【導讀】在工程實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。從根本上來說,硬件抗干擾是主動的,而軟件是抗干擾是被動的。本文將以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。
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(nèi)容主要是:一、消除模擬輸入信號的噪聲(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?qū)⒊鲥e。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?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?/div>
(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:
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(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:
NOPNOPRETI返回指令可用“RETI”,也可用“LJMP0000H”。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“LJMP0000H”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(jīng)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)。
2.1 非正常復位的識別
程序的執(zhí)行總是從0000H開始,導致程序從0000H開始執(zhí)行有四種可能:一、系統(tǒng)開機上電復位;二、軟件故障復位;三、看門狗超時未喂狗硬件復位;四、任務正在執(zhí)行中掉電后來電復位。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
此處硬件復位指開機復位與看門狗復位,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無影響。故對于微機測控系統(tǒng),當程序正常運行時,將SP設置地址大于07H,或者將PSW的第5位用戶標志位在系統(tǒng)正常運行時設為1,那么系統(tǒng)復位時只需檢測PSW.5標志位或SP值便可判此是否硬件復位。
由于硬件復位時片內(nèi)RAM狀態(tài)是隨機的,而軟件復位片內(nèi)RAM則可保持復位前狀態(tài),因此可選取片內(nèi)某一個或兩個單元作為上電標志。設40H用來做上電標志,上電標志字為78H,若系統(tǒng)復位后40H單元內(nèi)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。若用兩個單元作上電標志,則這種判別方法的可靠性更高。
(2)開機復位與看門狗故障復位的識別
開機復位與看門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(tǒng)正常運行時,設置一可掉電保護的觀測單元。當系統(tǒng)正常運行時,在定時喂狗的中斷服務程序中使該觀測單元保持正常值(設為AAH),而在主程中將該單元清零,因觀測單元掉電可保護,則開機時通過檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復位。
(3)正常開機復位與非正常開機復位的識別
識別測控系統(tǒng)中因意外情況如系統(tǒng)掉電等情況引起的開機復位與正常開機復位,對于過程控制系統(tǒng)尤為重要。如某以時間為控制標準的測控系統(tǒng),完成一次測控任務需1小時。在已執(zhí)行測控50分鐘的情況下,系統(tǒng)電壓異常引起復位,此時若系統(tǒng)復位后又從頭開始進行測控則會造成不必要的時間消耗。因此可通過一監(jiān)測單元對當前系統(tǒng)的運行狀態(tài)、系統(tǒng)時間予以監(jiān)控,將控制過程分解為若干步或若干時間段,每執(zhí)行完一步或每運行一個時間段則對監(jiān)測單元置為關機允許值,不同的任務或任務的不同階段有不同的值,若系統(tǒng)正在進行測控任務或正在執(zhí)某時間段,則將監(jiān)測單元置為非正常關機值。那么系統(tǒng)復位后可據(jù)此單元判系統(tǒng)原來的運行狀態(tài),并跳到出錯處理程序中恢復系統(tǒng)原運行狀態(tài)。
2.2 非正常復位后系統(tǒng)自恢復運行的程序設計
對順序要求嚴格的一些過程控制系統(tǒng),系統(tǒng)非正常復位否,一般都要求從失控的那一個模塊或任務恢復運行。所以測控系統(tǒng)要作好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份,如系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)的進程值、當前輸入、輸出的值,當前時鐘值、觀測單元值等,這些數(shù)據(jù)既要定時備份,同時若有修改也應立即予以備份。
當在已判別出系統(tǒng)非正常復位的情況下,先要恢復一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù),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(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)、運行參數(shù)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、參數(shù)、運行時間等恢復,再進入系統(tǒng)運行狀態(tài)。
應當說明的是,真實地恢復系統(tǒng)的運行狀態(tài)需要極為細致地對系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)予以備份,并加以數(shù)據(jù)可靠性檢查,以保證恢復的數(shù)據(jù)的可靠性。
其次,對多任務、多進程測控系統(tǒng),數(shù)據(jù)的恢復需考慮恢復的次序問題。
系統(tǒng)基本初始化是指對芯片、顯示、輸入輸出方式等進行初始化,要注意輸入輸出的初始化不應造成誤動作。而復位前任務的初始化是指任務的執(zhí)行狀態(tài)、運行時間等。
對于軟件抗干擾的一些其它常用方法如數(shù)字濾波、RAM數(shù)據(jù)保護與糾錯等,限于篇幅,本文未作討論。在工程實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。從根本上來說,硬件抗干擾是主動的,而軟件是抗干擾是被動的。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(tǒng)監(jiān)控程序,設計一穩(wěn)定可靠的單片機系統(tǒng)是完全可行的。