51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件抗干擾初探

【摘要】在提高單片機(jī)硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時(shí)，軟件抗干擾以其設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好等特點(diǎn)，越來越受到設(shè)計(jì)者的重視，本文主要從實(shí)際應(yīng)用的角度闡述單片機(jī)系統(tǒng)軟件抗干擾的具體實(shí)現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；軟件；看門狗；抗干擾；指令集

隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈廣泛，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性越來越成為人們關(guān)注的一個(gè)重要課題。由于51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)是復(fù)雜指令集結(jié)構(gòu)，致使其抗干擾性能不高，尤其用在工業(yè)控制的場(chǎng)合，不增加額外的抗干擾措施，甚至無法正常工作。要提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾性能無非是從硬件和軟件兩個(gè)方面加以考慮。硬件系統(tǒng)是單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的根本，經(jīng)常采用的方法有：改善系統(tǒng)的布局、布線；提高強(qiáng)電與弱電的隔離度；增加濾波器；增加“硬件看門狗”等等，成本高；而軟件抗干擾在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性，不提高成本，也可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。51系列單片機(jī)的指令包括單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令，雙字節(jié)和三字節(jié)指令包含操作碼和操作數(shù)兩部分。當(dāng)單片機(jī)受到嚴(yán)重干擾時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC因干擾而改變，程序便脫離正常軌道“亂飛”，如果“飛”到單字節(jié)指令或雙字節(jié)、三字節(jié)指令的操作碼上，稱這種“跑飛”為“第一類跑飛”。當(dāng)“飛”到某雙字節(jié)或三字節(jié)指令的操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當(dāng)作操作碼執(zhí)行，出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，稱這種“跑飛”為“第二類跑飛”。無論是前一種情況還是后一種情況，“跑飛”的程序執(zhí)行結(jié)果將是無法預(yù)料的。

一、單片機(jī)軟件抗干擾設(shè)計(jì)的主要方法

軟件抗干擾設(shè)計(jì)的主要目的就是及時(shí)發(fā)現(xiàn)程序的“跑飛”，并及時(shí)地將程序拉入正常軌道，主要方法有：指令冗余、軟件“看門狗”、軟件“陷阱”、程序“跑飛”攔截等等。

1、指令冗余

CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。在程序的關(guān)鍵地方人為的插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?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(gè)字節(jié)以上的NOP指令。此外，對(duì)系統(tǒng)流向起重要作用的指令，如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等，可以在這些指令之前插入兩條NOP指令，可將跑飛程序納入正軌，以確保這些重要指令的執(zhí)行。指令冗余只能使CPU不再將操作數(shù)當(dāng)作操作碼錯(cuò)誤地執(zhí)行，卻不能主動(dòng)地將程序的錯(cuò)誤執(zhí)行方向扭轉(zhuǎn)過來，要想糾正程序的錯(cuò)誤執(zhí)行方向，就需要下面的技術(shù)。

2、軟件“看門狗”技術(shù)

跑飛的程序在執(zhí)行一些錯(cuò)誤操作之后，經(jīng)常會(huì)進(jìn)入“死循環(huán)”，也就是常說的“死機(jī)”。通常采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”，“看門狗”技術(shù)可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時(shí)會(huì)破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷，造成看門狗失效，這時(shí)可以采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)。用定時(shí)器T0監(jiān)視定時(shí)器T1，用定時(shí)器T1監(jiān)視主程序，主程序監(jiān)視定時(shí)器T0。采用這種環(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。

軟件“看門狗”技術(shù)需要使用定時(shí)器，而在大多數(shù)的控制程序中，定時(shí)器都是緊俏的資源，這就使軟件“看門狗”技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用受到了限制，可以采取一些技巧性的處理，將軟件“看門狗”程序與其它定時(shí)程序復(fù)用同一個(gè)定時(shí)器，這樣既完成定時(shí)功能又完成軟件“看門狗”的功能。

3、軟件“陷阱”

通常在程序存儲(chǔ)器中未使用的EPROM空間填入空操作指令NOP（00H），最后再填入一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到跑飛處理程序，或者直接填入指令LJMP 0000H （020000），當(dāng)跑飛程序落到此區(qū)，即可在執(zhí)行一段空操作后轉(zhuǎn)入正軌。

軟件陷阱的一般結(jié)構(gòu)為：

NOP

NOP

LJMP FLY；FLY為跑飛處理程序。

如果程序正常執(zhí)行，軟件陷阱部分是永遠(yuǎn)也執(zhí)行不到的，只有在程序跑飛到陷阱里，軟件陷阱會(huì)立刻將程序跳轉(zhuǎn)到正常軌道。

