單片機系統(tǒng)軟件抗干擾的解決方案
在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時,軟件抗干擾以其設計靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好越來越受到重視。下面以MCS-51單片機系統(tǒng)為例,對微機系統(tǒng)軟件抗干擾方法進行研究。
1 軟件抗干擾方法的研究
在工程實踐中,軟件抗干擾研究的內容主要是: 一、消除模擬輸入信號的嗓聲(如數(shù)字濾波技術);二、程序運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PC受干擾出現(xiàn)錯誤,程序便脫離正常軌道“亂飛”,當亂飛到某雙字節(jié)指令,若取指令時刻落在操作數(shù)上,誤將操作數(shù)當作操作碼,程序將出錯。若“飛” 到了三字節(jié)指令,出錯機率更大。
在關鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令,或將有效單字節(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
所謂攔截,是指將亂飛的程序引向指定位置,再進行出錯處理。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序。因此先要合理設計陷阱,其次要將陷阱安排在適當?shù)奈恢谩?/P>
1.2.1 軟件陷阱的設計
當亂飛程序進入非程序區(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,再進行出錯處理。軟件陷阱是指用來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(qū)填入以下指令作為軟件陷阱:
NOP
NOP
LJMP 0000H
其機器碼為0000020000。
1.2.2 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(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。當使用的中斷因干擾而開放時,在對應的中斷服務程序中設置軟件陷阱,能及時捕獲錯誤的中斷。如某應用系統(tǒng)雖未用到外部中斷1,外部中斷1的中斷服務程序可為如下形式:
NOP
NOP
RETI
返回指令可用“RETI”,也可用“LJMP 0000H”。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復程序的設計可靠、 完善,用“LJMP 0000H”作返回指令可直接進入故障診斷程序,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個就可以進行有效攔截。
1.3 軟件“看門狗”技術
若失控的程序進入“死循環(huán)”,通常采用“看門狗”技術使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運行時間,若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間,則認為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”,需進行出錯處理。
“看門狗”技術可由硬件實現(xiàn),也可由軟件實現(xiàn)。 在工業(yè)應用中,嚴重的干擾有時會破壞中斷方式控制字,關閉中斷。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。
筆者在實際應用中,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)形結構的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能,大大提高了系統(tǒng)可靠性。對于需經常使用T1定時器進行串口通訊的測控系統(tǒng),則定時器T1不能進行中斷,可改由串口中斷進行監(jiān)控(如果用的是MCS-52系列單片機,也可用T2代替T1進行監(jiān)視)。這種軟件“看門狗”監(jiān)視原理是:在主程序、T0中斷服務程序、T1中斷服務程序中各設一運行觀測變量,假設為MWatch、T0Watch 、T1Watch,主程序每循環(huán)一次,MWatch加1,同樣T0、T1中斷服務程序執(zhí)行一次,T0Watch、 T1Watch加1。在T0中斷服務程序中通過檢測T1Watch的變化情況判定T1運行是否正常,在T1中斷服務程序中檢測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、定時器T0和T1定時周期應予以全盤合理考慮。限于篇幅不贅述。
2 系統(tǒng)故障處理、自恢復程序的設計
單片機系統(tǒng)因干擾復位或掉電后復位均屬非正常復位,應進行故障診斷并能自動恢復非正常復位前的狀態(tài)。
評論