單片機(jī)系統(tǒng)軟件抗干擾方法的探討
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、消除模擬輸入信號的嗓聲(如數(shù)字濾波技術(shù));二、程序運(yùn)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(shù)。當(dāng)PC受干擾出現(xiàn)錯誤,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。若“飛” 到了三字節(jié)指令,出錯機(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(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。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序。因此先要合理設(shè)計陷阱,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
當(dāng)亂飛程序進(jìn)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(jìn)行出錯處理。軟件陷阱是指用來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。
?。? ) 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,在對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱,能及時捕獲錯誤的中斷。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“LJMP 0000H”。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復(fù)程序的設(shè)計可靠、 完善,用“LJMP 0000H”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)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運(yùn)行時間,若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運(yùn)行時間,則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”,需進(jìn)行出錯處理。
“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)重的干擾有時會破壞中斷方式控制字,關(guān)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(shí)際應(yīng)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(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。對于需經(jīng)常使用T1定時器進(jìn)行串口通訊的測控系統(tǒng),則定時器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)程序中通過檢測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(yīng)當(dāng)加1而未加1,則轉(zhuǎn)到出錯處理程序作排除故障處理。當(dāng)然,對主程序最大循環(huán)周期、定時器T0和T1定時周期應(yīng)予以全盤合理考慮。限于篇幅不贅述。
評論