工控軟件的抗干擾設計
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關(guān)鍵詞：工控軟件、抗干擾、可靠性
The Anti-interference Design of Industrial Control Software
People's Liberation Army Institute of Grand Force,Foundation
Department,Niu HongTao
Abstract: The characteristic of interference in industrial enviroment has been introduced in this paper.The method of industrial control software anti-interence design has also been discussed in detail.
Keyword:industrial control software,anti-interference,reliability
計算機系統在工業(yè)現場(chǎng)使用時(shí)，大量的干擾源雖不能造成硬件系統的損壞，但常常使計算機系統不能正常運行，致使控制失靈，造成重大事故。計算機系統的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，因此，軟件抗干擾問(wèn)題的研究愈來(lái)愈引起人們的重視。
一、工控軟件的結構特點(diǎn)及干擾途徑
在不同的工業(yè)控制系統中，工控軟件雖然完成的功能不同，但就其結構來(lái)說(shuō)，一般具有如下特點(diǎn)：
實(shí)時(shí)性：工業(yè)控制系統中有些事件的發(fā)生具有隨機性，要求工控軟件能夠及時(shí)地處理隨機事件。
周期性：工控軟件在完成系統的初始化工作后，隨之進(jìn)入主程序循環(huán)。在執行主程序過(guò)程中，如有中斷申請，則在執行完相應的中斷服務(wù)程序后，繼續主程序循環(huán)。
相關(guān)性：工控軟件由多個(gè)任務(wù)模塊組成，各模塊配合工作，相互關(guān)聯(lián)，相互依存。
人為性：工控軟件允許操作人員干預系統的運行，調整系統的工作參數。在理想情況下，工控軟件可以正常執行。但在工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境的干擾下，工控軟件的周期性、相關(guān)性及實(shí)時(shí)性受到破壞，程序無(wú)法正常執行，導致工業(yè)控制系統的失控，其表現是：
程序計數器PC值發(fā)生變化，破壞了程序的正常運行。PC值被干擾后的數據是隨機的，因此引起程序執行混亂，在PC值的錯誤引導下，程序執行一系列毫無(wú)意義的指令，最后常常進(jìn)入一個(gè)毫無(wú)意義的“死循環(huán)”中，使系統失去控制。
輸入/輸出接口狀態(tài)受到干擾，破壞了工控軟件的相關(guān)性和周期性，造成系統資源被某個(gè)任務(wù)模塊獨占，使系統發(fā)生“死鎖”。
數據采集誤差加大。干擾侵入系統的前向通道，疊加在信號上，導致數據采集誤差加大。特別是當前向通道的傳感器接口是小電壓信號輸入時(shí)，此現象更加嚴重。
RAM數據區受到干擾發(fā)生變化。根據干擾竄入渠道、受干擾數據性質(zhì)的不同，系統受損壞的狀況不同，有的造成數值誤差，有的使控制失靈，有的改變程序狀態(tài)，有的改變某些部件(如定時(shí)器／計數器、串行口等)的工作狀態(tài)等。筆者在研制電力遠程抄表系統時(shí)就曾遇到因現場(chǎng)強電磁干擾而造成RAM數據經(jīng)常性被破壞的情況。
控制狀態(tài)失靈。在工業(yè)控制系統中，控制狀態(tài)的輸出常常是依據某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結果而定。在這些環(huán)節中，由于干擾的侵入，會(huì )造成條件狀態(tài)錯誤，致使輸出控制誤差加大，甚至控制失常。
二、程序運行失常的軟件對策
系統受到干擾侵害致使PC值改變，造成程序運行失常。對于程序運行失常的軟件對策主要是發(fā)現失常狀態(tài)后及時(shí)引導系統恢復原始狀態(tài)。
