單片機(jī)軟件三重監(jiān)視抗干擾技術(shù)

應(yīng)用于工業(yè)過程控制和智能化儀器儀表的單片機(jī)，由于現(xiàn)場(chǎng)條件往往十分惡劣，不可避免地會(huì)受到各種各樣的電磁干擾。當(dāng)串入系統(tǒng)的干擾作用于單片機(jī)內(nèi)部的CPU部件時(shí)，后果更加嚴(yán)重，將導(dǎo)致系統(tǒng)失控。最典型的失控故障是破壞程序計(jì)數(shù)器PC的狀態(tài)，導(dǎo)致程序在地址空間內(nèi)“亂飛”，或者陷入“死循環(huán)”。因此，盡可能早地發(fā)現(xiàn)程序失控，并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

使程序從“亂飛”狀態(tài)納入正軌的方法稱為程序攔截技術(shù)，包括指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)等。使程序擺脫“死循環(huán)”，通常多采用硬件電路實(shí)現(xiàn)的監(jiān)視技術(shù)，又稱“看門狗”技術(shù)(Watchdog)。常見的硬件“看門狗”電路有單穩(wěn)態(tài)型“看門狗”電路、計(jì)數(shù)器型“看門狗”電路、微處理器監(jiān)控專用芯片等。上述的抗干擾方法可參閱有關(guān)資料文獻(xiàn)。本文將討論由軟件實(shí)現(xiàn)的“看門狗”技術(shù)。

由硬件電路實(shí)現(xiàn)的“看門狗”技術(shù)，可以有效地克服主程序或中斷服務(wù)程序由于陷入“死循環(huán)”而帶來的不良后果。但在工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中，嚴(yán)重的干擾有時(shí)會(huì)破壞中斷方式控制字，導(dǎo)致中斷關(guān)閉，這時(shí)一般的硬件“看門狗”將不能使中斷恢復(fù)正常。依靠軟件進(jìn)行多重監(jiān)視，可以彌補(bǔ)上述不足。

軟件“看門狗”技術(shù)的基本思路是：在主程序中對(duì)中斷服務(wù)程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視;在中斷服務(wù)程序中對(duì)主程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視;采用兩個(gè)中斷實(shí)施相互監(jiān)視，稱之謂軟件三重監(jiān)視抗干擾技術(shù)。從概率觀點(diǎn)，這種相互依存，相互制約的抗干擾措施，將使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

本文以MCS—51單片機(jī)為例，說明軟件三重監(jiān)視的基本原理。系統(tǒng)軟件包括主程序、T0定時(shí)中斷子程序和T1定時(shí)中斷子程序3部分，將T0設(shè)計(jì)成高級(jí)中斷，T1設(shè)計(jì)成低級(jí)中斷，從而形成中斷嵌套。

1　主程序監(jiān)視過程設(shè)計(jì)

主程序完成系統(tǒng)測(cè)控功能的同時(shí)，還要監(jiān)視T0中斷服務(wù)程序因干擾而引起的中斷關(guān)閉故障。A0為T0中斷服務(wù)程序運(yùn)行狀態(tài)的觀測(cè)單元，T0每發(fā)生一次中斷，A0計(jì)數(shù)單元少一次中斷(T0定時(shí)溢出時(shí)間小于測(cè)控功能模塊運(yùn)行時(shí)間)，引起A0的變化。在測(cè)控功能模塊的出口處，將A0值與E0值進(jìn)行比較，以判斷A0是否發(fā)生變化。若A0發(fā)生變化，說明T0中斷運(yùn)行正常;若A0不變化，說明T0中斷關(guān)閉，則轉(zhuǎn)到程序入口0000H處，進(jìn)行出錯(cuò)處理后，程序恢復(fù)正常運(yùn)行。

設(shè)A0、E0、M計(jì)數(shù)單元分別為內(nèi)RAM中的30H、40H和50H單元，監(jiān)視程序如下：

loop1：MOV　 50H，　#00H; 清M單元

MOV 40H， 30H　;暫存A0單元

…; 測(cè)控功能模塊

CLR C

MOV A， 30H

SUBB A， 40H; 判斷A0變化

JZ loop

MOV 30H， #00H

LJMP loop1

loop：LJMP　0000H

2　T1中斷服務(wù)程序監(jiān)視過程設(shè)計(jì)

T1中斷服務(wù)程序在完成特定測(cè)控功能的同時(shí)，還要監(jiān)視主程序的運(yùn)行狀態(tài)。在中斷服務(wù)程序中設(shè)置一個(gè)主程序運(yùn)行計(jì)時(shí)器M1，T1每中斷一次，M便自行加1。M中的數(shù)值與T1定時(shí)溢出時(shí)間之積表示時(shí)間值。若由M表示的時(shí)間值大于主程序的運(yùn)行時(shí)間，說明主程序因干擾而陷入了“死循環(huán)”，T1中斷服務(wù)程序便修改斷點(diǎn)地址，返回0000H，進(jìn)行出錯(cuò)處理。若M不大于主程序運(yùn)行時(shí)間，說明主程序運(yùn)行正常，中斷服務(wù)程序也正常返回。M單元在系統(tǒng)主程序運(yùn)行中循環(huán)清“0”。

