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        單片機軟件控制系統(tǒng)抗干擾設計分析

        2017-12-27 00:28:32杜衛(wèi)平新疆輕工職業(yè)技術(shù)學院
        數(shù)碼世界 2017年8期
        關(guān)鍵詞:看門狗中斷陷阱

        杜衛(wèi)平 新疆輕工職業(yè)技術(shù)學院

        單片機軟件控制系統(tǒng)抗干擾設計分析

        杜衛(wèi)平 新疆輕工職業(yè)技術(shù)學院

        不同的單片機系統(tǒng)都是完整而獨立的,有自己的特點和要求。對于硬件和軟件抗干擾設計上,都體現(xiàn)出自己的特色。本論文針對無線電射頻干擾展開探討,同時也對交流電路工頻干擾等主要的干擾源和干擾方式進行研究,以硬件抗干擾措施為基礎,軟件抗干擾技術(shù)起到補充作用。關(guān)于軟件抗干擾所采取的措施,先要對測量對象有較全面的了解,并對干擾因素進行探討,在此基礎上還要考慮到系統(tǒng)的特殊性,制計出有效的抗干擾方案。

        單片機 控制系統(tǒng) 干擾設計

        1 干擾對單片機應用系統(tǒng)的影響

        1.1 測量數(shù)據(jù)誤差加大

        如果干擾因素侵入到單片機系統(tǒng)之中,并且進入到測量單元模擬信號輸入通道,與測量信息發(fā)生疊加,導致數(shù)據(jù)采集的難度加大,出現(xiàn)各種誤差,尤其是在對微弱信號進行檢測時,如果干擾信號過強,而測量信號過弱,則會導致測量被淹沒的情況發(fā)生。

        1.2 控制系統(tǒng)失靈

        單片機輸出的控制信號存在這種現(xiàn)象,通常情況下會對處于某些條件的情況下,對于輸入信號以及對信號的邏輯入理結(jié)果過于依賴。如果輸入狀態(tài)信號被干擾,有虛假狀態(tài)的信息介入其中,則會出現(xiàn)輸出控制誤差加大的情況,嚴重時會導致控制失靈。

        1.3 影響單片機RAM存儲器和E2PROM的問題

        從單片機的具體運作情況展開研究,在程序存儲器EPROM或FLASH中,程序和表格、數(shù)據(jù)等都存于其中,采取這種模式可以使數(shù)據(jù)的獨立性得以保障,不受其它因素的干擾。主要問題集中片內(nèi)RAM、外擴RAM、E2PROM中所需數(shù)據(jù),容易受到外界干擾而發(fā)生變化。

        1.4 程序運行失常

        如果外界的干擾過強,會導致機器頻繁復位,對程序正常運行產(chǎn)生不利影響。如果外界干擾較為嚴重,導致單片機程序計數(shù)器PC值被改變,而且PC數(shù)值改變具有隨機性,程序會對一些無意義的指令做出反應,因此進入到死循環(huán)狀態(tài),程序進入混亂狀態(tài)。

        2 單片機軟件系統(tǒng)抗干擾設計分析

        2.1 指令冗余

        從CPU取指令的過程來看,需要先取操作碼,然后再提取操作數(shù),同時還要把單字節(jié)指令插入到程序關(guān)鍵之處,對于有效單字節(jié)指令重寫,稱之為指令冗余。在一般情況下,對于雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令要進行插入操作,在指令后插入兩字節(jié)或更多的NOP指令。NOP指令屬于窄操作,由于NOP的存在,可以避免后面指令被錯誤執(zhí)行的情況發(fā)生,為程序步入正規(guī)奠定基礎。另外,一些指令對系統(tǒng)流向產(chǎn)生影響,在具體操作時在此類指令之后可以插入NOP指令,數(shù)量以二條為宜,可以使跑飛程序被納入正軌之中,使此類指令得到更好的執(zhí)行。指令冗余的主要功能在于使CPO正確對待操作數(shù),避免出現(xiàn)把操作數(shù)當做操作碼,導致執(zhí)行錯誤的情況發(fā)生,但是卻無法改變錯誤,為了使程序錯誤執(zhí)行方向的問題得到糾正,需要采用下面的技術(shù)。

        2.2 設計軟件“陷阱”

        在通常情況下,程序存儲器存在未使用的EPROM空間,沒有填入窄操作指令NOP,最后再填入一條跳轉(zhuǎn)指令,可以跳入到跑飛的處理程序之中,或者選擇把LJMP 0000H指令直接填入,如果跑飛的程序出現(xiàn)在此區(qū)域,則會得到調(diào)整,雖然會執(zhí)行一段空操作,但這種錯誤不會持續(xù)很久,最后會轉(zhuǎn)入正軌。如果EPROM具有較大的空間,大部分沒有使用,在操作時可以采取均勻填入的形式,把幾條空操作指令置于其中,并納入跳轉(zhuǎn)指令。即形成“軟件陷阱”。

        經(jīng)過研究可以確定軟件陷阱結(jié)構(gòu)如下:

