薛金水

(廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520)

各種單片機系統(tǒng)在應(yīng)用過程中不可避免會產(chǎn)生諸多干擾。干擾包括來源于周圍環(huán)境其他電氣設(shè)備的電磁場和電火花干擾，和內(nèi)部電子線路或電源變化產(chǎn)生的電磁干擾、固有噪聲源等。干擾會造成系統(tǒng)設(shè)備的信息輸入產(chǎn)生誤差、內(nèi)部程序損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)控制失靈，甚至是直接破壞系統(tǒng)硬件，引發(fā)安全事故。

對于消除干擾信號影響，采用硬件抗干擾措施是基礎(chǔ)。因為干擾信號主要通過硬件電路在信號檢測與輸入、數(shù)據(jù)處理和輸出控制等方面進(jìn)行過濾和抑制。和硬件抗干擾技術(shù)相比較而言，軟件抗干擾技術(shù)設(shè)計靈活、通用性強，在不增加硬件成本情況下，可以大幅度提高系統(tǒng)的工作可靠性，同時使系統(tǒng)具有自我檢測、自我調(diào)整和自我修復(fù)的能力，因而得到越來越廣泛采用。本文針對干擾對單片機的危害進(jìn)行分析，對相關(guān)單片機軟件抗干擾技術(shù)進(jìn)行研究和探討。

單片機應(yīng)用系統(tǒng)可以認(rèn)為是單片機主機接收傳感器輸入信號、經(jīng)過轉(zhuǎn)換和處理，輸出信號去控制執(zhí)行對象的過程(如圖1 所示)。

圖1 單片機應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

各種傳感器信息和控制信號從輸入通道進(jìn)入單片機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對各種信息的存儲、轉(zhuǎn)換、輸出控制信息，控制電動機等輸出執(zhí)行器件，所以，要針對干擾對單片機系統(tǒng)前向通道、后向通道和中間存儲和控制系統(tǒng)的影響，進(jìn)行軟件抗干擾技術(shù)分析。具體分析如下:

1 干擾對單片機系統(tǒng)的影響

1.1 影響單片機系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性

干擾能使微弱信號被淹沒在干擾信號中。數(shù)據(jù)采集誤差會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生死機、控制失靈甚至錯誤操作。

1.2 破壞單片機程序數(shù)據(jù)和表格

在單片機系統(tǒng)中，一些可以修改的程序及表格，如RAM、EEPROM 等存儲器中的數(shù)據(jù)都有可能被修改，使程序運行狀況受到影響，甚至造成系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)等不可預(yù)計情況。

1.3 干擾使系統(tǒng)運行失常

單片機受到干擾時，往往會非正常修改程序計數(shù)器PC指針，或者篡改程序數(shù)據(jù)，導(dǎo)致程序胡亂執(zhí)行一些指令，或者出現(xiàn)“跑飛”的情況，甚至出現(xiàn)死循環(huán)，使系統(tǒng)的輸出混亂、錯誤或死機。

1.4 干擾使輸出控制失常

單片機輸出是以對輸入信息的采集、存儲、分析、處理為基礎(chǔ)的，在前面環(huán)節(jié)受到干擾時，輸出的控制信號也會產(chǎn)生誤差。干擾也可能直接作用在輸出端口，例如改變了輸出電平(例如0 變成1、1 變成0 等)。都會導(dǎo)致輸出控制失常，嚴(yán)重的時候?qū)е驴刂葡到y(tǒng)失靈。

2 單片機系統(tǒng)軟件抗干擾技術(shù)

2.1 信號采集通道的軟件抗干擾技術(shù)

對信號輸入通道的軟件抗干擾措施中，數(shù)字濾波器濾波是抑制信號干擾的一種有效途徑。常用的幾種軟件濾波方法有:算術(shù)平均值法、軟件濾波器濾波法等。

1)算術(shù)平均值法，對某一個點數(shù)字連續(xù)采樣多次，計算其平均值作為該點采樣結(jié)果。這種方法對抑制隨機干擾有一定效果，但是對某較大脈沖干擾，會拉高其檢測數(shù)值。

針對以上不足，采用改進(jìn)的防脈沖干擾平均值法，每次取N 個數(shù)據(jù)，去除其中的最大值和最小值，而取剩余的N－2個值的平均值作為輸入數(shù)值，這樣可消除由于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾所引起的采樣值偏差。不足之處是用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，會占用較多的內(nèi)存空間和運行時間。

2)軟件濾波器濾波法

這種方法是利用軟件的數(shù)據(jù)算法實現(xiàn)信號濾波，根據(jù)采集數(shù)據(jù)特點采用低通、高通或者帶通濾波器，代替硬件實現(xiàn)相應(yīng)濾波功能［1］。