1.設置監視跟蹤定時(shí)器
使用定時(shí)中斷來(lái)監視程序運行狀態(tài)。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間稍大于主程序正常運行一個(gè)循環(huán)的時(shí)間，在主程序運行過(guò)程中執行一次定時(shí)器時(shí)間常數刷新操作。這樣，只要程序正常運行，定時(shí)器不會(huì )出現定時(shí)中斷。而當程序運行失常，不能及時(shí)刷新定時(shí)器時(shí)間常數而導致定時(shí)中斷，利用定時(shí)中斷服務(wù)程序將系統復位。在8031應用系統中作為軟件抗干擾的一個(gè)事例，具體做法是：
使用8155的定時(shí)器所產(chǎn)生的“溢出”信號作為8031的外部中斷源INT1。用555定時(shí)器作為8155中定時(shí)器的外部時(shí)鐘輸入；
8155定時(shí)器的定時(shí)值稍大于主程序的正常循環(huán)時(shí)間；
在主程序中，每循環(huán)一次，對8155定時(shí)器的定時(shí)常數進(jìn)行刷新；
在主控程序開(kāi)始處，對硬件復位還是定時(shí)中斷產(chǎn)生的自動(dòng)恢復進(jìn)行分類(lèi)判斷處理。
2.設置軟件陷井
當PC失控，造成程序“亂飛”而不斷進(jìn)入非程序區，只要在非程序區設置攔截措施，使程序進(jìn)入陷井，然后強迫使程序進(jìn)入初始狀態(tài)。例如Z80指令系統中數據FFH正好對應為重新起動(dòng)指令RST 56，該指令使程序自動(dòng)轉入0038H入口地址。因此，在Z80 CPU構成的應用系統中，只要將所有非程序區全部置成FFH用以攔截失控程序。并在0038H處設置轉移指令，使程序轉至抗干擾處理程序。
三、系統“死鎖”的軟件對策
在工業(yè)控制系統中，A/D、D/A，顯示等輸入/輸出接口電路是必不可少的。這些接口與CPU之間采用查詢(xún)或中斷方式工作，而這些設備或接口對干擾很敏感，干擾信號一旦破壞了某一接口的狀態(tài)字后，就會(huì )導致CPU誤認為該接口有輸入/輸出請求而停止現行工作，轉去執行相應的輸入/輸出服務(wù)程序。但由于該接口本身并沒(méi)有輸入/輸出數據，從而使CPU資源被該服務(wù)程序長(cháng)期占用，而不釋放，其它任務(wù)程序無(wú)法執行，使整個(gè)系統出現“死鎖”。對這種干擾造成的“死鎖”問(wèn)題，在軟件編程中，可采用“時(shí)間片”的方法來(lái)解決。其具體步驟為：
根據不同的輸入/輸出外設對時(shí)間的要求，分配相應的最大正常的輸入/輸出時(shí)間。
在每一輸入/輸出的任務(wù)模塊中，加入相應的超時(shí)判斷程序。這樣當干擾破壞了接口的狀態(tài)造成CPU誤操作后，由于該外設準備好信息長(cháng)期無(wú)效，經(jīng)一定時(shí)間后，系統會(huì )從該外設的服務(wù)程序中自動(dòng)返回，保證整個(gè)軟件的周期性不受影響，從而避免“死鎖”情況的發(fā)生。
四、數據采集誤差的軟件對策
根據數據受干擾性質(zhì)及干擾后果的不同，采取的軟件對策各不相同，沒(méi)有固定的模式。對于實(shí)時(shí)數據采集系統，為了消除傳感器通道中的干擾信號，在硬件措施上常采取有源或無(wú)源RLC網(wǎng)絡(luò )，構成模擬濾波器對信號實(shí)現頻率濾波。同樣，運用CPU的運算、控制功能也可以實(shí)現頻率濾波，完成模擬濾波器類(lèi)似的功能，這就是數字濾波。在許多數字信號處理專(zhuān)著(zhù)中都有專(zhuān)門(mén)論述，可以參考。隨著(zhù)計算機運算速度的提高，數字濾波在實(shí)時(shí)數據采集系統中的應用將愈來(lái)愈廣。在一般數據采集系統中，可以采用一些簡(jiǎn)單的數值、邏輯運算處理來(lái)達到濾波的效果。下面介紹幾種常用的方法。
1.算術(shù)平均值法
對于一點(diǎn)數據連續采樣多次，計算其算術(shù)平均值，以其平均值作為該點(diǎn)采樣結果。這種方法可以減少系統的隨機干擾對采集結果的影響。一般3～5次平均即可。
2.比較取舍法
