陳欣

摘要

在工業單片機測控系統中，抗干擾技術是一個很重要的環節，軟件抗干擾技術具有良好的可靠性和穩定性。本文針對工業單片機測控系統中的抗干擾問題，從數字濾波技術、軟件陷阱技術、“看門狗”技術等方面進行了研究，并提出了解決方案。

【關鍵詞】單片機 抗干擾技術 數字濾波技術

1 引言

如圖1所示，單片機測控系統是在程序化管理下形成的測控系統，它可以在工業生產過程中提高機械控制的效率。但是，工業現場環境復雜，具有電磁功能的大量設備頻繁啟動、停止，產生的干擾影響了單片機系統的正常運行。本文針對單片機測控系統中的抗干擾問題，從軟件抗干擾技術方面進行了分析和研究，并提出了解決方案。

工業單片機測控系統的常見影響如下：

1.1 干擾加大數據采集的誤差

測試系統通道的輸入部分受到干擾信號的入侵，有用信號和外來干擾信號相互疊加，加劇了該通道數據采集的誤差。尤其在當前系統輸入的是小電壓信號時，數據干擾的現象更加嚴重。

1.2 干擾使數據發送變化

單片機系統中的程序是存放在存儲器EPROM中，這些程序不易發生變化。但是單片機系統的RAM數據區是可以讀寫的，它可能會受到讀入信息的干擾從而發生變化。因為干擾渠道的區別，以及數據性質的區別，單片機系統受損害的情況也各不相同，可能造成控制失靈，也可能造成數值誤差，更嚴重的會改變單片機系統某些部件（如串行口、定時器/計數器等）的運行狀態等。

1.3 干擾使控制狀態失靈

在單片機系統中，控制狀態依賴于特定條件的輸入狀況和處理結果，干擾的侵入會造成條件狀態錯誤，引起虛假的信號，從而加大輸出控制的誤差，甚至控制失常。

1.4 干擾使程序運行失常

單片機系統正常運行的前提是CPU正常工作，如果干擾信號影響到了CPU，則程序計數器不能正常運行，從而引起系統混亂、控制失靈，即通常說的程序“跑飛”。

現在使用的單片機抗干擾技術主要分為硬件與軟件兩類。硬件抗干擾技術固然可以降低系統受干擾的程度，但是成本較高，靈活性不足，而且容易受電磁干擾。軟件抗干擾技術方法靈活，不需要增加硬件設備，越來越受到工業生產的重視和青睞。目前最常見的主要有如下幾種：數字濾波抗干擾技術、軟件陷阱抗干擾技術、“看門狗”抗干擾技術等。

2 數字濾波技術

數字濾波技術就是通過研究信號的干擾性，利用技術手段來提高輸入和輸出信號的精度，當采樣數據呈離散型分布，差值比較大時，則說明該數據受到較大的干擾，不能被系統最后采集。

2.1 算術平均值濾波法

該濾波法的實質就是在一個周期內采樣N次，然后求平均值，它的優點是可以有效消除周期性的干擾。當采樣次數N較大時，信號的平滑度會變高，但是相對應的靈敏度會降低。當采樣次數N較小時，信號的平滑度會變低，但靈敏度會變高。對次數N的取值根據實際情況而不同，對一般情況測試，N=12;對于壓力，通常N=4;對于溫度、電壓等，通常N=8。該方法對具有隨機干擾的普通信號進行濾波比較有效，取樣信號有一個平均值，數值在其上下波動，也可以推廣到在幾個連續的周期內取平均值。

2.2 中位值平均濾波法

算術平均值濾波法的缺點是對于偶然脈沖性干擾的抑制性較差，中位值平均濾波法則可以克服這一點，它在若干個周期采樣，采樣參數按大小順序進行排序，排除掉采樣的最大、最小兩個邊界值，然后按照N-2個數值求平均值，這種方法可以排除由于脈沖干擾因素引起的采樣值偏差。在實際應用中，采樣的周期要選擇適當。選擇的周期較大，數據采集的延遲就會過大，系統的響應就會變慢。選擇的周期較小，去除干擾的作用就不明顯。

