單片機(jī)系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計(jì)

方向陽

（鄭州市第六十三中學(xué)，河南鄭州450009）

0 引言

隨著單片機(jī)測控系統(tǒng)越來越復(fù)雜， 工作環(huán)境的干擾也越來越嚴(yán)重。 面對環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，大量的干擾源雖然不會造成單片機(jī)系統(tǒng)硬件的破壞，卻常常會侵入系統(tǒng)破壞數(shù)字信號的時(shí)序，更改單片機(jī)寄存器內(nèi)容，導(dǎo)致程序在地址空間內(nèi)“亂飛”，或者陷入死循環(huán)。 因此，要保證新型微控制器的可靠性、安全性，就必須在提高硬件可靠性的基礎(chǔ)上，在程序設(shè)計(jì)中采取措施，通過軟件技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

由于程序設(shè)計(jì)靈活，節(jié)省硬件資源，所以軟件抗干擾設(shè)計(jì)越來越引起人們的重視。下面，就以MCS-51 系列單片機(jī)為例，討論在基于單片機(jī)的測控系統(tǒng)中，主要應(yīng)用的軟件抗干擾設(shè)計(jì)。

1 指令冗余設(shè)計(jì)

“指令冗余”就是在程序關(guān)鍵的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。它是使程序從“亂飛”狀態(tài)恢復(fù)正常的一種有效措施，其前提條件要求PC 指針必須指向程序運(yùn)行區(qū)，且必須執(zhí)行到冗余指令。 正常情況下CPU 取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)，當(dāng)指令計(jì)數(shù)器PC 受到干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，程序便脫離正常軌道“亂飛”，導(dǎo)致CPU 把一些操作數(shù)當(dāng)作操作碼來執(zhí)行， 從而引起整個(gè)程序的混亂。

NOP 指令的插入是指令冗余設(shè)計(jì)的一種主要方式，由于MCS-51的所有指令不超過3 個(gè)字節(jié)，且多為單字節(jié)指令，所以通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個(gè)字節(jié)以上的NOP 指令。 這樣即使程序“亂飛”落到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP 的存在，就避免了后面的指令被當(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行，使程序自動納入正軌。

此外，在對于程序流向控制起決定作用（如RET、ACALL、LJMP 等）或?qū)ο到y(tǒng)工作狀態(tài)起重要作用（如SETB 等）的指令后面，插入兩條NOP 指令或重復(fù)寫入該指令，也可迅速將亂飛程序納入正軌，確保這些重要指令的正確執(zhí)行。

2 軟件陷阱的設(shè)計(jì)

當(dāng)亂飛的程序進(jìn)入非程序區(qū)，冗余指令便失去作用。 此時(shí)可通過軟件陷阱的設(shè)定，攔截亂飛程序，將其迅速引向一個(gè)指定位置，再進(jìn)行錯(cuò)誤處理，使程序重新納入正軌。

2.1 未使用的中斷向量區(qū)

MCS-51 單片機(jī)的中斷向量區(qū)為：0003H～002FH， 如果部分因干擾而開放的話，可以在此區(qū)設(shè)計(jì)軟件陷阱，捕捉錯(cuò)誤中斷。

設(shè)計(jì)陷阱時(shí)，首先要開放相應(yīng)的中斷，在中斷服務(wù)程序中安排軟件陷阱，將程序引至復(fù)位入口地址或處理錯(cuò)誤的程序入口地址。 當(dāng)設(shè)定復(fù)位入口地址時(shí)，常采用的軟件陷阱形式為：

NOP

NOP

LJMP 0000H

也可利用某中斷源，如定時(shí)溢出中斷T0，可在中斷服務(wù)程序中設(shè)定陷阱程序如下：

ORG 000BH ；T0 溢出中斷入口地址

NOP

NOP

POP ACC

POP ACC；丟棄PC 壓入堆棧的錯(cuò)誤斷點(diǎn)

PUSH 00H

PUSH 00H；將斷點(diǎn)地址0000H 送入棧頂

RETI

2.2 未使用的EPROM 區(qū)

