單片機(jī)軟件抗干擾技術(shù)
發(fā)布時(shí)間：2018-03-26 瀏覽量：
電子儀器設(shè)備的抗干擾技術(shù)是一門博大精深的領(lǐng)域。大部分的電子設(shè)備所在的工作環(huán)境往往比較惡劣，干擾嚴(yán)重，這些干擾會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的正常工作，使其不能正常運(yùn)行，比如空調(diào)就工作在高溫、大電流、強(qiáng)干擾（電機(jī)）的環(huán)境下。因此，為了保證這些設(shè)備能在實(shí)際應(yīng)用中可靠地工作，必須要周密考慮和解決抗干擾的問題。除了在硬件上考慮抗干擾的問題，我們也可以在軟件上做一些抗干擾的措施，來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。下面簡(jiǎn)單介紹了幾個(gè)抗干擾的措施，起一個(gè)拋磚引玉的作用，希望各位同事可以在工作中加以應(yīng)用和完善。
一、數(shù)字量輸入輸出中的軟件抗于擾
數(shù)字量輸入過程中的干擾，其作用時(shí)間較短，因此在采集數(shù)字信號(hào)時(shí)，可多次重復(fù)采集，直到若干次采樣結(jié)果一致時(shí)才認(rèn)為其有效。例如通過A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量各種模擬量時(shí)，如果有干擾作用于模擬信號(hào)上，就會(huì)使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離真實(shí)值。這時(shí)如果只采樣一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，就無(wú)法知道其是否真實(shí)可靠，而必須進(jìn)行多次采樣，得到一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)系列，對(duì)這一系列數(shù)據(jù)再作各種數(shù)字濾波處理，最后才能得到一個(gè)可信度較高的結(jié)果值。如果對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)多次采樣后得到的信號(hào)值變化不定，說(shuō)明此時(shí)的干擾特別嚴(yán)重，已經(jīng)超出允許的范圍，應(yīng)該立即停止采樣并給出報(bào)警信號(hào)。如果數(shù)字信號(hào)屬于開關(guān)量信號(hào)，如限位開關(guān)、操作按扭等，則不能用多次采樣取平均值的方法，而必須每次采樣結(jié)果絕對(duì)一致才行。這時(shí)可編寫一個(gè)采樣子程序，程序中設(shè)置有采樣成功和采樣失敗標(biāo)志，如果對(duì)同一開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行若干次采樣，其采樣結(jié)果完全一致，則成功標(biāo)志置位；否則失敗標(biāo)志置位。后續(xù)程序可通過判別這些標(biāo)志來(lái)決定程序的流向。
單片機(jī)控制的設(shè)備對(duì)外輸出的控制信號(hào)很多是以數(shù)字量的形式出現(xiàn)的。單片機(jī)給出一個(gè)正確的數(shù)據(jù)后，由于外部干擾的作用有可能使輸出裝置得到一個(gè)被改變了的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，從而使輸出裝置發(fā)生誤動(dòng)作。對(duì)于數(shù)字量輸出軟件抗干擾最有效的方法是重復(fù)輸出同一個(gè)數(shù)據(jù)，重復(fù)周期應(yīng)盡量短。這樣輸出裝置在得到一個(gè)被干擾的錯(cuò)誤信號(hào)后，還來(lái)不及反應(yīng)，一個(gè)正確的信號(hào)又來(lái)到了，從而可以防止誤動(dòng)作的產(chǎn)生。
在程序結(jié)構(gòu)上，可將輸出過程安排在監(jiān)控循環(huán)中。循環(huán)周期取得盡可能短，就能有效地防止輸出設(shè)備的錯(cuò)誤動(dòng)作。需要注意的是。經(jīng)過這種安排后輸出功能是作為一個(gè)完整的模塊來(lái)執(zhí)行的，與這種重復(fù)輸出措施相對(duì)應(yīng)。軟件設(shè)計(jì)中還必須為各個(gè)外部輸出設(shè)備建立一個(gè)輸出暫存單元，每次將應(yīng)輸出的結(jié)果存入暫存單元中，然后再調(diào)用輸出功能模塊將各暫存單元的數(shù)據(jù)一一輸出，不管該數(shù)據(jù)是剛送來(lái)的，還是以前就有的。這樣可以讓每個(gè)外部設(shè)備不斷得到控制數(shù)據(jù)，從而使干擾造成的錯(cuò)誤狀態(tài)不能得以維持。在執(zhí)行輸出功能模塊時(shí)，應(yīng)將有關(guān)輸出接口芯片的初始狀態(tài)也一并重新設(shè)置。因?yàn)橛捎诟蓴_的作用可能使這些芯片的工作方式控制字發(fā)生變化，而不能實(shí)現(xiàn)正確的輸出功能，重新設(shè)置控制字就能避免這種錯(cuò)誤．確保輸出功能的正確實(shí)現(xiàn)。
二、程序執(zhí)行過程中的軟件抗于擾
