單片機軟件抗干擾的幾種常見(jiàn)方法

在提高硬件系統抗干擾能力的同時(shí)，軟件抗干擾以其設計靈活、節省硬件資源、可靠性好越來(lái)越受到重視。下面以MCS-51單片機系統為例，對微機系統軟件抗干擾方法進(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容主要是：一、消除模擬輸入信號的噪聲(如數字濾波技術(shù));二、程序運行混亂時(shí)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(guò)程是先取操作碼，再取操作數。當PC受干擾出現錯誤，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當亂飛到某雙字節指令，若取指令時(shí)刻落在操作數上，誤將操作數當作操作碼，程序將出錯。若“飛”到了三字節指令，出錯機率更大。

在關(guān)鍵地方人為插入一些單字節指令，或將有效單字節指令重寫(xiě)稱(chēng)為指令冗余。通常是在雙字節指令和三字節指令后插入兩個(gè)字節以上的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行，程序自動(dòng)納入正軌。

此外，對系統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。因此先要合理設計陷阱，其次要將陷阱安排在適當的位置。

①軟件陷阱的設計

當亂飛程序進(jìn)入非程序區，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)行出錯處理。軟件陷阱是指用來(lái)將捕獲的亂飛程序引向復位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序區填入以下指令作為軟件陷阱：

NOPNOPLJMP 0000H其機器碼為0000020000。

②陷阱的安排

通常在程序中未使用的EPROM空間填0000020000。最后一條應填入020000，當亂飛程序落到此區，即可自動(dòng)入軌。在用戶(hù)程序區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(kāi)放時(shí)，在對應的中斷服務(wù)程序中設置軟件陷阱，能及時(shí)捕獲錯誤的中斷。如某應用系統雖未用到外部中斷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自恢復程序的設計可靠、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(gè)就可以進(jìn)行有效攔截。

1.3 軟件“看門(mén)狗”技術(shù)

若失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，通常采用“看門(mén)狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過(guò)不斷檢測程序循環(huán)運行時(shí)間，若發(fā)現程序循環(huán)時(shí)間超過(guò)最大循環(huán)運行時(shí)間，則認為系統陷入“死循環(huán)”，需進(jìn)行出錯處理。

“看門(mén)狗”技術(shù)可由硬件實(shí)現，也可由軟件實(shí)現。在工業(yè)應用中，嚴重的干擾有時(shí)會(huì )破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷。則系統無(wú)法定時(shí)“喂狗”，硬件看門(mén)狗電路失效。而軟件看門(mén)狗可有效地解決這類(lèi)問(wèn)題。

筆者在實(shí)際應用中，采用環(huán)形中斷監視系統。用定時(shí)器T0監視定時(shí)器T1，用定時(shí)器T1監視主程序，主程序監視定時(shí)器T0。采用這種環(huán)形結構的軟件“看門(mén)狗”具有良好的抗干擾性能，大大提高了系統可靠性。對于需經(jīng)常使用T1定時(shí)器進(jìn)行串口通訊的測控系統，則定時(shí)器T1不能進(jìn)行中斷，可改由串口中斷進(jìn)行監控(如果用的是MCS-52系列單片機，也可用T2代替T1進(jìn)行監視)。這種軟件“看門(mén)狗”監視原理是：在主程序、T0中斷服務(wù)程序、T1中斷服務(wù)程序中各設一運行觀(guān)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(wù)程序執行一次，T0Watch、T1Watch加1。在T0中斷服務(wù)程序中通過(guò)檢測T1Watch的變化情況判定T1運行是否正常，在T1中斷服務(wù)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(guò)檢測T0Watch的變化情況判別T0是否正常工作。若檢測到某觀(guān)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(shí)器T0和T1定時(shí)周期應予以全盤(pán)合理考慮。限于篇幅不贅述。

