單片機軟件抗干擾的幾種常見方法

在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時，軟件抗干擾以其設(shè)計靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好越來越受到重視。下面以MCS-51單片機系統(tǒng)為例，對微機系統(tǒng)軟件抗干擾方法進行研究。

1、軟件抗干擾方法的研究

在工程實踐中，軟件抗干擾研究的內(nèi)容主要是：一、消除模擬輸入信號的噪聲(如數(shù)字濾波技術(shù));二、程序運行混亂時使程序重入正軌的方法。本文針對后者提出了幾種有效的軟件抗干擾方法。

1.1 指令冗余

CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。當(dāng)PC受干擾出現(xiàn)錯誤，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。若“飛”到了三字節(jié)指令，出錯機率更大。

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，程序自動納入正軌。

此外，對系統(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，再進行出錯處理。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序。因此先要合理設(shè)計陷阱，其次要將陷阱安排在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

①軟件陷阱的設(shè)計

當(dāng)亂飛程序進入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進行出錯處理。軟件陷阱是指用來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：

NOPNOPLJMP 0000H其機器碼為0000020000。

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放時，在對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，能及時捕獲錯誤的中斷。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：

NOPNOPRETI返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP0000H”。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復(fù)程序的設(shè)計可靠、完善，用“LJMP0000H”作返回指令可直接進入故障診斷程序，盡早地處理故障并恢復(fù)程序的運行。

考慮到程序存貯器的容量，軟件陷阱一般1K空間有2-3個就可以進行有效攔截。

1.3 軟件“看門狗”技術(shù)

若失控的程序進入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運行時間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進行出錯處理。

“看門狗”技術(shù)可由硬件實現(xiàn)，也可由軟件實現(xiàn)。在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時會破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷。則系統(tǒng)無法定時“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題。

筆者在實際應(yīng)用中，采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)。用定時器T0監(jiān)視定時器T1，用定時器T1監(jiān)視主程序，主程序監(jiān)視定時器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。對于需經(jīng)常使用T1定時器進行串口通訊的測控系統(tǒng)，則定時器T1不能進行中斷，可改由串口中斷進行監(jiān)控(如果用的是MCS-52系列單片機，也可用T2代替T1進行監(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)一運行觀測變量，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)程序中通過檢測T1Watch的變化情況判定T1運行是否正常，在T1中斷服務(wù)程序中檢測MWatch的變化情況判定主程序是否正常運行，在主程序中通過檢測T0Watch的變化情況判別T0是否正常工作。若檢測到某觀測變量變化不正常，比如應(yīng)當(dāng)加1而未加1，則轉(zhuǎn)到出錯處理程序作排除故障處理。當(dāng)然，對主程序最大循環(huán)周期、定時器T0和T1定時周期應(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

單片機系統(tǒng)因干擾復(fù)位或掉電后復(fù)位均屬非正常復(fù)位，應(yīng)進行故障診斷并能自動恢復(fù)非正常復(fù)位前的狀態(tài)。

2.1 非正常復(fù)位的識別

程序的執(zhí)行總是從0000H開始，導(dǎo)致程序從0000H開始執(zhí)行有四種可能：一、系統(tǒng)開機上電復(fù)位;二、軟件故障復(fù)位;三、看門狗超時未喂狗硬件復(fù)位;四、任務(wù)正在執(zhí)行中掉電后來電復(fù)位。四種情況中除第一種情況外均屬非正常復(fù)位，需加以識別。

(1)硬件復(fù)位與軟件復(fù)位的識別

此處硬件復(fù)位指開機復(fù)位與看門狗復(fù)位，硬件復(fù)位對寄存器有影響，如復(fù)位后PC=0000H，SP=07H，PSW=00H等。而軟件復(fù)位則對SP、SPW無影響。故對于微機測控系統(tǒng)，當(dāng)程序正常運行時，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)正常運行時設(shè)為1，那么系統(tǒng)復(fù)位時只需檢測PSW.5標(biāo)志位或SP值便可判此是否硬件復(fù)位。

由于硬件復(fù)位時片內(nèi)RAM狀態(tài)是隨機的，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)某一個或兩個單元作為上電標(biāo)志。設(shè)40H用來做上電標(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)向出錯處理。若用兩個單元作上電標(biāo)志，則這種判別方法的可靠性更高。

(2)開機復(fù)位與看門狗故障復(fù)位的識別

開機復(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別，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，設(shè)置一可掉電保護的觀測單元。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，在定時喂狗的中斷服務(wù)程序中使該觀測單元保持正常值(設(shè)為AAH)，而在主程中將該單元清零，因觀測單元掉電可保護，則開機時通過檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復(fù)位。

(3)正常開機復(fù)位與非正常開機復(fù)位的識別

識別測控系統(tǒng)中因意外情況如系統(tǒng)掉電等情況引起的開機復(fù)位與正常開機復(fù)位，對于過程控制系統(tǒng)尤為重要。如某以時間為控制標(biāo)準(zhǔn)的測控系統(tǒng)，完成一次測控任務(wù)需1小時。在已執(zhí)行測控50分鐘的情況下，系統(tǒng)電壓異常引起復(fù)位，此時若系統(tǒng)復(fù)位后又從頭開始進行測控則會造成不必要的時間消耗。因此可通過一監(jiān)測單元對當(dāng)前系統(tǒng)的運行狀態(tài)、系統(tǒng)時間予以監(jiān)控，將控制過程分解為若干步或若干時間段，每執(zhí)行完一步或每運行一個時間段則對監(jiān)測單元置為關(guān)機允許值，不同的任務(wù)或任務(wù)的不同階段有不同的值，若系統(tǒng)正在進行測控任務(wù)或正在執(zhí)某時間段，則將監(jiān)測單元置為非正常關(guān)機值。那么系統(tǒng)復(fù)位后可據(jù)此單元判系統(tǒng)原來的運行狀態(tài)，并跳到出錯處理程序中恢復(fù)系統(tǒng)原運行狀態(tài)

2.2 非正常復(fù)位后系統(tǒng)自恢復(fù)運行的程序設(shè)計

對順序要求嚴(yán)格的一些過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)非正常復(fù)位否，一般都要求從失控的那一個模塊或任務(wù)恢復(fù)運行。所以測控系統(tǒng)要作好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份，如系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)的進程值、當(dāng)前輸入、輸出的值，當(dāng)前時鐘值、觀測單元值等，這些數(shù)據(jù)既要定時備份，同時若有修改也應(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、片外擴展芯片的初始化等。其次再對測控系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)、運行參數(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)、運行時間等恢復(fù)，再進入系統(tǒng)運行狀態(tài)。

應(yīng)當(dāng)說明的是，真實地恢復(fù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)需要極為細致地對系統(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，對多任務(wù)、多進程測控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的恢復(fù)需考慮恢復(fù)的次序問題。

系統(tǒng)基本初始化是指對芯片、顯示、輸入輸出方式等進行初始化，要注意輸入輸出的初始化不應(yīng)造成誤動作。而復(fù)位前任務(wù)的初始化是指任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)、運行時間等。

對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)保護與糾錯等，限于篇幅，本文未作討論。在工程實踐中通常都是幾種抗干擾方法并用，互相補充完善，才能取得較好的抗干擾效果。從根本上來說，硬件抗干擾是主動的，而軟件是抗干擾是被動的。細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)計一穩(wěn)定可靠的單片機系統(tǒng)是完全可行的