除了程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)，程序的數(shù)據(jù)表結(jié)尾也應(yīng)該設(shè)置軟件陷阱，如果數(shù)據(jù)表比較大，應(yīng)該在數(shù)據(jù)表的中間也設(shè)置軟件陷阱，以保證程序跑飛到數(shù)據(jù)區(qū)能及時(shí)轉(zhuǎn)入正軌。當(dāng)使用的中斷因干擾而開放時(shí)，在對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，能及時(shí)捕獲錯(cuò)誤的中斷。如某應(yīng)用系統(tǒng)雖未用到外部中斷1，外部中斷1的中斷服務(wù)程序可為如下形式：

NOP

NOP

RETI

返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP FLY”，用“LJMP FLY”作返回指令可直接進(jìn)入故障診斷程序，盡早地處理故障并恢復(fù)程序的運(yùn)行。軟件陷阱的數(shù)量要根據(jù)實(shí)際受到干擾的情況和程序存貯器的容量來確定。

4、設(shè)置程序運(yùn)行標(biāo)志，攔截“跑飛”程序

單片機(jī)程序的結(jié)構(gòu)一般都是由一個(gè)上電復(fù)位初始化程序、一個(gè)主程序、幾個(gè)中斷服務(wù)程序和若干子程序組成的，51系列單片機(jī)的RAM區(qū)中有一個(gè)位尋址區(qū)，可以在位尋址區(qū)中設(shè)立一些標(biāo)志位，這些標(biāo)志位分別代表不同的程序模塊，一個(gè)字節(jié)可以對(duì)應(yīng)8個(gè)程序模塊。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來說明攔截“跑飛”程序的應(yīng)用，在調(diào)用每一個(gè)子程序的開始將自己的標(biāo)志位置1，在子程序的結(jié)尾進(jìn)行檢查，如果自己的標(biāo)志位是1，說明程序執(zhí)行正常，否則程序就出現(xiàn)了“跑飛”，在退出該子程序之前，將其對(duì)應(yīng)標(biāo)志位清零。

如果程序模塊比較多，位尋址區(qū)不夠使用，可以給不同的模塊分配不同的代碼，在RAM區(qū)選擇一個(gè)特殊字節(jié)作為運(yùn)行標(biāo)志，當(dāng)某個(gè)程序模塊正在執(zhí)行時(shí)，將該特殊字節(jié)賦值為該模塊的代碼，這樣一個(gè)RAM字節(jié)就可以對(duì)應(yīng)256個(gè)程序模塊。

二、經(jīng)常用到的其它提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾性能的方法

1、檢查RAM區(qū)標(biāo)志數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重干擾

這種方法是在RAM區(qū)中選擇幾個(gè)固定單元，在初始化程序中將其設(shè)置成固定的數(shù)據(jù)，如“55H”或“0AAH”等，只要程序正常運(yùn)行，這些單元的內(nèi)容是不會(huì)改變的。如果因?yàn)槌绦颉芭茱w”或其它干擾導(dǎo)致這些RAM單元中的任何單元的數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，說明單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)受到了嚴(yán)重的干擾，不能可靠地運(yùn)行下去了。適時(shí)地檢查RAM單元的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)改變，立刻執(zhí)行LJMP0000H語句，強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位。

2、刷新輸出端口，排除嚴(yán)重干擾

當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾時(shí)，輸出端口的狀態(tài)也可能因干擾而改變，在程序的執(zhí)行過程中適時(shí)地根據(jù)相關(guān)程序模塊的運(yùn)算結(jié)果刷新輸出端口，可以排除干擾對(duì)輸出端口狀態(tài)的影響，使錯(cuò)誤的輸出狀態(tài)及時(shí)得到糾正。

3、輸入多次采樣，避免嚴(yán)重干擾

強(qiáng)烈的干擾會(huì)影響單片機(jī)的輸入信號(hào)，造成輸入信號(hào)瞬間采樣的誤差或誤讀，要避免干擾的影響，通常采取重復(fù)采樣、加權(quán)平均的方法。

4、結(jié)束語

軟件運(yùn)行過程中受到的干擾是不確定的，軟件抗干擾屬于微機(jī)系統(tǒng)的自身防御行為，以上所提到的軟件抗干擾的方法，都不是單獨(dú)使用的，只有根據(jù)實(shí)際情況將這些方法有效地結(jié)合起來，并與硬件抗干擾措施一起使用，才能達(dá)到最佳抗干擾效果，使單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 胡漢才. 單片機(jī)原理及其接口技術(shù). 北京：清華大學(xué)出版社， 2005.

[2] 戴梅萼. 微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社， 2000.

【作者簡(jiǎn)介】

王芳（1981—），女，漢族，內(nèi)蒙包頭人，碩士學(xué)位，包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)科技。