軟件抗干擾技術(shù)及其在單片機上的應用

1引言

微機測控系統中，對軟件有以下幾個(gè)方面的基本要求：

(1)可維護性：要求盡可能地采用模塊化設計，程序流程清晰明了，最大限度地控制使用和調用嵌套次數；

(2)可理解性：軟件源代碼應注意加注提示內容，一般應不少于整個(gè)代碼行數的60％，使其易于理解和閱讀，便于修改和補充；

(3)實(shí)時(shí)性：隨著(zhù)集合度和運算速度的提高，實(shí)時(shí)性已經(jīng)成為測試系統對軟件的普遍要求，在工程應用軟件設計中，采用匯編語(yǔ)言要比采用高級語(yǔ)言更具有實(shí)時(shí)性；

(4)準確性：系統要求在進(jìn)行大量運算時(shí)，要選取合適的算法，以便控制最后結果的精度；

(5)可靠性：可靠性是測控軟件最重要的指標之一，他要求兩方面的內容：一方面是運行參數環(huán)境發(fā)生變化時(shí)(如電壓在規定范圍內出現較大波動(dòng))，軟件都能可靠運行并得出正確的結果，也就是軟件的自適應性；另一方面是在工作環(huán)境惡劣，干擾環(huán)境復雜嚴重的情況下，軟件必須保證可靠運行，這對測控軟件尤為重要。為了保證以上兩方面的要求，就必須使用多種抗干擾技術(shù)。

2軟件抗干擾技術(shù)及一般方法

2．1簡(jiǎn)介

軟件抗干擾技術(shù)是當系統受干擾后，使系統恢復正常運行或輸入信號受干擾后去偽存真的一種輔助方法。此技術(shù)屬于一種被動(dòng)抗干擾措施，但是由于軟件抗干擾設計靈活，節省硬件資源，操作起來(lái)方便易行，所以軟件抗干擾技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。

軟件抗干擾技術(shù)主要研究的方面：

(1)采取軟件的方法對疊加在模擬輸入信號上的噪聲進(jìn)行抑制，以讀取真正有用的信息，如數字濾波器；

(2)在程序受到干擾跑飛的情況下，采取措施使程序回到正常的軌道上來(lái)，常見(jiàn)的抗干擾技術(shù)有：軟件攔截技術(shù)(軟件陷阱等)；輸人口信號重復檢測方法；輸出口數據刷新；數字濾波；

(3)程序具有自檢功能。

2．2軟件攔截技術(shù)

2．2．1NOP指令使用

單片機中最容易受到干擾的是內部程序計數器--PC的值，當受到干擾時(shí)，PC值被改變，CPU誤將程序從正確位置跳轉到無(wú)意義區域，導致程序運行出錯。

目前常用的方法是在對程序走向有重要作用的指令(RET，LCALL，SJMP，JC，LJMP，ACALL等)之前加人2～3個(gè)單字節的NOP指令，當失控的程序遇到該指令后得到調整，使接下來(lái)的程序得以正常執行。從實(shí)際使用過(guò)程中總結可知，應盡量多的使用NOP指令，而且發(fā)現NOP指令成對使用時(shí)，能起到比較滿(mǎn)意的抗干擾效果。

2．2．2軟件陷阱

(1)未使用的中斷區

對于未使用的中斷源因干擾而開(kāi)放，從而直接影響軟件的正常工作的中斷源，采用的方法一般是在對應的中斷服務(wù)地址入口處設置軟件陷阱，使其跳轉到程序入口，通常的軟件陷阱設置如下面的程序：0RG0003H

LJMP0000H；主程序入口

而在實(shí)際使用中，此種處理方法并不合適，特別是在系統聯(lián)試中，突然重新執行程序的情況應盡量避免。實(shí)際處理應該是讓其進(jìn)入一個(gè)信息處理程序，并顯示相關(guān)信息。這樣做既可以使程序捕捉到錯誤的中斷后，及時(shí)離開(kāi)，又可以根據相關(guān)信息快速定位便于試驗順利進(jìn)行。

如程序所示，只有定時(shí)器T0中斷開(kāi)放，對于可能影響程序的中斷，如外部中斷、定時(shí)器T1中斷，在其中斷地址人口，均加上了軟件陷阱，使其跳轉到ER38這個(gè)故障處理程序，從而避免程序的跑飛，也便于判斷程序的走向。

(2)未使用的EPROM空間

當裝載軟件程序的存儲芯片為27C64，其地址空間為0000H～1FFFFH，一般程序很少能夠用完，可填充FF。而FFH是MOVR7，A的機器碼，當程序亂入非程序區后，不僅無(wú)法轉入正軌，而且還會(huì )破壞R7的內容，因此在實(shí)際使用過(guò)程對未使用的EPROM空間應全部填充為0，因為程序復位入口地址為0000H，當跑飛的程序指針跳至無(wú)程序處，可以讓其重新指向主程序入口，可以起到防跑飛的功能。

(3)程序區

為了保證可靠的運行，以及一旦發(fā)生跑飛，不但使其有出口而且便于判斷，實(shí)際應用中在整個(gè)程序中設置了若干軟件陷阱，當程序進(jìn)入陷阱后，讓其強制進(jìn)入一個(gè)指定地址執行一段專(zhuān)門(mén)對程序出錯進(jìn)行處理的程序。通過(guò)試驗驗證和使用中的經(jīng)驗總結，在外場(chǎng)軟件編寫(xiě)中，軟件陷阱的設置，主要是在正常的程序流程中，在認為較為重要的程序段中，隨機設置若干個(gè)故障信息顯示程序區，一方面是完成正常的故障信息的顯示，另一方面就是在程序跑飛的情況下，通過(guò)故障信息的顯示，可以快速判斷跑飛'，的程序段，從而使程序步入正軌。程序流程如圖1所示。

