單片機系統(tǒng)軟件抗干擾方法

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容主要是： 一、消除模擬輸入信號的嗓聲（如數字濾波技術）；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。當PC受干擾出現(xiàn)錯誤，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時刻落在操作數上，誤將操作數當作操作碼，程序將出錯。若“飛” 到了三字節(jié)指令，出錯機率更大。
  在關鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或將有效單字節(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上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當作操作數執(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
  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。因此先要合理設計陷阱，其次要將陷阱安排在適當的位置。
  1.2.1 軟件陷阱的設計
  當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。最后一條應填入020000，當亂飛程序 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。當使用的中斷因干擾而開放時，在對應的中斷服務程序中設置軟件陷阱，能及時捕獲錯誤的中斷。如某應用系統(tǒng)雖未用到外部中斷1，外部中斷1的中斷服務程序可為如下形式：
                       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)自恢復程序的設計可靠、 完善，用“LJMP 0000H”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
  若失控的程序進入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術使程序脫離“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，則認為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進行出錯處理。
  “看門狗”技術可由硬件實現(xiàn)，也可由軟件實現(xiàn)。 在工業(yè)應用中，嚴重的干擾有時會破壞中斷方式控制字，關閉中斷。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)形結構的軟件“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中斷服務程序、T1中斷服務程序中各設一運行觀測變量，假設為MWatch、T0Watch 、T1Watch,主程序每循環(huán)一次，MWatch加１，同樣T0、T1中斷服務程序執(zhí)行一次，T0Watch、 T1Watch加１。在T0中斷服務程序中通過檢測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，比如應當加1而未加1，則轉到出錯處理程序作排除故障處理。當然，對主程序最大循環(huán)周期、定時器T0和T1定時周期應予以全盤合理考慮。限于篇幅不贅述。
  2  系統(tǒng)故障處理、自恢復程序的設計
  單片機系統(tǒng)因干擾復位或掉電后復位均屬非正常復位，應進行故障診斷并能自動恢復非正常復位前的狀態(tài)。
  2.1 非正常復位的識別
  程序的執(zhí)行總是從0000H開始，導致程序從 0000H開始執(zhí)行有四種可能：一、系統(tǒng)開機上電復位；二、軟件故障復位；三、看門狗超時未喂狗硬件復位； 四、任務正在執(zhí)行中掉電后來電復位。四種情況中除第一種情況外均屬非正常復位，需加以識別。
  2.1.1 硬件復位與軟件復位的識別
  此處硬件復位指開機復位與看門狗復位，硬件復位對寄存器有影響，如復位后PC=0000H， SP＝07H，PSW＝00H等。而軟件復位則對SP、SPW無影響。故對于微機測控系統(tǒng)，當程序正常運行時，將SP設置地址大于07H，或者將PSW的第5位用戶標志位在系統(tǒng)正常運行時設為1。那么系統(tǒng)復位時只需檢測PSW.5標志位或SP值便可判此是否硬件復位。圖1是采用PSW.5作上電標志位判別硬、軟件復位的程序流程圖。

圖1 硬、軟件復位識別流程圖

此外，由于硬件復位時片內RAM狀態(tài)是隨機的，而軟件復位片內RAM則可保持復位前狀態(tài)，因此可選取片內某一個或兩個單元作為上電標志。設 40H用來做上電標志，上電標志字為78H，若系統(tǒng)復位后40H單元內容不等于78H，則認為是硬件復位，否則認為是軟件復位，轉向出錯處理。若用兩個單元作上電標志，則這種判別方法的可靠性更高。
  2.1.2 開機復位與看門狗故障復位的識別
  開機復位與看門狗故障復位因同屬硬件復位， 所以要想予以正確識別，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。當系統(tǒng)正常運行時，設置一可掉電保護的觀測單元。當系統(tǒng)正常運行時，在定時喂狗的中斷服務程序中使該觀測單元保持正常值（設為 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位。
  2.1.3 正常開機復位與非正常開機復位的識別
  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位與正常開機復位，對于過程控制系統(tǒng)尤為重要。如某以時間為控制標準的測控系統(tǒng)，完成一次測控任務需1小時。在已執(zhí)行測控50分鐘的情況下，系統(tǒng)電壓異常引起復位，此時若系統(tǒng)復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)測單元置為關機允許值，不同的任務或任務的不同階段有不同的值，若系統(tǒng)正在進行測控任務或正在執(zhí)某時間段，則將監(jiān)測單元置為非正常關機值。那么系統(tǒng)復位后可據此單元判系統(tǒng)原來的運行狀態(tài)，并跳到出錯處理程序中恢復系統(tǒng)原運行狀態(tài)。
  2.2 非正常復位后系統(tǒng)自恢復運行的程序設計
  對順序要求嚴格的一些過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)非正常復位否，一般都要求從失控的那一個模塊或任務恢復運行。所以測控系統(tǒng)要作好重要數據單元、參數的備份，如系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)的進程值、當前輸入、輸出的值，當前時鐘值、觀測單元值等，這些數據既要定時備份，同時若有修改也應立即予以備份。
  當在已判別出系統(tǒng)非正常復位的情況下，先要恢復一些必要的系統(tǒng)數據，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)、運行參數等予以恢復，包括顯示界面等的恢復。之后再把復位前的任務、參數、運行時間等恢復， 再進入系統(tǒng)運行狀態(tài)。
  應當說明的是，真實地恢復系統(tǒng)的運行狀態(tài)需 要極為細致地對系統(tǒng)的重要數據予以備份，并加以數據可靠性檢查，以保證恢復的數據的可靠性。
  其次，對多任務、多進程測控系統(tǒng)，數據的恢復需考慮恢復的次序問題，筆者實際應用的數據恢復過程流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)自恢復程序流程圖

圖中恢復系統(tǒng)基本數據是指取出備份的數據覆蓋當前的系統(tǒng)數據。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造成誤動作。而復位前任務的初始化是指任務的執(zhí)行狀態(tài)、運行時間等。
  3  結束語
  對于軟件抗干擾的一些其它常用方法如數字濾波、RAM數據保護與糾錯等，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合，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序，設計一穩(wěn)定可靠的單片機系統(tǒng)是完全可行的。