單片機(jī)軟件控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)分析

杜衛(wèi)平 新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

單片機(jī)軟件控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)分析

杜衛(wèi)平 新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

不同的單片機(jī)系統(tǒng)都是完整而獨(dú)立的，有自己的特點(diǎn)和要求。對(duì)于硬件和軟件抗干擾設(shè)計(jì)上，都體現(xiàn)出自己的特色。本論文針對(duì)無(wú)線電射頻干擾展開(kāi)探討，同時(shí)也對(duì)交流電路工頻干擾等主要的干擾源和干擾方式進(jìn)行研究，以硬件抗干擾措施為基礎(chǔ)，軟件抗干擾技術(shù)起到補(bǔ)充作用。關(guān)于軟件抗干擾所采取的措施，先要對(duì)測(cè)量對(duì)象有較全面的了解，并對(duì)干擾因素進(jìn)行探討，在此基礎(chǔ)上還要考慮到系統(tǒng)的特殊性，制計(jì)出有效的抗干擾方案。

單片機(jī) 控制系統(tǒng) 干擾設(shè)計(jì)

1 干擾對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的影響

1.1 測(cè)量數(shù)據(jù)誤差加大

如果干擾因素侵入到單片機(jī)系統(tǒng)之中，并且進(jìn)入到測(cè)量單元模擬信號(hào)輸入通道，與測(cè)量信息發(fā)生疊加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的難度加大，出現(xiàn)各種誤差，尤其是在對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如果干擾信號(hào)過(guò)強(qiáng)，而測(cè)量信號(hào)過(guò)弱，則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量被淹沒(méi)的情況發(fā)生。

1.2 控制系統(tǒng)失靈

單片機(jī)輸出的控制信號(hào)存在這種現(xiàn)象，通常情況下會(huì)對(duì)處于某些條件的情況下，對(duì)于輸入信號(hào)以及對(duì)信號(hào)的邏輯入理結(jié)果過(guò)于依賴(lài)。如果輸入狀態(tài)信號(hào)被干擾，有虛假狀態(tài)的信息介入其中，則會(huì)出現(xiàn)輸出控制誤差加大的情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致控制失靈。

1.3 影響單片機(jī)RAM存儲(chǔ)器和E2PROM的問(wèn)題

從單片機(jī)的具體運(yùn)作情況展開(kāi)研究，在程序存儲(chǔ)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(dú)立性得以保障，不受其它因素的干擾。主要問(wèn)題集中片內(nèi)RAM、外擴(kuò)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(yùn)行失常

如果外界的干擾過(guò)強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器頻繁復(fù)位，對(duì)程序正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。如果外界干擾較為嚴(yán)重，導(dǎo)致單片機(jī)程序計(jì)數(shù)器PC值被改變，而且PC數(shù)值改變具有隨機(jī)性，程序會(huì)對(duì)一些無(wú)意義的指令做出反應(yīng)，因此進(jìn)入到死循環(huán)狀態(tài)，程序進(jìn)入混亂狀態(tài)。

2 單片機(jī)軟件系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)分析

2.1 指令冗余

從CPU取指令的過(guò)程來(lái)看，需要先取操作碼，然后再提取操作數(shù)，同時(shí)還要把單字節(jié)指令插入到程序關(guān)鍵之處，對(duì)于有效單字節(jié)指令重寫(xiě)，稱(chēng)之為指令冗余。在一般情況下，對(duì)于雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令要進(jìn)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(cuò)誤執(zhí)行的情況發(fā)生，為程序步入正規(guī)奠定基礎(chǔ)。另外，一些指令對(duì)系統(tǒng)流向產(chǎn)生影響，在具體操作時(shí)在此類(lèi)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(lèi)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(duì)待操作數(shù)，避免出現(xiàn)把操作數(shù)當(dāng)做操作碼，導(dǎo)致執(zhí)行錯(cuò)誤的情況發(fā)生，但是卻無(wú)法改變錯(cuò)誤，為了使程序錯(cuò)誤執(zhí)行方向的問(wèn)題得到糾正，需要采用下面的技術(shù)。

2.2 設(shè)計(jì)軟件“陷阱”