2、系統故障處理、自恢復程序的設計

單片機系統因干擾復位或掉電后復位均屬非正常復位，應進(jìn)行故障診斷并能自動(dòng)恢復非正常復位前的狀態(tài)。

2.1 非正常復位的識別

程序的執行總是從0000H開(kāi)始，導致程序從0000H開(kāi)始執行有四種可能：一、系統開(kāi)機上電復位;二、軟件故障復位;三、看門(mén)狗超時(shí)未喂狗硬件復位;四、任務(wù)正在執行中掉電后來(lái)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。

(1)硬件復位與軟件復位的識別

此處硬件復位指開(kāi)機復位與看門(mén)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(wú)影響。故對于微機測控系統，當程序正常運行時(shí)，將SP設置地址大于07H，或者將PSW的第5位用戶(hù)標志位在系統正常運行時(shí)設為1，那么系統復位時(shí)只需檢測PSW.5標志位或SP值便可判此是否硬件復位。

由于硬件復位時(shí)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(gè)或兩個(gè)單元作為上電標志。設40H用來(lái)做上電標志，上電標志字為78H，若系統復位后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(gè)單元作上電標志，則這種判別方法的可靠性更高。

(2)開(kāi)機復位與看門(mén)狗故障復位的識別

開(kāi)機復位與看門(mén)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。當系統正常運行時(shí)，設置一可掉電保護的觀(guān)測單元。當系統正常運行時(shí)，在定時(shí)喂狗的中斷服務(wù)程序中使該觀(guān)測單元保持正常值(設為AAH)，而在主程中將該單元清零，因觀(guān)測單元掉電可保護，則開(kāi)機時(shí)通過(guò)檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門(mén)狗復位。

(3)正常開(kāi)機復位與非正常開(kāi)機復位的識別

識別測控系統中因意外情況如系統掉電等情況引起的開(kāi)機復位與正常開(kāi)機復位，對于過(guò)程控制系統尤為重要。如某以時(shí)間為控制標準的測控系統，完成一次測控任務(wù)需1小時(shí)。在已執行測控50分鐘的情況下，系統電壓異常引起復位，此時(shí)若系統復位后又從頭開(kāi)始進(jìn)行測控則會(huì )造成不必要的時(shí)間消耗。因此可通過(guò)一監測單元對當前系統的運行狀態(tài)、系統時(shí)間予以監控，將控制過(guò)程分解為若干步或若干時(shí)間段，每執行完一步或每運行一個(gè)時(shí)間段則對監測單元置為關(guān)機允許值，不同的任務(wù)或任務(wù)的不同階段有不同的值，若系統正在進(jìn)行測控任務(wù)或正在執某時(shí)間段，則將監測單元置為非正常關(guān)機值。那么系統復位后可據此單元判系統原來(lái)的運行狀態(tài)，并跳到出錯處理程序中恢復系統原運行狀態(tài)

2.2 非正常復位后系統自恢復運行的程序設計

對順序要求嚴格的一些過(guò)程控制系統，系統非正常復位否，一般都要求從失控的那一個(gè)模塊或任務(wù)恢復運行。所以測控系統要作好重要數據單元、參數的備份，如系統運行狀態(tài)、系統的進(jìn)程值、當前輸入、輸出的值，當前時(shí)鐘值、觀(guān)測單元值等，這些數據既要定時(shí)備份，同時(shí)若有修改也應立即予以備份。

當在已判別出系統非正常復位的情況下，先要恢復一些必要的系統數據，如顯示模塊的初始化、片外擴展芯片的初始化等。其次再對測控系統的系統狀態(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(wù)、參數、運行時(shí)間等恢復，再進(jìn)入系統運行狀態(tài)。

應當說(shuō)明的是，真實(shí)地恢復系統的運行狀態(tài)需要極為細致地對系統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(wù)、多進(jìn)程測控系統，數據的恢復需考慮恢復的次序問(wèn)題。

系統基本初始化是指對芯片、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造成誤動(dòng)作。而復位前任務(wù)的初始化是指任務(wù)的執行狀態(tài)、運行時(shí)間等。

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(shí)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(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。細致周到地分析干擾源，硬件與軟件抗干擾相結合，完善系統監控程序，設計一穩定可靠的單片機系統是完全可行的