單片機(jī)系統(tǒng)在測(cè)控領(lǐng)域的穩(wěn)定性探討

近年來單片機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而對(duì)于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種新型的微控制器的可靠性，安全性就成為了一個(gè)大的問題。在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行正常的程序到了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)卻不能運(yùn)行，或者出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定經(jīng)常死機(jī)等。在這里我們主要討論一下如何通過軟件技術(shù)來增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)系統(tǒng)的CPU部位受到干擾信號(hào)的作用時(shí)，將使系統(tǒng)失控。最典型的故障是破壞程序計(jì)數(shù)器PC的狀態(tài)值。導(dǎo)致程序在地址空間內(nèi)“亂飛”，或者陷入死循環(huán)。而我們對(duì)這種情況的處理主要有這么幾種方法：

1、  指令冗余技術(shù)；

2、  軟件陷阱技術(shù)；

3、  看門狗技術(shù)。

我們以MCS-51單片機(jī)來做以說明。

一、指令冗余技術(shù)

我們知道，指令由操作碼和操作數(shù)組成，操作碼指明CPU要完成什么樣的操作，而操作數(shù)是操作碼的對(duì)象。單字節(jié)指令只有操作碼，隱含操作數(shù)；雙字節(jié)指令，第一個(gè)字節(jié)是操作碼，第二個(gè)字節(jié)是操作數(shù)；三字節(jié)指令第一個(gè)字節(jié)是操作碼，后二個(gè)字節(jié)是操作數(shù)。CPU在取指令的時(shí)候是先取操作碼再取操作數(shù)，如何判斷是操作碼還是操作數(shù)就是通過取指令的順序。而取指令的順序完全由指令計(jì)數(shù)器PC來控制，因此，一旦PC受干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤程序便會(huì)脫離正常軌道，出現(xiàn)“亂飛”，這樣就會(huì)使得把操作數(shù)當(dāng)作操作碼，或者把操作碼當(dāng)作操作數(shù)的情況。但只要PC指針落在單字節(jié)指令上程序就可納入正軌，所以為了快速的將程序納入正軌，我們應(yīng)該多用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方人為的插入一些單字節(jié)指令NOP，或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重寫，這就稱之為指令冗余。

常用的方法就是在一些雙字節(jié)，三字節(jié)指令后面插入兩個(gè)單字節(jié)指令NOP，或在一些對(duì)程序的流向起決定作用的指令前面插入兩條NOP指令。還可對(duì)一些重要的指令進(jìn)行重復(fù)放置。

但采用指令冗余技術(shù)將程序納入正軌的條件是：亂飛的PC必須指向程序運(yùn)行區(qū)。

二、軟件陷阱技術(shù)

當(dāng)亂飛的程序進(jìn)入非程序區(qū)的時(shí)候， 我們就可設(shè)定軟件陷阱對(duì)亂飛的程序進(jìn)行攔截從而將程序引向一個(gè)固定的位置。這樣我們就可將捕獲的程序重新納入正軌。

軟件陷阱主要就是把程序從新引入它的復(fù)位入口處，也就是說我們?cè)谶m當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置這樣的指令：

NOP

NOP

LJMP  0000H

對(duì)于軟件陷阱的安排，我們主要安排在這樣一些區(qū)域，未使用的中斷區(qū)，未使用的EPROM空間及非EPROM空間。程序運(yùn)行區(qū)，及中斷服務(wù)程序區(qū)。在這里我們主要來看前三種：

1、  未使用的中斷區(qū)

如果對(duì)于未使用的中斷因干擾而開放的話，我們可以把中斷服務(wù)程序這樣來寫：

NOP

NOP

POP   D1    ；將原來的錯(cuò)誤斷點(diǎn)彈出

POP   D2    ；將原來的錯(cuò)誤斷點(diǎn)彈出

PUSH  00H

PUSH  00H    ；將斷點(diǎn)地址重寫為0000H

RETI

2、  未使用的EPROM區(qū)

假設(shè)我們用了一片2764，但并沒有用完整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。這時(shí)候就可在未用的區(qū)域里填充上020000數(shù)據(jù)，這樣當(dāng)程序飛入其中時(shí)就會(huì)很快的走入正軌。這條指令其實(shí)是“LJMP  0000H”的機(jī)器碼。

3、  非EPROM空間

單片機(jī)系統(tǒng)的程序空間是64K，正常情況下我們所使用的EPROM不會(huì)占用所有的空間，假設(shè)我們現(xiàn)在的EPROM占用16K的空間那么剩下的48K空間就被閑置不用了。當(dāng)亂飛的PC落入這些空間時(shí)，讀入的數(shù)據(jù)將為FFH，這是 ：MOV   R7，A  指令的機(jī)器碼，將修改R7的內(nèi)容。因此，當(dāng)程序亂飛入非EPROM芯片區(qū)后，不僅無法導(dǎo)入正規(guī)，面且破壞了R7的內(nèi)容。

我們知道，當(dāng)CPU讀程序存儲(chǔ)器的時(shí)候，伴隨著會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PSEN信號(hào)，我們就可利用這個(gè)信號(hào)，再加上一個(gè)非EPROM區(qū)的地址譯碼信號(hào)，構(gòu)成一個(gè)選通信號(hào)來起動(dòng)一個(gè)空閑的中斷，再用軟件陷井的方法從中斷程序中把程序?qū)胝?guī)。我們可看下面的一個(gè)圖：

 

我們也可通過硬件的方法用一個(gè)緩沖器直接給數(shù)據(jù)線寫一個(gè)值，其原理與上述方法相同。

三、   軟件看門狗技術(shù)

我們知道看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。硬件看門狗是利用了一個(gè)定時(shí)器，來監(jiān)控主程序的運(yùn)行，也就是說在主程序的運(yùn)行過程中，我們要在定時(shí)時(shí)間到之前對(duì)定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說PC指針不能回來。那么定時(shí)時(shí)間到后就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。

軟件看門狗技術(shù)的原理和這差不多，只不過是用軟件的方法實(shí)現(xiàn)，我們還是以51系列來講，我們知道在51單片機(jī)中有兩個(gè)定時(shí)器，我們就可以用這兩個(gè)定時(shí)器來對(duì)主程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。我們可以對(duì)T0設(shè)定一定的定時(shí)時(shí)間，當(dāng)產(chǎn)生定時(shí)中斷的時(shí)候?qū)σ粋€(gè)變量進(jìn)行賦值，而這個(gè)變量在主程序運(yùn)行的開始已經(jīng)有了一個(gè)初值，在這里我們要設(shè)定的定時(shí)值要小于主程序的運(yùn)行時(shí)間，這樣在主程序的尾部對(duì)變量的值進(jìn)行判斷，如果值發(fā)生了預(yù)期的變化，就說明T0中斷正常，如果沒有發(fā)生變化則使程序復(fù)位。

對(duì)于T1我們用來監(jiān)控主程序的運(yùn)行，我們給T1設(shè)定一定的定時(shí)時(shí)間，在主程序中對(duì)其進(jìn)行復(fù)位，如果不能在一定的時(shí)間里對(duì)其進(jìn)行復(fù)位，T1 的定時(shí)中斷就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。在這里T1的定時(shí)時(shí)間要設(shè)的大于主程序的運(yùn)行時(shí)間，給主程序留有一定的的裕量。而T1的中斷正常與否我們?cè)儆?/SPAN>T0定時(shí)中斷子程序來監(jiān)視。這樣就夠成了一個(gè)循環(huán)，T0監(jiān)視T1，T1監(jiān)視主程序，主程序又來監(jiān)視T0，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。