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在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時，軟件抗干擾以其設計靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好等越來越受到重視。下面以單片機系統(tǒng)為例，對軟件抗干擾方法進行研究。
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?CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。當PC受干擾出現(xiàn)錯誤，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時刻落在操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當作操作碼，程序將出錯。若“飛”到了三字節(jié)指令，出錯機率更大。 ?在關鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或將有效單字節(jié)指令重寫稱為指令冗余。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌。
此外，對系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP，也可將亂飛程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行。 ?2.攔截技術
?所謂攔截，是指將亂飛的程序引向指定位置，再進行出錯處理。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序，因此先要合理設計陷阱，其次要將陷阱安排在適當?shù)奈恢谩?/span> ?軟件陷阱的設計
當亂飛程序進入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進行出錯處理。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序區(qū)填入以下指令作為軟件陷阱：
通常在程序中未使用的EPROM空間填0000020000。最后一條應填入020000，當亂飛程序落到此區(qū)，即可自動入軌。在用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令。當使用的中斷因干擾而開放時，在對應的中斷服務程序中設置軟件陷阱，能及時捕獲錯誤的中斷。如某應用系統(tǒng)雖未用到外部中斷 1，外部中斷1的中斷服務程序可為如下形式： ?NOPNOPRETI返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP0000H”。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復程序的設計可靠、完善，用“LJMP0000H”作返回指令可直接進入故障診斷程序，盡早地處理故障并恢復程序的運行?？紤]到程序存貯器的容量，軟件陷阱一般1K空間有2-3個就可以進行有效攔截。 ?3.軟件“看門狗”技術
?若失控的程序進入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運行時間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間，則認為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進行出錯處理。
? ?1.非正常復位的識別
程序的執(zhí)行總是從0000H開始，導致程序從0000H開始執(zhí)行有四種可能：
此處硬件復位指開機復位與看門狗復位，硬件復位對寄存器有影響，如復位后PC=0000H，SP=07H，PSW=00H等。而軟件復位則對SP、 SPW無影響。故對于微機測控系統(tǒng)，當程序正常運行時，將SP設置地址大于07H，或者將PSW的第5位用戶標志位在系統(tǒng)正常運行時設為1，那么系統(tǒng)復位時只需檢測PSW.5標志位或SP值便可判此是否硬件復位。
由于硬件復位時片內RAM狀態(tài)是隨機的，而軟件復位片內RAM則可保持復位前狀態(tài)，因此可選取片內某一個或兩個單元作為上電標志。設40H用來做上電標志，上電標志字為78H，若系統(tǒng)復位后40H單元內容不等于78H，則認為是硬件復位，否則認為是軟件復位，轉向出錯處理。若用兩個單元作上電標志，則這種判別方法的可靠性更高。
?開機復位與看門狗故障復位的識別：
開機復位與看門狗故障復位因同屬硬件復位，所以要想予以正確識別，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。當系統(tǒng)正常運行時，設置一可掉電保護的觀測單元。當系統(tǒng)正常運行時，在定時喂狗的中斷服務程序中使該觀測單元保持正常值(設為AAH)，而在主程中將該單元清零，因觀測單元掉電可保護，則開機時通過檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復位。
?正常開機復位與非正常開機復位的識別：
識別測控系統(tǒng)中因意外情況如系統(tǒng)掉電等情況引起的開機復位與正常開機復位，對于過程控制系統(tǒng)尤為重要。如某以時間為控制標準的測控系統(tǒng)，完成一次測控任務需1小時。在已執(zhí)行測控50分鐘的情況下，系統(tǒng)電壓異常引起復位，此時若系統(tǒng)復位后又從頭開始進行測控則會造成不必要的時間消耗。 ?因此可通過一監(jiān)測單元對當前系統(tǒng)的運行狀態(tài)、系統(tǒng)時間予以監(jiān)控，將控制過程分解為若干步或若干時間段，每執(zhí)行完一步或每運行一個時間段則對監(jiān)測單元置為關機允許值，不同的任務或任務的不同階段有不同的值，若系統(tǒng)正在進行測控任務或正在執(zhí)某時間段，則將監(jiān)測單元置為非正常關機值。那么系統(tǒng)復位后可據(jù)此單元判系統(tǒng)原來的運行狀態(tài)，并跳到出錯處理程序中恢復系統(tǒng)原運行狀態(tài)。
