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[導(dǎo)讀]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。

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)的噪聲(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?/p>

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:

NOPNOPLJMP 0000H其機(jī)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(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:

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(jì)可靠、完善,用“LJMP0000H”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開始,導(dǎo)致程序從0000H開始執(zhí)行有四種可能:一、系統(tǒng)開機(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。

(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。

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)開機(jī)復(fù)位與看門狗故障復(fù)位的識(shí)別

開機(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。

(3)正常開機(jī)復(fù)位與非正常開機(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機(jī)復(fù)位與正常開機(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。

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。

 

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

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