單片機軟件控制系統抗干擾設計分析

杜衛平 新疆輕工職業技術學院

單片機軟件控制系統抗干擾設計分析

杜衛平 新疆輕工職業技術學院

不同的單片機系統都是完整而獨立的，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，軟件抗干擾技術起到補充作用。關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的特殊性，制計出有效的抗干擾方案。

單片機 控制系統 干擾設計

1 干擾對單片機應用系統的影響

1.1 測量數據誤差加大

如果干擾因素侵入到單片機系統之中，并且進入到測量單元模擬信號輸入通道，與測量信息發生疊加，導致數據采集的難度加大，出現各種誤差，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生。

1.2 控制系統失靈

單片機輸出的控制信號存在這種現象，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果過于依賴。如果輸入狀態信號被干擾，有虛假狀態的信息介入其中，則會出現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、數據等都存于其中，采取這種模式可以使數據的獨立性得以保障，不受其它因素的干擾。主要問題集中片內RAM、外擴RAM、E2PROM中所需數據，容易受到外界干擾而發生變化。

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，對程序正常運行產生不利影響。如果外界干擾較為嚴重，導致單片機程序計數器PC值被改變，而且PC數值改變具有隨機性，程序會對一些無意義的指令做出反應，因此進入到死循環狀態，程序進入混亂狀態。

2 單片機軟件系統抗干擾設計分析

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，同時還要把單字節指令插入到程序關鍵之處，對于有效單字節指令重寫，稱之為指令冗余。在一般情況下，對于雙字節指令和三字節指令要進行插入操作，在指令后插入兩字節或更多的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行的情況發生，為程序步入正規奠定基礎。另外，一些指令對系統流向產生影響，在具體操作時在此類指令之后可以插入NOP指令，數量以二條為宜，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行。指令冗余的主要功能在于使CPO正確對待操作數，避免出現把操作數當做操作碼，導致執行錯誤的情況發生，但是卻無法改變錯誤，為了使程序錯誤執行方向的問題得到糾正，需要采用下面的技術。

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在此區域，則會得到調整，雖然會執行一段空操作，但這種錯誤不會持續很久，最后會轉入正軌。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，并納入跳轉指令。即形成“軟件陷阱”。

經過研究可以確定軟件陷阱結構如下：

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，則軟件陷阱無需執行，但是如果程序發生跑飛，同時還要落入陷阱之內，軟件陷阱則會進入工作狀態，使跑飛的程序發生跳轉，重新進入正常軌道。如果程序跑飛后并未落入陷阱之中，程序會執行一段錯誤操作，然后遇到軟件陷阱，并被轉入到正軌中來。在程序存儲器的空白區域設置軟件陷阱，還要把陷阱設置在程序結尾處。如果數據表較大，為了保障正常運行，在數據中間位置也要設置軟件陷阱，即使程序跑飛到數據區，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。關于軟件陷阱的數量問題，要根據干擾的情況而定，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，同樣不利于系統的正常運轉。

2.3 軟件“看門狗”技術

程序發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”狀態，發生死機。而解決此問題的可以采用“軟件看門狗”的技術，可以使程序恢復正常。軟件看門狗技術的原理并不復雜，即對程序的運行時間進行檢測，如果發現程序循環時間過長，不受最大循環運行時間的控制，即可做出判斷，即程序進入到“死循環”狀態，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。在工業實踐中，如果干擾過于嚴重，會使控制字被中斷，中斷被關閉，看門狗也隨之失去功效。在這種情況下采用環形中斷監視系統效果較為理想。

“看門狗”的抗干擾性能較強，結構是環形的，使系統的可靠性得以提升。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，由于這個原因導致使軟件“看門狗”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”功能實現兼顧。

2.4 檢查RAM區標志數據，發現并處理嚴重干擾

這是一種有效的方式，在RAM區中選擇幾個固定單元，并設置其為固定的數據，即程序處于正常運轉狀態，單元的內容則保持不變。如果程序發生跑飛，或者受到各種因素的干擾，則會導致RAM中的數據出現變化，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單元的內容進行檢查，如果發現數據出現變化，要立即采取措施，執行LJMP 0000 H語句，完成單片機的復位操作。

2.5 刷新輸出端口

如果單片機系統處于嚴重的干擾狀態之下，甚至對輸出端口的狀態產生影響，在程序操作時，以相關程序模塊運算結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誤差，或者出現誤讀的情況，為了把干擾的不利影響降到最低，可以進行重新采樣，利用加權平均的方法解決該問題。

電子技術和微型計算機發展迅速，對微型計算機控制技術的發展起到積極的推動作用，在更多的領域得到廣泛應用。尤其是中小規模的單片機控制系統具有較高的實用價值，智能機電一體化產品在工業生產和日常生活中充分發揮作用，應用更加廣泛。要注意的是在進行單片機控制系統的設計和開發時，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的穩定性放在重要位置，使控制系統的優越性得以發揮。

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

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