?2.非正常復位后系統(tǒng)自恢復運行的程序設計
對順序要求嚴格的一些過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)非正常復位否，一般都要求從失控的那一個模塊或任務恢復運行。所以測控系統(tǒng)要作好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份，如系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)的進程值、當前輸入、輸出的值，當前時鐘值、觀測單元值等，這些數(shù)據(jù)既要定時備份，同時若有修改也應立即予以備份。 ?當在已判別出系統(tǒng)非正常復位的情況下，先要恢復一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如顯示模塊的初始化、片外擴展芯片的初始化等。其次再對測控系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)、運行參數(shù)等予以恢復，包括顯示界面等的恢復。之后再把復位前的任務、參數(shù)、運行時間等恢復，再進入系統(tǒng)運行狀態(tài)。 ?應當說明的是，真實地恢復系統(tǒng)的運行狀態(tài)需要極為細致地對系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)予以備份，并加以數(shù)據(jù)可靠性檢查，以保證恢復的數(shù)據(jù)的可靠性。其次，對多任務、多進程測控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的恢復需考慮恢復的次序問題。 ?系統(tǒng)基本初始化是指對芯片、顯示、輸入輸出方式等進行初始化，要注意輸入輸出的初始化不應造成誤動作。而復位前任務的初始化是指任務的執(zhí)行狀態(tài)、運行時間等。 ?對于軟件抗干擾的還有一些其它常用方法，如數(shù)字濾波、RAM數(shù)據(jù)保護與糾錯等。在工程實踐中通常都是幾種抗干擾方法并用，互相補充完善，才能取得較好的抗干擾效果。從根本上來說，硬件抗干擾是主動的，而軟件抗干擾是被動的。細致周到地分析干擾源，硬件與軟件抗干擾相結合，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序，設計一穩(wěn)定可靠的單片機系統(tǒng)是完全可行的。
軟件抗干擾方法的研究
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在工程實踐中，軟件抗干擾研究的內容主要是： ?本文針對后者提出了幾種有效的軟件抗干擾方法。 ?1.指令冗余?CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。當PC受干擾出現(xiàn)錯誤，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時刻落在操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當作操作碼，程序將出錯。若“飛”到了三字節(jié)指令，出錯機率更大。 ?在關鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或將有效單字節(jié)指令重寫稱為指令冗余。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌。
此外，對系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP，也可將亂飛程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行。 ?2.攔截技術
?所謂攔截，是指將亂飛的程序引向指定位置，再進行出錯處理。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序，因此先要合理設計陷阱，其次要將陷阱安排在適當?shù)奈恢谩?/span> ?軟件陷阱的設計
當亂飛程序進入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進行出錯處理。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序區(qū)填入以下指令作為軟件陷阱：
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NOP NOP LJMP 0000H其機器碼為0000020000。
?陷阱的安排通常在程序中未使用的EPROM空間填0000020000。最后一條應填入020000，當亂飛程序落到此區(qū)，即可自動入軌。在用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令。當使用的中斷因干擾而開放時，在對應的中斷服務程序中設置軟件陷阱，能及時捕獲錯誤的中斷。如某應用系統(tǒng)雖未用到外部中斷 1，外部中斷1的中斷服務程序可為如下形式： ?NOPNOPRETI返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP0000H”。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復程序的設計可靠、完善，用“LJMP0000H”作返回指令可直接進入故障診斷程序，盡早地處理故障并恢復程序的運行?？紤]到程序存貯器的容量，軟件陷阱一般1K空間有2-3個就可以進行有效攔截。 ?3.軟件“看門狗”技術
?若失控的程序進入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運行時間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間，則認為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進行出錯處理。