當控制系統測量結果的個(gè)別數據存在偏差時(shí)，為了剔除個(gè)別錯誤數據，可采用比較取舍法，即對每個(gè)采樣點(diǎn)連續采樣幾次，根據所采數據的變化規律，確定取舍，從而剔除偏差數據。例如,“采三取二”即對每個(gè)采樣點(diǎn)連續采樣三次，取兩次相同的數據為采樣結果。
3.中值法
根據干擾造成采樣數據偏大或偏小的情況，對一個(gè)采樣點(diǎn)連續采集多個(gè)信號，并對這些采樣值進(jìn)行比較，取中值作為該點(diǎn)的采樣結果。
4.一階遞推數字濾波法
這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，實(shí)現用軟件方法代替硬件RC濾波器。一階遞推數字濾波公式為Yn=QXn+(1-Q)Yn-1式中Q -數字濾波器時(shí)間常數；Xn－第n次采樣時(shí)的濾波器輸入；Yn－第n次采樣時(shí)的濾波器輸出。采用軟件濾波器對消除數據采集中的誤差可以獲得滿(mǎn)意的效果。但應注意，選取何種方法應根據信號的變化規律選擇。
五、RAM數據出錯的軟件對策
在實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，干擾造成比較嚴重的危害之一就是沖毀RAM中的數據，由于RAM中保存的是各種原始數據、標志、變量等，如果被破壞，會(huì )造成系統出錯或無(wú)法運行，根據數據被沖毀的程度，一般可分為三類(lèi)：
* 整個(gè)RAM數據被沖毀；
* RAM中某片數據被沖毀；
* 個(gè)別數據被沖毀。
在工業(yè)控制系統中，RAM的大部分內容是為了進(jìn)行分析、比較而臨時(shí)存放的，不允許丟失的數據只占極少部分。在這種情況下，除了這些不允許丟失的數據外，其余大部分內容允許短時(shí)間被破壞，最多只引起系統的一個(gè)很短時(shí)間的波動(dòng)，很快能自動(dòng)恢復正常。因此，在工控軟件中，只要注意對少數不允許丟失的數據保護，一般常用的方法有“校驗法”和“設標法”。這兩種方法各有千秋，校驗法比較繁鎖，但查錯的可信度高。設標法簡(jiǎn)單，但對數據表中個(gè)別數據沖毀的情況，查錯則無(wú)難為力。在編程中一般應綜合使用，其具體做法為：
* 將RAM工作區重要區域的始端和尾端各設置一個(gè)標志碼“0” 或“1”；
* 對RAM中固定不變的數據表格設置校驗字。
在程序的執行過(guò)程中，每隔一定的時(shí)間通過(guò)事先設計的查錯程序來(lái)檢查其各標志碼是否正常，如果不正常，則利用數據冗余技術(shù)通過(guò)抗干擾處理程序來(lái)進(jìn)行修正；冗余數據表的一般設計原則是：
* 各數據表應相互遠離分散設置，減少冗余數據同時(shí)被沖毀的概率。
* 數據表應盡可能遠離棧區，減少由于操作錯誤造堆棧被成數據沖的可能。
上述對RAM區域的恢復處理方法，在不同的應用系統中應根據的具體情況進(jìn)行取舍。
六、控制狀態(tài)失常的軟件對策
在條件控制系統中，人們關(guān)注的問(wèn)題是能否確保正常的控制狀態(tài)。如果干擾進(jìn)入系統，會(huì )影響各種控制條件、造成控制輸出失誤。為了確保系統安全可以采取下述軟件抗干擾措施：
1.軟件冗余
對于條件控制系統，將控制條件的一次采樣、處理控制輸出，改為循環(huán)采樣、處理控制輸出。這種方法具有良好的抗偶然因素干擾作用。
2.設置當前輸出狀態(tài)寄存單元
當干擾侵入輸出通道造成輸出狀態(tài)破壞時(shí)，系統可以及時(shí)查詢(xún)當前輸出狀態(tài)寄存單元的輸出狀態(tài)信息，及時(shí)糾正錯誤的輸出狀態(tài)。
3.設置自檢程序
在計算機系統內的特定部位或某些內存單元設狀態(tài)標志，在運行中不斷循環(huán)測試，以保證系統中信息存儲、傳輸、運算的高可靠性。
上述介紹的幾種有關(guān)工控軟件的抗干擾編程方法是筆者在工作實(shí)踐中的體會(huì )。在設計工控軟件的過(guò)程中只要采取相應的抗干擾措施，就可獲得較好的抗干擾效果。如果結合各種硬件抗干擾措施一起使用，將會(huì )大大提高系統的可靠性。
參考文獻
1.豬獺博（日），計算機系統的高可靠性技術(shù)，國防工業(yè)出版社，1995年
2.周明德，微型計算機硬件軟件及其應用，清華大學(xué)出版社，1988年
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