前面述及的是針對(duì)輸入輸出通道而言的，干擾信號(hào)還未作用到CPU本身，CPU還能正確地執(zhí)行各種抗干擾程序。如果干擾信號(hào)已經(jīng)通過某種途徑作用到了CPU上，則CPU就不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂，這就是通常所說(shuō)的程序“跑飛”。程序“跑飛”后使其恢復(fù)正常的一個(gè)最簡(jiǎn)單的方法是使CPU復(fù)位，讓程序從頭開始重新運(yùn)行。很多單片機(jī)控制的設(shè)備中都有設(shè)置人工復(fù)位電路。人工復(fù)位一般是在整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)完全癱瘓，無(wú)計(jì)可施的情況下才不得已而為之的。因此在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到萬(wàn)一程序“跑飛”，應(yīng)讓其能夠自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)下運(yùn)行。
程序“跑飛”后往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來(lái)執(zhí)行，從而引起整個(gè)程序的混亂。采用“指令冗余”是使“跑飛”的程序恢復(fù)正常的一種措施。所謂“指令冗余”，就是在一些關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)的空操作指令NOP。當(dāng)程序“跑飛”到某條單字節(jié)指令上時(shí)，就不會(huì)發(fā)生將操作數(shù)當(dāng)成指令來(lái)執(zhí)行的錯(cuò)誤。對(duì)于MCS51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，所有的指令都不會(huì)超過3個(gè)字節(jié)，因此在某條指令前面插入兩條NOP指令，則該條指令就不會(huì)被前面沖下來(lái)的失控程序拆散，而會(huì)得到完整的執(zhí)行，從而使程序重新納入正常軌道。通常是在一些對(duì)程序的流向起關(guān)鍵作用的指令前面插入兩條NOP指令。應(yīng)該注意的是在一個(gè)程序中“指令冗余”不能使用過多，否則會(huì)降低程序的執(zhí)行效率。
采用“指令冗余”使“跑飛”的程序恢復(fù)正常是有條件的，首先“跑飛”的程序必須落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行到所設(shè)置的冗余指令。如果“跑飛”的程序落到非程序區(qū)（如 EPROM中未用完的空間或某些數(shù)據(jù)表格等），或在執(zhí)行到冗余指令之前已經(jīng)形成了一個(gè)死循環(huán)，則“指令冗余”措施就不能使“跑飛”的程序恢復(fù)正常了。這時(shí)可以采用另一種軟件抗干擾措施，即腸胃“軟件陷阱”。“軟件陷阱”是一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專門處理錯(cuò)誤的程序。假設(shè)這段處理錯(cuò)誤的程序入口地址為ERR，則下面三條指令即組成一個(gè)“軟件陷阱”：
NOP
NOP
JR ERR
如果“跑飛”的程序落到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中時(shí)，冗余指令和軟件陷阱都將無(wú)能為力。這時(shí)可以采用人工復(fù)位的方法使系統(tǒng)恢復(fù)正常，實(shí)際上可以設(shè)計(jì)一種模仿人工監(jiān)測(cè)的“程序運(yùn)行監(jiān)視器”，俗稱“看門狗”（WATCHDOG）。
WATCHDOG有如下特征：
（1）本身能獨(dú)立工作，基本上不依賴于 CPU。CPU只在一個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)與之打一次交道，表明整個(gè)系統(tǒng)“目前尚屬正常”。
（2）當(dāng)CPU落入死循環(huán)之后，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并使整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。
目前有很多單片機(jī)在內(nèi)部已經(jīng)集成了片內(nèi)的硬件WATCHDOG電路，使用起來(lái)更為方便。也可以用軟件程序來(lái)形成WATCHDOG。例如可以采用單片機(jī)一個(gè)多于不用的定時(shí)器來(lái)形成10ms的軟件WATCHDOG。軟件WATCHDOG啟動(dòng)后，系統(tǒng)工作程序必須每隔小于10ms的時(shí)間重新設(shè)置定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值。如果程序“跑飛”后執(zhí)行不到這條指令，則在10ms之內(nèi)即會(huì)產(chǎn)生一次定時(shí)器溢出中斷，則定時(shí)器中斷程序就可以處理系統(tǒng)“意外”的情況。
采用軟件WATCHDOG有一個(gè)弱點(diǎn)，就是如果“跑飛”的程序使某些操作數(shù)變形成為了修改定時(shí)器功能的指令，則執(zhí)行這種指令后軟件WATCHDOG就會(huì)失效。因此軟件WATCHDOG的可靠性不如硬件高。