單片機控制系統(tǒng)中軟件抗干擾的應用

余智勇

摘要：在工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)、日常生活以及教學實驗相關設備中，單片機均有較廣泛的使用性。而單片機控制系統(tǒng)極易發(fā)生一些干擾性問題，同時由于干擾來源過于廣泛，使得單片機控制系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的干擾問題難以解決，從而系統(tǒng)無法繼續(xù)運行或在運行中出現(xiàn)錯誤，如情況嚴重甚至可能引起事故，為此，結(jié)合大量實踐，對單片機控制系統(tǒng)中軟件抗干擾應用進行了分析和闡述。

關鍵詞：單片機；控制系統(tǒng)；軟件；抗干擾

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.11.095

單片機不但體積小、價格低廉，而且可靠性高，控制功能良好，因此在工業(yè)領域、生活領域及軍事領域中都得到廣泛的技術(shù)應用。然而單片機控制系統(tǒng)由于受到各種因素的干擾，使其可靠性降低，因此為了確保系統(tǒng)在各種環(huán)境中都能夠長期、穩(wěn)定且安全運行，就必須對抗干擾問題加以解決。單片機控制系統(tǒng)是一種單片機為核心、運用計算機技術(shù)的微機控制系統(tǒng)，適用于各種工業(yè)控制，但工業(yè)現(xiàn)場條件到多較為惡劣，不但干擾因素多，而且干擾幅度大，常常影響系統(tǒng)的常規(guī)運行及其運行的可靠性，因此如何解決單片機控制系統(tǒng)軟件抗干擾問題一直是重要研究課題。

1干擾產(chǎn)生及系統(tǒng)受到的影響

對控制系統(tǒng)的干擾路徑不具統(tǒng)一性，可沿不同線路侵入到控制系統(tǒng)中。其中，電網(wǎng)常造成各種各樣的浪涌干擾電壓，其侵入路徑多以供電線路為主；控制系統(tǒng)配備安裝的接地裝置不可靠，同樣也是干擾生成的重要因素，各種傳感器、輸出線路以及輸入線路產(chǎn)生的故障或絕緣損壞均可造成干擾。此外，干擾還能夠通過場的形式對控制系統(tǒng)進行空間侵入。上述干擾類型的多發(fā)地帶包括高電壓地區(qū)、大電流地區(qū)以及高頻電磁場附近，同時干擾多以靜電感應和電磁感應等主要方式侵入到控制系統(tǒng)內(nèi)部。

上述干擾產(chǎn)生后對控制系統(tǒng)的三個部分造成不利影響。第一，輸入部分。當輸入部分受到干擾后，會出現(xiàn)模擬信號失真和數(shù)字信號亂碼現(xiàn)象，在這種錯誤信息被輸入的前提下，系統(tǒng)遵循指令后必然會造出錯誤反應。第二，輸出部分。輸出部位受到干擾后，就會輸出混亂信號，輸出信息無法正確反映出系統(tǒng)最真實輸出量，繼而會造成一系列不良后續(xù)結(jié)果。第三，系統(tǒng)內(nèi)核。在系統(tǒng)內(nèi)核受到干擾后，系統(tǒng)總線信息會出現(xiàn)一系列錯亂問題，進而導致程序失控，最終會引發(fā)許多無法預料的混亂，乃至某些重要數(shù)據(jù)資料可能被非法、錯誤改寫。

2控制系統(tǒng)信號輸入與輸出的軟件抗干擾方法

若控制系統(tǒng)內(nèi)核正常運行，僅輸入和輸出部分受到干擾，可通過輸入、輸出方法的軟件改進來消除或減輕干擾影響。

2.1改進控制系統(tǒng)的信號輸入方法

鑒于干擾信息以毛刺狀為主，并且作用時間短暫，因此可結(jié)合這一特點，對計劃采集的信號多次重復采樣，待連續(xù)幾次采樣結(jié)果完全一致，才能視作有效信號。如多次采樣信號一直變化不定，則可判定干擾存在，停止采集后，發(fā)報相關警信號。如實情況允許，可在兩次采集間適當插入延時，以此來實現(xiàn)寬信號干擾的對抗。此外，每個信號連續(xù)相同采集次數(shù)及最高次數(shù)，均可結(jié)合實際情況進行適當調(diào)整。

2.2改進控制系統(tǒng)的信號輸出方法

就控制系統(tǒng)軟件而言，消除系統(tǒng)輸出干擾最為有效的途徑就是對同一個數(shù)據(jù)作重復輸出，并且盡可能縮短重復周期，這樣一來，當外設接收到受到干擾的錯誤信號信息后，尚未作出反應，另外一個正確信號已經(jīng)再次被輸出，此種方法能有效防止輸出錯誤信號。

3控制系統(tǒng)內(nèi)部軟件程序失控抗干擾方法

在控制系統(tǒng)內(nèi)部程序失控后，針對程序失控的最簡單解決辦法就是人工復位CPU，迫使程序以0000H為起始重新執(zhí)行指令。除此之外，更有效的方法是利用軟件方法，使程序自動納入到正軌。

3.1冗余指令

如CPU所受干擾較強，則可能以操作碼方式執(zhí)行某些操作數(shù)，從而引發(fā)程序混亂，因此這時需要解決的首要問題就是在最短時間內(nèi)將程序引入到正軌。需指出的是，當程序彈飛到單字節(jié)指令后，系統(tǒng)會自行進入正軌；程序彈飛到雙字指令后，就可能會落入其他操作數(shù)，系統(tǒng)未能納入正軌，繼續(xù)出錯；程序彈飛在三字節(jié)指令上之后，兩個操作數(shù)影響下，繼續(xù)出錯的概率更高。因此建議使用單字節(jié)指令，同時可在關鍵處適當插入冗余單字節(jié)指令，也可以重復使用確認有效的單字節(jié)指令，以上即為指令冗余。