系統(tǒng)故障處理、自恢復程序的設計
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? ?1.非正常復位的識別
程序的執(zhí)行總是從0000H開始，導致程序從0000H開始執(zhí)行有四種可能：
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系統(tǒng)開機上電復位;
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軟件故障復位;
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看門狗超時未喂狗硬件復位;
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任務正在執(zhí)行中掉電后來電復位。
此處硬件復位指開機復位與看門狗復位，硬件復位對寄存器有影響，如復位后PC=0000H，SP=07H，PSW=00H等。而軟件復位則對SP、 SPW無影響。故對于微機測控系統(tǒng)，當程序正常運行時，將SP設置地址大于07H，或者將PSW的第5位用戶標志位在系統(tǒng)正常運行時設為1，那么系統(tǒng)復位時只需檢測PSW.5標志位或SP值便可判此是否硬件復位。
由于硬件復位時片內RAM狀態(tài)是隨機的，而軟件復位片內RAM則可保持復位前狀態(tài)，因此可選取片內某一個或兩個單元作為上電標志。設40H用來做上電標志，上電標志字為78H，若系統(tǒng)復位后40H單元內容不等于78H，則認為是硬件復位，否則認為是軟件復位，轉向出錯處理。若用兩個單元作上電標志，則這種判別方法的可靠性更高。
?開機復位與看門狗故障復位的識別：開機復位與看門狗故障復位因同屬硬件復位，所以要想予以正確識別，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。當系統(tǒng)正常運行時，設置一可掉電保護的觀測單元。當系統(tǒng)正常運行時，在定時喂狗的中斷服務程序中使該觀測單元保持正常值(設為AAH)，而在主程中將該單元清零，因觀測單元掉電可保護，則開機時通過檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復位。
?正常開機復位與非正常開機復位的識別：
識別測控系統(tǒng)中因意外情況如系統(tǒng)掉電等情況引起的開機復位與正常開機復位，對于過程控制系統(tǒng)尤為重要。如某以時間為控制標準的測控系統(tǒng)，完成一次測控任務需1小時。在已執(zhí)行測控50分鐘的情況下，系統(tǒng)電壓異常引起復位，此時若系統(tǒng)復位后又從頭開始進行測控則會造成不必要的時間消耗。 ?因此可通過一監(jiān)測單元對當前系統(tǒng)的運行狀態(tài)、系統(tǒng)時間予以監(jiān)控，將控制過程分解為若干步或若干時間段，每執(zhí)行完一步或每運行一個時間段則對監(jiān)測單元置為關機允許值，不同的任務或任務的不同階段有不同的值，若系統(tǒng)正在進行測控任務或正在執(zhí)某時間段，則將監(jiān)測單元置為非正常關機值。那么系統(tǒng)復位后可據(jù)此單元判系統(tǒng)原來的運行狀態(tài)，并跳到出錯處理程序中恢復系統(tǒng)原運行狀態(tài)。
?2.非正常復位后系統(tǒng)自恢復運行的程序設計
對順序要求嚴格的一些過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)非正常復位否，一般都要求從失控的那一個模塊或任務恢復運行。所以測控系統(tǒng)要作好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份，如系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)的進程值、當前輸入、輸出的值，當前時鐘值、觀測單元值等，這些數(shù)據(jù)既要定時備份，同時若有修改也應立即予以備份。 ?當在已判別出系統(tǒng)非正常復位的情況下，先要恢復一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如顯示模塊的初始化、片外擴展芯片的初始化等。其次再對測控系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)、運行參數(shù)等予以恢復，包括顯示界面等的恢復。之后再把復位前的任務、參數(shù)、運行時間等恢復，再進入系統(tǒng)運行狀態(tài)。 ?應當說明的是，真實地恢復系統(tǒng)的運行狀態(tài)需要極為細致地對系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)予以備份，并加以數(shù)據(jù)可靠性檢查，以保證恢復的數(shù)據(jù)的可靠性。其次，對多任務、多進程測控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的恢復需考慮恢復的次序問題。 ?系統(tǒng)基本初始化是指對芯片、顯示、輸入輸出方式等進行初始化，要注意輸入輸出的初始化不應造成誤動作。而復位前任務的初始化是指任務的執(zhí)行狀態(tài)、運行時間等。 ?對于軟件抗干擾的還有一些其它常用方法，如數(shù)字濾波、RAM數(shù)據(jù)保護與糾錯等。在工程實踐中通常都是幾種抗干擾方法并用，互相補充完善，才能取得較好的抗干擾效果。從根本上來說，硬件抗干擾是主動的，而軟件抗干擾是被動的。細致周到地分析干擾源，硬件與軟件抗干擾相結合，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序，設計一穩(wěn)定可靠的單片機系統(tǒng)是完全可行的。
審核編輯：湯梓紅
工商網監(jiān)
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