2.3 限幅濾波法

限幅濾波法需要對任意兩次采樣值設置一個最大偏差值A，每次檢測新采樣值都依據A值來判斷。如果連續兩次采樣值的偏差在A的范圍之內，則此次采樣值有效。如果連續兩次采樣值的偏差大于A，則認為此次采樣值無效，選用上次采樣值。該濾波法的最大優點是克服偶然因素引發的干擾，缺點是無法抑制周期性的干擾，平滑度較差。

在實際的數字濾波技術中，可以采用多種濾波技術相結合的方法，比如在算術平均值濾波法中，加入中位值平均濾波法，這樣可以提高濾波的性能。要依據實際情況，靈活選用。

3 軟體陷阱技術

抗干擾技術中“軟件陷阱”技術是一條引導指令，該指令的作用是強行將捕獲的程序指向一個固定的地址，在該地址中有專門用來處理的一段錯誤。如果用ERROR來標識該程序的入口，LJMP ERROR即為軟件陷阱，在它前面加兩條NOP指令來加強其捕獲效果。

一個軟件陷阱由三條指令組成：

NOP

NOP

LJMPERROR

一般的軟件陷阱安排在系統的如下位置：

（1）安排在系統未使用的中斷區。單片機系統有未使用的中斷向量區，為了捕捉到系統錯誤的中斷，可在該系統未使用的中斷區安排軟件陷阱。

（2）安排在系統未使用的EPROM區域。EPROM區域中存在未編程的空閑空間，初始內容為OFFH，對MCS-51單片機系統來講，當某段程序跑飛到此區域后，它將向后運行，停止跳躍。在未使用的EPROM空間中，系統設若干個個陷阱，就能利用它捕捉到跑飛的程序。

（3）安排在表格的最后。為了保護表格與檢索值的對應關系，不能在表格中間隨意安排陷阱，可以在表格的最后安排陷阱。對于比較大的表格，最后的陷阱未必能捕獲到跑飛的程序，在中途它有可能再次跑飛。

（4）安排在程序區。在系統程序區不能隨意設置陷阱，可以利用各模塊之間的空余單元來設置陷阱，避免影響程序的正常運行。當陷阱區捕獲到跑飛的程序，就會拉回它到正確的軌道。陷阱的位置通常設置在正常程序執行不到的區域，故不會影響系統的正常運行。

4 “看門狗”技術

在程序正常運行執行不到的區域安排軟件陷阱，系統一般不會受到影響。但是當系統受到干擾后失控，程序將形成死循環，軟件陷阱和冗余指令無法解決死循環問題，這時通過程序監控技術，強迫程序返回到指定的入口，用出錯處理程序使其正常運行，這種模仿人工監測的技術，又稱為“看門狗”技術。

例如：“看門狗”技術采用8031的定時器T0，除了TO的溢出中斷設為高級，剩下的中斷均設為低級，使用6M的時鐘，用如下的程序使T0定時（約10ms）形成“看門狗”，跑飛的程序無法執行指令，在該時間內將產生T0溢出中斷，系統安排LJMP ERR指令在T0的中斷向量區，轉移到出錯處理程序，來處理各種善后工作。

（1）置TO為16位定時器MOVTMOD，#OIH;

（2）允許T0中斷SETB ETO;

（3）設置T0為高級中斷SETB PT0;

（4）定時約10ms MOV THO，#OEOH;

（5）啟動T0 SETB TRO;

（6）開中斷SETB EA;

5 結束語

工業單片機測控系統在引入了軟件抗干擾技術后，一些棘手的問題就迎刃而解;但是不同的工業現場，環境和干擾源也各不相同。因此要仔細分析現場的干擾現象，不斷的實驗和總結，采取對應的措施，應地制宜，靈活運用，更好的提高系統的穩定性和可靠性。

參考文獻

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