shè)計(jì)
當(dāng)亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū)，冗余指令便無(wú)法起作用。通過(guò)軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進(jìn)行出錯(cuò)處理。軟件陷阱是指用來(lái)將捕獲的亂飛程序引向復(fù)位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序區(qū)填入以下指令作為軟件陷阱：
NOP
NOP
LJMP 0000H
其機(jī)器碼為0000020000。
1.2.2 陷阱的安排
通常在程序中未使用的EPROM空間填0000020000。最后一條應(yīng)填入020000，當(dāng)亂飛程序 落到此區(qū)，即可自動(dòng)入軌。在用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令。當(dāng)使用的中斷因干擾而開(kāi)放時(shí)，在對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，能及時(shí)捕獲錯(cuò)誤的中斷。如某應(yīng)用系統(tǒng)雖未用到外部中斷1，外部中斷1的中斷服務(wù)程序可為如下形式：
NOP
NOP
RETI
返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP 0000H”。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復(fù)程序的設(shè)計(jì)可靠、 完善，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接進(jìn)入故障診斷程序，盡早地處理故障并恢復(fù)程序的運(yùn)行。
考慮到程序存貯器的容量，軟件陷阱一般1K空間有2-3個(gè)就可以進(jìn)行有效攔截。
1.3 軟件“看門狗”技術(shù)
若失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過(guò)不斷檢測(cè)程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時(shí)間超過(guò)最大循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進(jìn)行出錯(cuò)處理。
“看門狗”技術(shù)可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)。 在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時(shí)會(huì)破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷。則系統(tǒng)無(wú)法定時(shí)“喂狗”，硬件看門狗電路失效。而軟件看門狗可有效地解決這類問(wèn)題。
筆者在實(shí)際應(yīng)用中，采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)。用定時(shí)器T0監(jiān)視定時(shí)器T1，用定時(shí)器T1監(jiān)視主程序，主程序監(jiān)視定時(shí)器T0。采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能，大大提高了系統(tǒng)可靠性。對(duì)于需經(jīng)常使用T1定時(shí)器進(jìn)行串口通訊的測(cè)控系統(tǒng)，則定時(shí)器T1不能進(jìn)行中斷，可改由串口中斷進(jìn)行監(jiān)控（如果用的是MCS-52系列單片機(jī)，也可用T2代替T1進(jìn)行監(jiān)視）。這種軟件“看門狗”監(jiān)視原理是：在主程序、T0中斷服務(wù)程序、T1中斷服務(wù)程序中各設(shè)一運(yùn)行觀測(cè)變量，假設(shè)為MWatch、T0Watch 、T1Watch,主程序每循環(huán)一次，MWatch加１，同樣T0、T1中斷服務(wù)程序執(zhí)行一次，T0Watch、 T1Watch加１。在T0中斷服務(wù)程序中通過(guò)檢測(cè)T1Watch的變化情況判定T1運(yùn)行是否正常，在T1中斷服務(wù)程序中檢測(cè)MWatch的變化情況判定主程序是否正常運(yùn)行，在主程序中通過(guò)檢測(cè)T0Watch的變化情況判別T0是否正常工作。若檢測(cè)到某觀測(cè)變量變化不正常，比如應(yīng)當(dāng)加1而未加1，則轉(zhuǎn)到出錯(cuò)處理程序作排除故障處理。當(dāng)然，對(duì)主程序最大循環(huán)周期、定時(shí)器T0和T1定時(shí)周期應(yīng)予以全盤合理考慮。限于篇幅不贅述。
2 系統(tǒng)故障處理、自恢復(fù)程序的設(shè)計(jì)
單片機(jī)系統(tǒng)因干擾復(fù)位或掉電后復(fù)位均屬非正常復(fù)位，應(yīng)進(jìn)行故障診斷并能自動(dòng)恢復(fù)非正常復(fù)位前的狀態(tài)。
2.1 非正常復(fù)位的識(shí)別
程序的執(zhí)行總是從0000H開(kāi)始，導(dǎo)致程序從 0000H開(kāi)始執(zhí)行有四種可能：一、系統(tǒng)開(kāi)機(jī)上電復(fù)位；二、軟件故障復(fù)位；三、看門狗超時(shí)未喂狗硬件復(fù)位； 四、任務(wù)正在執(zhí)行中掉電后來(lái)電復(fù)位。四種情況中除第一種情況外均屬非正常復(fù)位，需加以識(shí)別。
2.1.1 硬件復(fù)位與軟件復(fù)位的識(shí)別
此處硬件復(fù)位指開(kāi)機(jī)復(fù)位與看門狗復(fù)位，硬件復(fù)位對(duì)寄存器有影響，如復(fù)位后PC=0000H， SP＝07H，PSW＝00H等。而軟件復(fù)位則對(duì)SP、SPW無(wú)影響。故對(duì)于微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，將SP設(shè)置地址大于07H，或者將PSW的第5位用戶標(biāo)志位在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)設(shè)為1。那么系統(tǒng)復(fù)位時(shí)只需檢測(cè)PSW.5標(biāo)志位或SP值便可判此是否硬件復(fù)位。圖1是采用PSW.5作上電標(biāo)志位判別硬、軟件復(fù)位的程序流程圖。