在通常情況下，程序存儲(chǔ)器存在未使用的EPROM空間，沒(méi)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(huì)得到調(diào)整，雖然會(huì)執(zhí)行一段空操作，但這種錯(cuò)誤不會(huì)持續(xù)很久，最后會(huì)轉(zhuǎn)入正軌。如果EPROM具有較大的空間，大部分沒(méi)有使用，在操作時(shí)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(guò)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(dān)著重要職責(zé)，如果程序處于正常運(yùn)行狀態(tài)，則軟件陷阱無(wú)需執(zhí)行，但是如果程序發(fā)生跑飛，同時(shí)還要落入陷阱之內(nèi)，軟件陷阱則會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)，使跑飛的程序發(fā)生跳轉(zhuǎn)，重新進(jìn)入正常軌道。如果程序跑飛后并未落入陷阱之中，程序會(huì)執(zhí)行一段錯(cuò)誤操作，然后遇到軟件陷阱，并被轉(zhuǎn)入到正軌中來(lái)。在程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)域設(shè)置軟件陷阱，還要把陷阱設(shè)置在程序結(jié)尾處。如果數(shù)據(jù)表較大，為了保障正常運(yùn)行，在數(shù)據(jù)中間位置也要設(shè)置軟件陷阱，即使程序跑飛到數(shù)據(jù)區(qū)，也會(huì)被重新納入正軌。如果程序有較大的存儲(chǔ)空間，在兩個(gè)子程序之間設(shè)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(kāi)放的情況，如果所對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中有軟件陷阱的存在，可以及時(shí)處理錯(cuò)誤的中斷。關(guān)于軟件陷阱的數(shù)量問(wèn)題，要根據(jù)干擾的情況而定，還要充分考慮到存儲(chǔ)器的容量，如果軟件陷阱太少，則難以實(shí)現(xiàn)有效的跑飛攔截，但如果陷阱設(shè)置太多，導(dǎo)致大量的程序存儲(chǔ)空間被占用，同樣不利于系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 軟件“看門(mén)狗”技術(shù)

程序發(fā)生跑飛的情況比較普遍，在進(jìn)行錯(cuò)誤操作之后，會(huì)進(jìn)入到“死循環(huán)”狀態(tài)，發(fā)生死機(jī)。而解決此問(wèn)題的可以采用“軟件看門(mén)狗”的技術(shù)，可以使程序恢復(fù)正常。軟件看門(mén)狗技術(shù)的原理并不復(fù)雜，即對(duì)程序的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不受最大循環(huán)運(yùn)行時(shí)間的控制，即可做出判斷，即程序進(jìn)入到“死循環(huán)”狀態(tài)，需要采取有效的處理措施。從實(shí)際操作來(lái)看，采用定時(shí)中斷服務(wù)程序和定時(shí)檢查主程序的運(yùn)行情況的方式。在工業(yè)實(shí)踐中，如果干擾過(guò)于嚴(yán)重，會(huì)使控制字被中斷，中斷被關(guān)閉，看門(mén)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(mén)狗”的抗干擾性能較強(qiáng)，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(mén)狗”正常運(yùn)行需要有定時(shí)器裝置，在實(shí)際操作中，可以看到在很多控制程序中都需要定時(shí)器，由此可知定時(shí)器屬于緊俏資源，由于這個(gè)原因?qū)е率管浖翱撮T(mén)狗”的使用受限。為了解決此問(wèn)題，軟件可以與其它程序共同使用一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)功能與“看門(mén)狗”功能實(shí)現(xiàn)兼顧。

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

這是一種有效的方式，在RAM區(qū)中選擇幾個(gè)固定單元，并設(shè)置其為固定的數(shù)據(jù)，即程序處于正常運(yùn)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(huì)導(dǎo)致RAM中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化，說(shuō)明單片機(jī)已處于干擾之下，無(wú)法正常運(yùn)行。在程序運(yùn)行時(shí)，我們要對(duì)RAM單元的內(nèi)容進(jìn)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(yǔ)句，完成單片機(jī)的復(fù)位操作。

2.5 刷新輸出端口

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

2.6 進(jìn)行多次輸入采樣

如果干擾過(guò)于強(qiáng)烈，會(huì)對(duì)單片機(jī)的輸入信號(hào)造成不利影響，導(dǎo)致輸入信號(hào)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(jìn)行重新采樣，利用加權(quán)平均的方法解決該問(wèn)題。

電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，對(duì)微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用，在更多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其是中小規(guī)模的單片機(jī)控制系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值，智能機(jī)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(yīng)用更加廣泛。要注意的是在進(jìn)行單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)，要提升設(shè)備自動(dòng)化程度，使之更具智能性，但同時(shí)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(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)研究[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2016(10)

[2]王雅雪.單片機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)研究[J].數(shù)字化用戶(hù),2013(15)