以多字節(jié)指令為基準，于其后插入兩個單字節(jié)指令，以防后續(xù)指令被拆散；再于其前插入兩個單字節(jié)指令，以避免前面的失控程序不會將這條指令再次拆散，最終使程序回歸正軌。很明顯，冗余指令的過多使用會嚴重影響控制系統(tǒng)的運行效率，因此冗余指令通常被使用在程序流向決定性指令和關系到系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要指令。

經(jīng)分析不難看出，通過冗余指令實現(xiàn)彈飛程序運轉(zhuǎn)正常需要滿足以下幾個條件。一方面，必須保證彈飛程序落在程序區(qū)；另一方面，執(zhí)行必須到達冗余指令。一旦彈飛程序未落到程序區(qū)，而是存儲器內(nèi)非程序區(qū)，那么第一個條件就無法到滿足；一旦彈飛程序尚未執(zhí)行到冗余指令便跌入死循環(huán)，那么就無法滿足第二個條件。針對這兩種狀況，最有效應對方法就是設立軟件陷阱和運行監(jiān)視系統(tǒng)。

3.2軟件陷阱

設一條指令，令其強行捕捉程序，并將捕獲程序引到某個指定地址，這個地址是處理程序錯誤問題的專

用程序。軟件陷阱的常見安放地址在非程序區(qū)，其中包括未使用過的中間向量區(qū)，程序存儲器內(nèi)未使用過的大量空間和各類表格最后位置。同時需注意，在各種執(zhí)行指令聯(lián)合構(gòu)成的程序區(qū)，通常不能任意安排軟件陷阱，一旦在此處設陷阱，正常執(zhí)行指令程序會被一起捕獲。此外，程序會于跳轉(zhuǎn)、調(diào)用及返回等指令后出現(xiàn)一些斷裂點，倘若是正常程序到達此處，就會暫停執(zhí)行活動，此時PC值正常跳變，使該執(zhí)行程序轉(zhuǎn)到其他入口處，而倘若到達此處的程序彈飛到斷裂點上或者前一個指令操作數(shù)上，那么程序便會跨越斷裂點繼續(xù)執(zhí)行指令，必然出錯。因此此處是軟件陷阱的最佳設置位置，既可以有效捕捉出錯程序，有不會干擾系統(tǒng)程序的正常任務執(zhí)行，即為軟件陷阱應安置在正常程序的執(zhí)行無法到達的位置，從而保證程序執(zhí)行不受影響。

3.3對程序運行構(gòu)建監(jiān)視系統(tǒng)

由前文介紹可知，當程序彈飛后跌入臨時死循環(huán)，冗余指令與軟件陷阱均不再發(fā)揮作用，這時如有操作人員在現(xiàn)場，可向下按復位按鈕，從而強制系統(tǒng)復位、擺脫死循環(huán)，然而由人員一直監(jiān)視系統(tǒng)不具可行性。譯名為“看門狗”的外國研發(fā)程序運行監(jiān)視系統(tǒng)“WATCHDOG”對這一問題給予了有效解決。WATCHDOG系統(tǒng)可獨立運行工作，對CPU的依賴程度趨近于零，同CPU間會在固定間隔時間內(nèi)進行一次聯(lián)系，由CPU告知當前運行狀況是否正常，同時若CPU落入死循環(huán)，此系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)并對系統(tǒng)進行復位處理。某些高檔單片機控制系統(tǒng)已植入WATCHDOG于自身芯片內(nèi)，在使用上極為方便。如單片機不具備此項功能，則可選用配置專門的WATCHDOG電路，例如可選配美國研發(fā)的MAX813L及X25043/45等，或者也可以通過計數(shù)器或者單穩(wěn)態(tài)電路結(jié)合自身需要，自行設計特色的WATCHDOG。

在系統(tǒng)程序跌入死循環(huán)之后，級別更高的中斷子程序才能夠奪取CPU控制權(quán)，所以可先用定時器設計WATCHDOG系統(tǒng)，并將溢出中斷改設成高優(yōu)先級的中斷。此WATCHDOG程序設計會占用控制系統(tǒng)的一個定時器，但并不是所有控制系統(tǒng)均能讓出定時器資源，因此可使定時器成為“兼職”型WATCHDOG，尤其分擔完成部分中斷處理子程序工作。一般情況下，“專職”型WATCHDOG溢出中斷正常狀態(tài)下不會發(fā)生，“兼職”型WATCHDOG卻一定會發(fā)生。

4結(jié)語

對于單片機控制系統(tǒng)來說，抗干擾措施十分的重要，它直接影響到控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)的安全性和效率性，因此在實際應用當中，抗干擾工作相關工作內(nèi)容和工作量甚至遠超于樣機的前期研制，一旦有所疏忽，則極有可能在投入現(xiàn)場作業(yè)后，樣機首次應用便出現(xiàn)故障問題。經(jīng)實踐，證明上述軟件抗干擾措施效果顯著，因此可聯(lián)合起來，精心設計，在最大程度上降低單片機控制系統(tǒng)受到的干擾影響，正常運轉(zhuǎn)，保證輸入、輸出信息的正確性和有效性。

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