圖1 硬、軟件復(fù)位識(shí)別流程圖

此外，由于硬件復(fù)位時(shí)片內(nèi)RAM狀態(tài)是隨機(jī)的，而軟件復(fù)位片內(nèi)RAM則可保持復(fù)位前狀態(tài)，因此可選取片內(nèi)某一個(gè)或兩個(gè)單元作為上電標(biāo)志。設(shè) 40H用來(lái)做上電標(biāo)志，上電標(biāo)志字為78H，若系統(tǒng)復(fù)位后40H單元內(nèi)容不等于78H，則認(rèn)為是硬件復(fù)位，否則認(rèn)為是軟件復(fù)位，轉(zhuǎn)向出錯(cuò)處理。若用兩個(gè)單元作上電標(biāo)志，則這種判別方法的可靠性更高。
2.1.2 開(kāi)機(jī)復(fù)位與看門狗故障復(fù)位的識(shí)別
開(kāi)機(jī)復(fù)位與看門狗故障復(fù)位因同屬硬件復(fù)位， 所以要想予以正確識(shí)別，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)置一可掉電保護(hù)的觀測(cè)單元。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在定時(shí)喂狗的中斷服務(wù)程序中使該觀測(cè)單元保持正常值（設(shè)為 AAH），而在主程中將該單元清零，因觀測(cè)單元掉電可保護(hù)，則開(kāi)機(jī)時(shí)通過(guò)檢測(cè)該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復(fù)位。
2.1.3 正常開(kāi)機(jī)復(fù)位與非正常開(kāi)機(jī)復(fù)位的識(shí)別
識(shí)別測(cè)控系統(tǒng)中因意外情況如系統(tǒng)掉電等情況引起的開(kāi)機(jī)復(fù)位與正常開(kāi)機(jī)復(fù)位，對(duì)于過(guò)程控制系統(tǒng)尤為重要。如某以時(shí)間為控制標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)控系統(tǒng)，完成一次測(cè)控任務(wù)需1小時(shí)。在已執(zhí)行測(cè)控50分鐘的情況下，系統(tǒng)電壓異常引起復(fù)位，此時(shí)若系統(tǒng)復(fù)位后又從頭開(kāi)始進(jìn)行測(cè)控則會(huì)造成不必要的時(shí)間消耗。因此可通過(guò)一監(jiān)測(cè)單元對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)時(shí)間予以監(jiān)控，將控制過(guò)程分解為若干步或若干時(shí)間段，每執(zhí)行完一步或每運(yùn)行一個(gè)時(shí)間段則對(duì)監(jiān)測(cè)單元置為關(guān)機(jī)允許值，不同的任務(wù)或任務(wù)的不同階段有不同的值，若系統(tǒng)正在進(jìn)行測(cè)控任務(wù)或正在執(zhí)某時(shí)間段，則將監(jiān)測(cè)單元置為非正常關(guān)機(jī)值。那么系統(tǒng)復(fù)位后可據(jù)此單元判系統(tǒng)原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)，并跳到出錯(cuò)處理程序中恢復(fù)系統(tǒng)原運(yùn)行狀態(tài)。
2.2 非正常復(fù)位后系統(tǒng)自恢復(fù)運(yùn)行的程序設(shè)計(jì)
對(duì)順序要求嚴(yán)格的一些過(guò)程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)非正常復(fù)位否，一般都要求從失控的那一個(gè)模塊或任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行。所以測(cè)控系統(tǒng)要作好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份，如系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)的進(jìn)程值、當(dāng)前輸入、輸出的值，當(dāng)前時(shí)鐘值、觀測(cè)單元值等，這些數(shù)據(jù)既要定時(shí)備份，同時(shí)若有修改也應(yīng)立即予以備份。
當(dāng)在已判別出系統(tǒng)非正常復(fù)位的情況下，先要恢復(fù)一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如顯示模塊的初始化、片外擴(kuò)展芯片的初始化等。其次再對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等予以恢復(fù)，包括顯示界面等的恢復(fù)。之后再把復(fù)位前的任務(wù)、參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等恢復(fù)， 再進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。
應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，真實(shí)地恢復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)需 要極為細(xì)致地對(duì)系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)予以備份，并加以數(shù)據(jù)可靠性檢查，以保證恢復(fù)的數(shù)據(jù)的可靠性。
其次，對(duì)多任務(wù)、多進(jìn)程測(cè)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的恢復(fù)需考慮恢復(fù)的次序問(wèn)題，筆者實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)程流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)自恢復(fù)程序流程圖

圖中恢復(fù)系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)是指取出備份的數(shù)據(jù)覆蓋當(dāng)前的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)基本初始化是指對(duì)芯片、顯示、輸入輸出方式等進(jìn)行初始化，要注意輸入輸出的初始化不應(yīng)造成誤動(dòng)作。而復(fù)位前任務(wù)的初始化是指任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間等。
3 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)于軟件抗干擾的一些其它常用方法如數(shù)字濾波、RAM數(shù)據(jù)保護(hù)與糾錯(cuò)等，限于篇幅，本文未作討論。在工程實(shí)踐中通常都是幾種抗干擾方法并用，互相補(bǔ)充完善，才能取得較好的抗干擾效果。從根本上來(lái)說(shuō)，硬件抗干擾是主動(dòng)的，而軟件是抗干擾是被動(dòng)的。細(xì)致周到地分析干擾源，硬件與軟件抗干擾相結(jié)合，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序，設(shè)計(jì)一穩(wěn)定可靠的單片機(jī)系統(tǒng)是完全可行的。