設(shè)單片機(jī)晶振頻率為6MHz，T1以工作方式1產(chǎn)生2ms的定時(shí)中斷，則T1的計(jì)數(shù)初值為：

(216-N)×2×10-6=2×10-3

N=64536D=FC18H

主程序的最大循環(huán)時(shí)間為200ms，T取值應(yīng)不小于64H，可取68H。A1為T1中斷程序運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元，取內(nèi)RAM 31H單元，M仍取50H單元，60H、61H為暫存單元，則T1中斷監(jiān)視程序如下：

PUSH　 PSW　　　　　　 ;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

PUSH ACC

MOV TH1， #0FCH　　　　;T1置初值

MOV TL1， #18H

INC 31H　　　　 ;A1單元加1

INC 50H ;M單元加1

CLR C

MOV A，#68H

SUBB A，50H ;T≥M?

JC loop

…　 　　　;中斷測(cè)控程序

POP ACC ;恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

POP PSW

RETI　 ;返回

loop：POP　 ACC　　　　　　 ;恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

POP PSW

POP 60H ;原斷點(diǎn)彈出

POP 61H

MOV 60H，#00H ;斷點(diǎn)修改為0000H

MOV 61H，#00H

PUSH 60H

PUSH 61H

RETI　　　　;返回

3　T0中斷服務(wù)程序監(jiān)視過程設(shè)計(jì)

T0中斷的功能是監(jiān)視T1中斷服務(wù)程序的運(yùn)行狀態(tài)。由于T0中斷服務(wù)程序較短，因干擾而引起的“死循環(huán)”的幾率很小，重點(diǎn)考慮中斷關(guān)閉故障。A1、B1為T1中斷運(yùn)行狀態(tài)觀測(cè)單元。A1的初值為00H，T1每中斷一次，A1便加1，T0中斷服務(wù)程序中若檢測(cè)到A1>0，說明T1中斷正常;若A1=0，則B1單元加1(B1的初值為00H)，若B1的累加值大于Q，說明T1中斷失效，失效時(shí)間為T0定時(shí)溢出時(shí)間與Q值之積。例如：T0的定時(shí)溢出時(shí)間為4ms，T1的定時(shí)溢出時(shí)間為2 ms，當(dāng)Q=5時(shí)，說明允許T1的失效時(shí)間為20 ms，在這樣長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，T1并沒有發(fā)生中斷，說明T1中斷發(fā)生了故障。由于T0中斷級(jí)別高于T1中斷級(jí)別，所以T1的任何故障(如死循環(huán)、中斷關(guān)閉)都會(huì)由T0檢測(cè)出來。T0中斷服務(wù)程序一般很短，發(fā)生“死循環(huán)”的幾率很小。

設(shè)單片機(jī)晶振頻率為6MHz，T0以工作方式1產(chǎn)生4 ms的定時(shí)中斷，則T0的計(jì)數(shù)初值為：

(216-N)×2×10-6=4×10-3

N=63536D=F830H

設(shè)計(jì)數(shù)單元A0、A1、B1分別為內(nèi)RAM　30H、31H、32H，Q=5，60H、61H為暫存單元，則T0中斷監(jiān)視程序如下：

PUSH　　　PSW　　　　　;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

PUSH ACC

MOV TH0，#0F8H ;設(shè)T0初值

MOV TL0，#30H

INC 30H ;A0加1

MOV A，31H ;A1單元判0

JZ loop1

CLR A　　　　 ;清A1、B1單元

MOV 31H，A

MOV 32H，A

loop0：POP ACC ;恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

POP PSW

RETI　 ;返回

loop1：INC 32H ;B1加1

CLR C

MOV A　 ，32H;B1≥Q?

SUBB A，#05H

JC loop0

POP　 ACC　　　 ;恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

POP PSW

POP 60H ;原斷點(diǎn)彈出

POP 61H

MOV 60H，#00H ;修改斷點(diǎn)0000H

MOV 61H，#00H

PUSH 60H

PUSH 61H

RETI

當(dāng)系統(tǒng)受到干擾后，主程序可能發(fā)生“死循環(huán)”，中斷服務(wù)程序也可能陷入“死循環(huán)”，或因中斷方式字的破壞而關(guān)閉中斷。主程序的“死循環(huán)”可由T1中斷服務(wù)程序監(jiān)視;T1中斷服務(wù)程序的“死循環(huán)”和中斷關(guān)閉故障由T0中斷服務(wù)程序監(jiān)視;T0的中斷故障可由主程序監(jiān)視。由于采取了三重軟件監(jiān)測(cè)方法，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。