2．2．3輸入口信號重復檢測方法

對于重要開(kāi)關(guān)量輸入信號的檢測，實(shí)際應用中一般采用3次或5次重復檢測的方法，即對接口中的輸人數據信息進(jìn)行重復進(jìn)行3次或5次檢測，若結果完全一致則認為是真的輸入信號，若多次測試結果不一致，即可以停止檢測顯示故障信息，又可以重復進(jìn)行再檢測。

對于軟件測量而言，輸入量干擾大多數是疊加到有效信號上的一系列作用時(shí)間短的尖脈沖，但是頻率不一致，因此應在相鄰的檢測之間應有一定的時(shí)間間隔。理論上可以是等時(shí)間段的，而在實(shí)際使用過(guò)程中，由于外部環(huán)境比較復雜，等時(shí)間段只能濾除某個(gè)頻段的干擾，為了濾除盡可能多的干擾，間隔時(shí)間應為不等的時(shí)間段，但是對數據影響較大的尖峰，通過(guò)觀(guān)察其波形可知，其作用的時(shí)間寬度在幾十到幾百μs之間，所以把濾波時(shí)間限定ms級上。在經(jīng)過(guò)使用和驗證，此方法可以有效地保證軟件可靠運行。需要注意的是，對于軟件時(shí)序要求比較嚴格場(chǎng)合，延時(shí)查詢(xún)時(shí)間不宜過(guò)長(cháng)，查詢(xún)次數一般以3次為宜。

程序流程如圖2所示。

2．2．4輸出端口數據刷新

開(kāi)關(guān)量輸出軟件抗干擾技術(shù)主要采用的方法是重復輸出，這是提高輸出端口穩定性的有效措施之一。外場(chǎng)設備的微機系統為51單片機系統，采用了8155，8255可編程I/O擴展芯片，理論上只在上電啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)行初始化一次即可。但是在實(shí)際使用中發(fā)現，由于干擾等原因，可使芯片的工作控制字遭到破壞，從而使系統輸入輸出狀態(tài)混亂的情況時(shí)有發(fā)生，因此，在讀取重要信號之前，先對8155，8255進(jìn)行初始化操作，通過(guò)一段時(shí)間軟件運行，穩定度大大提高，但是狀態(tài)混亂情況仍有發(fā)生，經(jīng)過(guò)分析數據特點(diǎn)和系統要求后，認為8155、8255允許多次設置狀態(tài)字、控制字等，而且對系統并無(wú)不良影響。因此，在實(shí)際應用中，用到8255和8155之前均首先進(jìn)行初始化操作，然后再進(jìn)行狀態(tài)的讀取和寫(xiě)入。通過(guò)長(cháng)時(shí)間試驗和聯(lián)試，不再出現此類(lèi)問(wèn)題，軟件運行穩定可靠。另外應注意，在重復設置8255，8155芯片時(shí)，一定要將其工作方式、控制字一起設置，方可確保軟件可靠工作。程序流程如圖3所示。

2．2．5數字濾波

為了克服干擾對A/D轉換結果的影響，可根據情況采取相應的數字濾波技術(shù)。數字濾波的方法很多，如有中值濾波法、平均值濾波法等，經(jīng)過(guò)對不同濾波法的實(shí)際使用和試驗驗證，認為采用防脈沖干擾平均值濾波法，抗干擾效果比較明顯。

普通的平均值濾波，在干擾十分嚴重的場(chǎng)合，所得到的平均值中干擾的成分仍比較大，不易消除由于脈沖干擾而引起的誤差。而防脈沖干擾平均值濾波是在采集的N個(gè)數據中，去掉數據中的最大值和最小值，然后計算N-2個(gè)數據的算術(shù)平均值。在實(shí)際應用中，此法主要是用在A(yíng)D值的檢測上，由于外場(chǎng)設備中AD采集值判定，直接影響此設備能否投入使用，所以對所采AD值的可靠性要求高，采用此濾波法后，通過(guò)仿真可以清楚看出，在某些特定

的情況下，AD采集值波動(dòng)較大，但此法可以有效地避免了CPU對采集值的誤判，使軟件得以可靠運行。

程序流程如圖4所示，此程序完成的主要功能是調用A/D測量輸入子程序ACD，將循環(huán)采集的6個(gè)AD值，放在70H至75H的寄存器中，RO為記錄采集次數，70H和75H分別放置最大值和最小值，去除最大值和最小值后，將其余4個(gè)值求算術(shù)平均數，以得到的值為最終AD采集值放在68H寄存器中。

2．2．6程序自檢

程序自檢是提高測控軟件可靠性的有效方法之一。在實(shí)際應用中，自檢程序主要是對單片機系統的主要器件如8031的I/O口、外部擴展的可編程I/O接VI芯片、A/D器件、ROM器件等進(jìn)行檢測，如出現故障能夠給出故障部位。因此自檢程序不但可以了解與測試相關(guān)外設的工作情況，而且可避免因外設原因而使測控系統不能正常工作的干擾。

3結語(yǔ)

在采取以上所述的多種軟件抗干擾技術(shù)，經(jīng)過(guò)外場(chǎng)的沙塵、云雪的考驗和干擾復雜、嚴重的環(huán)境下驗證，完全可以保證軟件可靠運行。但是同時(shí)需要說(shuō)明的是，軟件抗干擾技術(shù)只是被動(dòng)的方式，只有在硬件沒(méi)計合理的情況下，使用適當的抗干擾技術(shù)，才能更有效地保證軟件可靠地工作。