        NOP

        NOP

        LJMP FLY

        其中FLY作為跑冰處理的子程序承擔著重要職責,如果程序處于正常運行狀態(tài),則軟件陷阱無需執(zhí)行,但是如果程序發(fā)生跑飛,同時還要落入陷阱之內(nèi),軟件陷阱則會進入工作狀態(tài),使跑飛的程序發(fā)生跳轉(zhuǎn),重新進入正常軌道。如果程序跑飛后并未落入陷阱之中,程序會執(zhí)行一段錯誤操作,然后遇到軟件陷阱,并被轉(zhuǎn)入到正軌中來。在程序存儲器的空白區(qū)域設置軟件陷阱,還要把陷阱設置在程序結(jié)尾處。如果數(shù)據(jù)表較大,為了保障正常運行,在數(shù)據(jù)中間位置也要設置軟件陷阱,即使程序跑飛到數(shù)據(jù)區(qū),也會被重新納入正軌。如果程序有較大的存儲空間,在兩個子程序之間設置軟件陷阱可以取得較好效果。遇到使用中斷后,受干擾的影響而開放的情況,如果所對應的中斷服務程序中有軟件陷阱的存在,可以及時處理錯誤的中斷。關(guān)于軟件陷阱的數(shù)量問題,要根據(jù)干擾的情況而定,還要充分考慮到存儲器的容量,如果軟件陷阱太少,則難以實現(xiàn)有效的跑飛攔截,但如果陷阱設置太多,導致大量的程序存儲空間被占用,同樣不利于系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

        2.3 軟件“看門狗”技術(shù)

        程序發(fā)生跑飛的情況比較普遍,在進行錯誤操作之后,會進入到“死循環(huán)”狀態(tài),發(fā)生死機。而解決此問題的可以采用“軟件看門狗”的技術(shù),可以使程序恢復正常。軟件看門狗技術(shù)的原理并不復雜,即對程序的運行時間進行檢測,如果發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間過長,不受最大循環(huán)運行時間的控制,即可做出判斷,即程序進入到“死循環(huán)”狀態(tài),需要采取有效的處理措施。從實際操作來看,采用定時中斷服務程序和定時檢查主程序的運行情況的方式。在工業(yè)實踐中,如果干擾過于嚴重,會使控制字被中斷,中斷被關(guān)閉,看門狗也隨之失去功效。在這種情況下采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)效果較為理想。

        “看門狗”的抗干擾性能較強,結(jié)構(gòu)是環(huán)形的,使系統(tǒng)的可靠性得以提升。軟件“看門狗”正常運行需要有定時器裝置,在實際操作中,可以看到在很多控制程序中都需要定時器,由此可知定時器屬于緊俏資源,由于這個原因?qū)е率管浖翱撮T狗”的使用受限。為了解決此問題,軟件可以與其它程序共同使用一個定時器,定時功能與“看門狗”功能實現(xiàn)兼顧。

        2.4 檢查RAM區(qū)標志數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)并處理嚴重干擾

        這是一種有效的方式,在RAM區(qū)中選擇幾個固定單元,并設置其為固定的數(shù)據(jù),即程序處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài),單元的內(nèi)容則保持不變。如果程序發(fā)生跑飛,或者受到各種因素的干擾,則會導致RAM中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化,說明單片機已處于干擾之下,無法正常運行。在程序運行時,我們要對RAM單元的內(nèi)容進行檢查,如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化,要立即采取措施,執(zhí)行LJMP 0000 H語句,完成單片機的復位操作。

        2.5 刷新輸出端口

        如果單片機系統(tǒng)處于嚴重的干擾狀態(tài)之下,甚至對輸出端口的狀態(tài)產(chǎn)生影響,在程序操作時,以相關(guān)程序模塊運算結(jié)果對輸出端口進行刷新操作,可以解決干擾的影響,使輸出端口恢復正常。

        2.6 進行多次輸入采樣

        如果干擾過于強烈,會對單片機的輸入信號造成不利影響,導致輸入信號瞬間采樣出現(xiàn)誤差,或者出現(xiàn)誤讀的情況,為了把干擾的不利影響降到最低,可以進行重新采樣,利用加權(quán)平均的方法解決該問題。

        電子技術(shù)和微型計算機發(fā)展迅速,對微型計算機控制技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動作用,在更多的領域得到廣泛應用。尤其是中小規(guī)模的單片機控制系統(tǒng)具有較高的實用價值,智能機電一體化產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中充分發(fā)揮作用,應用更加廣泛。要注意的是在進行單片機控制系統(tǒng)的設計和開發(fā)時,要提升設備自動化程度,使之更具智能性,但同時也要把控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性放在重要位置,使控制系統(tǒng)的優(yōu)越性得以發(fā)揮。

        [1]陳小波,秦付軍.單片機控制系統(tǒng)抗干擾設計研究[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2016(10)

        [2]王雅雪.單片機控制系統(tǒng)抗干擾設計研究[J].數(shù)字化用戶,2013(15)

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