2.2 數(shù)據(jù)內(nèi)容檢查和修復(fù)的軟件抗干擾技術(shù)

單片機要實現(xiàn)實時控制，不可避免會涉及到數(shù)據(jù)內(nèi)容的自救和恢復(fù)，存儲器數(shù)據(jù)中部分?jǐn)?shù)據(jù)是可以毀壞，一部分是不允許丟失。系統(tǒng)中單片機的1/O 口、內(nèi)部RAM、特殊功能寄存器SFR、外部RAM 等反映系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的丟失會導(dǎo)致系統(tǒng)運行故障和錯誤，必須進(jìn)行有效保護和恢復(fù)。

1)系統(tǒng)自檢技術(shù)

程序自檢是提高測控系統(tǒng)可靠性的有效方法之一。在系統(tǒng)復(fù)位或者系統(tǒng)待機喚醒時，系統(tǒng)對單片機系統(tǒng)內(nèi)部I/O口、特殊功能寄存器SFR、程序狀態(tài)寄存器PSW、定時/中斷設(shè)置的關(guān)鍵信息等進(jìn)行檢測，如出現(xiàn)故障能夠反饋故障信息并報錯處理。自檢程序可避免因外設(shè)等原因而使測控系統(tǒng)不能正常工作的干擾［2］。

2)數(shù)據(jù)備份

為了防止主要數(shù)據(jù)在運行時遭到修改或破壞，將程序原始數(shù)據(jù)及運行過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)在幾個地方同時存放，實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份。當(dāng)原數(shù)據(jù)被破壞時，可以調(diào)用備份數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)。在建立備份數(shù)據(jù)時，應(yīng)注意以下幾點:一是各備份數(shù)據(jù)間應(yīng)遠(yuǎn)離分散設(shè)置，減少同時被破壞的可能性;二是各備份數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離堆棧區(qū)或數(shù)組區(qū)域，避免由堆棧操作錯誤或數(shù)組讀寫超出邊界引發(fā)數(shù)據(jù)丟失;三是備份的數(shù)據(jù)不得少于兩份，備份越多，可靠性越強;四是要確定備份的時間周期。

3)設(shè)立檢查的標(biāo)志數(shù)據(jù)

在RAM 區(qū)合理位置選擇幾個固定單元，在程序運行開始中將其設(shè)置成固定的數(shù)據(jù)，如“08H”等，注意這些數(shù)據(jù)不要設(shè)置成全部為0 或者全部為1。程序正常運行時，這些單元的內(nèi)容是不會改變的?？梢酝ㄟ^周期性的檢查這些數(shù)據(jù)是否變化來判斷系統(tǒng)是否受到了干擾。一旦發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)改變，立刻執(zhí)行數(shù)據(jù)恢復(fù)或者單片機復(fù)位程序［3］。

2.3 保障程序正常運行的軟件抗干擾技術(shù)

1)指令冗余技術(shù)

指令冗余技術(shù)是防止指令出錯、程序“跑飛”的有效方法。單片機在程序執(zhí)行指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。當(dāng)單片機程序“跑飛”時，程序指針可能在取指令時刻落在操作數(shù)上，則會誤將操作數(shù)當(dāng)作操作碼，或者將操作碼當(dāng)作操作數(shù)，從而導(dǎo)致程序出錯。若飛到3 字節(jié)指令，出錯的機率會更大。

指令冗余技術(shù)是執(zhí)行指令前面加上兩個以上NOP 指令。因NOP 指令是空操作的單字節(jié)指令，這樣即使亂飛程序在執(zhí)行兩個以上NOP 指令后，在執(zhí)行無論是雙字節(jié)或3字節(jié)指令時，其執(zhí)行指令時序都恢復(fù)正常，使程序重新納入正軌。

另外，在RETI、RET、LJMP、JB、LCALL 及JC 等對系統(tǒng)流向起重要作用的指令前加上兩條NOP，也可將亂飛的程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行。

需要注意的是一般在1 K 的程序中加入2～3 次冗余指令為宜，太多的冗余指令則會降低程序的運行效率。

2)軟件陷阱

程序存儲器中的未使用區(qū)域全部都是充滿1，對MCS-51來說是“MOV R7，A”的單字節(jié)指令，若因信號干擾導(dǎo)致程序“跑飛”到這些非程序存儲空間，就會引起程序執(zhí)行錯誤。軟件陷阱設(shè)計思路是捕獲“跑飛”的程序并且將程序引向“跑飛”處理子程序入口地址。這通常用2 條空操作和無條件跳轉(zhuǎn)指令實現(xiàn)，無條件跳轉(zhuǎn)指令指向程序“跑飛”處理子程序的入口地址。其具體實現(xiàn)代碼為:

NOP

NOP

LJMP FLY(FLY 為跑飛程序入口地址)

對中斷向量區(qū)后、表格區(qū)后、各子程序之間及一頁的末尾處加上軟件陷阱，效果會更好。

考慮到程序存儲器的容量，一般在1 K 空間設(shè)置2～3個軟件陷阱即可實現(xiàn)有效捕獲［4］。

3)軟件“看門狗”技術(shù)

如果“跑飛”的程序落到了臨時構(gòu)成的死循環(huán)中，也就是常說的“死機”時，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力了。這通常依靠軟件“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死機”狀態(tài)。軟件“看門狗”技術(shù)具體實現(xiàn)是利用單片機系統(tǒng)中定時器不斷檢測程序運行時間，若程序運行周期超過定時器設(shè)定的允許時間，則發(fā)出中斷信號，進(jìn)入中斷處理程序，強迫單片機復(fù)位，重新執(zhí)行程序。

2.4 保障輸出控制正常的軟件抗干擾技術(shù)

1)輸出端口數(shù)據(jù)重復(fù)輸出

輸出端的干擾多為干擾信號疊加在輸出通道上，產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖干擾，嚴(yán)重時干擾信號甚至?xí)蜎]正常輸出信號。由于外部脈沖信號的干擾，可能使單片機輸出設(shè)備偶爾會得到一個錯誤的數(shù)據(jù)，從而影響輸出控制的準(zhǔn)確性。為避免輸出誤動作發(fā)生最有效的方法就是重復(fù)輸出一個數(shù)據(jù)。在受干擾的信號還沒有影響執(zhí)行設(shè)備時，正確的信息又到來，這樣就可以及時防止誤動作的產(chǎn)生。在程序結(jié)構(gòu)上，可以為輸出數(shù)據(jù)安排一個存儲緩沖區(qū)，讓每個設(shè)備不斷重復(fù)得到輸出數(shù)據(jù)，從而使干擾造成的錯誤狀態(tài)不能維持，使系統(tǒng)維持正常運行［1］。

重復(fù)數(shù)據(jù)輸出主要對開關(guān)量數(shù)據(jù)輸出控制有效，但對于輸出變量按照一定規(guī)律變化的控制信號不能采用重復(fù)送數(shù)的方法，可以采用信號對比檢測方法。從設(shè)備的輸出信息中采集反饋數(shù)據(jù)，將反饋數(shù)據(jù)與對應(yīng)輸出信號比較，判斷數(shù)據(jù)傳輸是否正確。

2)設(shè)置硬件與軟件數(shù)據(jù)比較器實現(xiàn)輸出控制

在單片機硬件系統(tǒng)上設(shè)計輸出狀態(tài)寄存器，在軟件上設(shè)置輸出狀態(tài)存儲單元，在工作中實時比較從硬件與軟件采集的輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)干擾侵入后向通道造成輸出狀態(tài)破壞時，系統(tǒng)通過及時查詢、比較硬件輸出狀態(tài)與軟件存儲寄存器輸出狀態(tài)的一致性，來實現(xiàn)對輸出狀態(tài)的判斷和糾錯［5］。

3 結(jié)束語

干擾對于單片機的危害是多方面的、多角度的。本文根據(jù)干擾對單片機不同方面的影響和危害，分析其對應(yīng)軟件抗干擾措施。但是，軟件抗干擾是在硬件抗干擾的基礎(chǔ)上的補充和拓展，只有硬件和軟件抗干擾技術(shù)相結(jié)合，完善系統(tǒng)監(jiān)控和糾錯程序，才能有效確保單片機系統(tǒng)能夠長期、穩(wěn)定可靠的運行。

［1］王偉.軟件抗干擾在單片機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.機械管理開發(fā)，2010，25(3) ：203－204.

［2］李家坤.單片機應(yīng)用系統(tǒng)綜合抗干擾技術(shù)研究［J］.微型機與應(yīng)用，2012，31(7) ：74－76.

［3］張金柏，吳曉光，李宇.氬弧焊機控制系統(tǒng)的抗干擾研究［J］.武漢科技學(xué)院學(xué)報，2010：39－42.

［4］張文豐.單片機應(yīng)用的前瞻性抗干擾設(shè)計［J］.中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，2014(18) ：21－23.

［5］吳興純，趙金燕，楊秀蓮，等.單片機運用系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)研究與分析［J］.電子設(shè)計工程，2011，9(16) ：34－37.