作為軟件陷阱的常用指令形式：LJMP 0000H， 其機(jī)器碼為0000020000。 對于沒有使用完的EPROM 芯片空間， 可用020000 填充，如果程序飛入該區(qū)間，即可快速導(dǎo)入正軌。

3 程序監(jiān)視定時(shí)器的設(shè)計(jì)

程序監(jiān)視定時(shí)器（Watchdog，WDT），俗稱“看門狗”。 WDT 通過監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)， 判斷程序是否進(jìn)入死循環(huán)或出現(xiàn)程序跑飛現(xiàn)象，進(jìn)而強(qiáng)迫程序回到復(fù)位狀態(tài)。一可通過硬件電路實(shí)現(xiàn)，二可設(shè)置軟件“監(jiān)視跟蹤定時(shí)器”實(shí)現(xiàn)，也就是我們要講的軟件“看門狗”技術(shù)。

在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時(shí)會破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷,使對應(yīng)的中斷服務(wù)程序得不到執(zhí)行，此時(shí)硬件看門狗電路將失效，必須采用軟件“看門狗”予以配合，才能有效地解決此類問題。

設(shè)計(jì)軟件“看門狗”時(shí)，采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)，具體過程如下：

（1）用定時(shí)器T1 監(jiān)視主程序的運(yùn)行時(shí)間。估算系統(tǒng)主程序執(zhí)行一次循環(huán)所需的時(shí)間t，給T1 設(shè)定一稍大于t 的定時(shí)時(shí)間（給主程序留有一定的裕度），在主程序中對T1 進(jìn)行初始化編程。 如果主程序運(yùn)行出現(xiàn)故障，T1 不能被及時(shí)初始化， 經(jīng)過時(shí)間t 后，T1 必將產(chǎn)生溢出中斷，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，使PC 重新獲得主程序入口地址。 對于經(jīng)常使用定時(shí)器T1 進(jìn)行串行通訊的測控系統(tǒng)，T1 則不能進(jìn)行中斷， 可在主程序中設(shè)一運(yùn)行觀測標(biāo)志變量，改由串行口中斷進(jìn)行監(jiān)控。

（2）用定時(shí)器T0 監(jiān)視定時(shí)器T1 的運(yùn)行。在T1 中斷服務(wù)程中設(shè)一運(yùn)行觀測標(biāo)志變量WatchT1，T1 中斷服務(wù)程序每執(zhí)行一次，WatchT1加1，在T0 中斷服務(wù)程序中通過檢測WatchT1 的變化情況判定T1 運(yùn)行是否正常。 若檢測到標(biāo)志變量變化不正常，比如應(yīng)當(dāng)加1 而未加1，則可斷定主程序運(yùn)行出現(xiàn)故障，須在中斷服務(wù)程序中修改地址使程序重新復(fù)位。

（3）主程序監(jiān)視定時(shí)器T0 的運(yùn)行。 在T0 中斷服務(wù)程序中設(shè)一運(yùn)行觀測標(biāo)志變量WatchT0，T0 中斷服務(wù)程序每執(zhí)行一次，WatchT0 加1。主程序在運(yùn)行的開始儲存變量WatchT0 的初值，在主程序的尾部對變量進(jìn)行判斷比較， 如果變量值發(fā)生了預(yù)期的變化， 說明T0 中斷正常，如果沒有變化則使程序重新復(fù)位運(yùn)行。

采用以上這種環(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，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

從根本上來說，軟件抗干擾仍是被動措施，而硬件抗干擾是主動措施。所以對基于單片機(jī)的測控系統(tǒng)來說，由于干擾信號眾多，我們必須通過分析系統(tǒng)所處環(huán)境的各種干擾來源，采用硬件與軟件抗干擾相結(jié)合的方法，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序，更好地保證單片機(jī)系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

［1］王幸之.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

［2］劉光斌，劉冬，姚志成.單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)用抗干擾技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社,2003.

［3］何立民.MCS-51 系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.