單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的軟件抗干擾技術(shù)

陳欣

摘要

在工業(yè)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，抗干擾技術(shù)是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，軟件抗干擾技術(shù)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。本文針對(duì)工業(yè)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的抗干擾問題，從數(shù)字濾波技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)、“看門狗”技術(shù)等方面進(jìn)行了研究，并提出了解決方案。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 抗干擾技術(shù) 數(shù)字濾波技術(shù)

1 引言

如圖1所示，單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是在程序化管理下形成的測(cè)控系統(tǒng)，它可以在工業(yè)生產(chǎn)過程中提高機(jī)械控制的效率。但是，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，具有電磁功能的大量設(shè)備頻繁啟動(dòng)、停止，產(chǎn)生的干擾影響了單片機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文針對(duì)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的抗干擾問題，從軟件抗干擾技術(shù)方面進(jìn)行了分析和研究，并提出了解決方案。

工業(yè)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的常見影響如下：

1.1 干擾加大數(shù)據(jù)采集的誤差

測(cè)試系統(tǒng)通道的輸入部分受到干擾信號(hào)的入侵，有用信號(hào)和外來干擾信號(hào)相互疊加，加劇了該通道數(shù)據(jù)采集的誤差。尤其在當(dāng)前系統(tǒng)輸入的是小電壓信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)干擾的現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

1.2 干擾使數(shù)據(jù)發(fā)送變化

單片機(jī)系統(tǒng)中的程序是存放在存儲(chǔ)器EPROM中，這些程序不易發(fā)生變化。但是單片機(jī)系統(tǒng)的RAM數(shù)據(jù)區(qū)是可以讀寫的，它可能會(huì)受到讀入信息的干擾從而發(fā)生變化。因?yàn)楦蓴_渠道的區(qū)別，以及數(shù)據(jù)性質(zhì)的區(qū)別，單片機(jī)系統(tǒng)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(shù)值誤差，更嚴(yán)重的會(huì)改變單片機(jī)系統(tǒng)某些部件（如串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等）的運(yùn)行狀態(tài)等。

1.3 干擾使控制狀態(tài)失靈

在單片機(jī)系統(tǒng)中，控制狀態(tài)依賴于特定條件的輸入狀況和處理結(jié)果，干擾的侵入會(huì)造成條件狀態(tài)錯(cuò)誤，引起虛假的信號(hào)，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(yùn)行失常

單片機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提是CPU正常工作，如果干擾信號(hào)影響到了CPU，則程序計(jì)數(shù)器不能正常運(yùn)行，從而引起系統(tǒng)混亂、控制失靈，即通常說的程序“跑飛”。

現(xiàn)在使用的單片機(jī)抗干擾技術(shù)主要分為硬件與軟件兩類。硬件抗干擾技術(shù)固然可以降低系統(tǒng)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(shù)方法靈活，不需要增加硬件設(shè)備，越來越受到工業(yè)生產(chǎn)的重視和青睞。目前最常見的主要有如下幾種：數(shù)字濾波抗干擾技術(shù)、軟件陷阱抗干擾技術(shù)、“看門狗”抗干擾技術(shù)等。

2 數(shù)字濾波技術(shù)

數(shù)字濾波技術(shù)就是通過研究信號(hào)的干擾性，利用技術(shù)手段來提高輸入和輸出信號(hào)的精度，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)呈離散型分布，差值比較大時(shí)，則說明該數(shù)據(jù)受到較大的干擾，不能被系統(tǒng)最后采集。

2.1 算術(shù)平均值濾波法

該濾波法的實(shí)質(zhì)就是在一個(gè)周期內(nèi)采樣N次，然后求平均值，它的優(yōu)點(diǎn)是可以有效消除周期性的干擾。當(dāng)采樣次數(shù)N較大時(shí)，信號(hào)的平滑度會(huì)變高，但是相對(duì)應(yīng)的靈敏度會(huì)降低。當(dāng)采樣次數(shù)N較小時(shí)，信號(hào)的平滑度會(huì)變低，但靈敏度會(huì)變高。對(duì)次數(shù)N的取值根據(jù)實(shí)際情況而不同，對(duì)一般情況測(cè)試，N=12;對(duì)于壓力，通常N=4;對(duì)于溫度、電壓等，通常N=8。該方法對(duì)具有隨機(jī)干擾的普通信號(hào)進(jìn)行濾波比較有效，取樣信號(hào)有一個(gè)平均值，數(shù)值在其上下波動(dòng)，也可以推廣到在幾個(gè)連續(xù)的周期內(nèi)取平均值。

2.2 中位值平均濾波法

算術(shù)平均值濾波法的缺點(diǎn)是對(duì)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(diǎn)，它在若干個(gè)周期采樣，采樣參數(shù)按大小順序進(jìn)行排序，排除掉采樣的最大、最小兩個(gè)邊界值，然后按照N-2個(gè)數(shù)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(shí)際應(yīng)用中，采樣的周期要選擇適當(dāng)。選擇的周期較大，數(shù)據(jù)采集的延遲就會(huì)過大，系統(tǒng)的響應(yīng)就會(huì)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(duì)任意兩次采樣值設(shè)置一個(gè)最大偏差值A(chǔ)，每次檢測(cè)新采樣值都依據(jù)A值來判斷。如果連續(xù)兩次采樣值的偏差在A的范圍之內(nèi)，則此次采樣值有效。如果連續(xù)兩次采樣值的偏差大于A，則認(rèn)為此次采樣值無效，選用上次采樣值。該濾波法的最大優(yōu)點(diǎn)是克服偶然因素引發(fā)的干擾，缺點(diǎn)是無法抑制周期性的干擾，平滑度較差。

在實(shí)際的數(shù)字濾波技術(shù)中，可以采用多種濾波技術(shù)相結(jié)合的方法，比如在算術(shù)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(jù)實(shí)際情況，靈活選用。

3 軟體陷阱技術(shù)

抗干擾技術(shù)中“軟件陷阱”技術(shù)是一條引導(dǎo)指令，該指令的作用是強(qiáng)行將捕獲的程序指向一個(gè)固定的地址，在該地址中有專門用來處理的一段錯(cuò)誤。如果用ERROR來標(biāo)識(shí)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(qiáng)其捕獲效果。

一個(gè)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(tǒng)的如下位置：

（1）安排在系統(tǒng)未使用的中斷區(qū)。單片機(jī)系統(tǒng)有未使用的中斷向量區(qū)，為了捕捉到系統(tǒng)錯(cuò)誤的中斷，可在該系統(tǒng)未使用的中斷區(qū)安排軟件陷阱。

（2）安排在系統(tǒng)未使用的EPROM區(qū)域。EPROM區(qū)域中存在未編程的空閑空間，初始內(nèi)容為OFFH，對(duì)MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)來講，當(dāng)某段程序跑飛到此區(qū)域后，它將向后運(yùn)行，停止跳躍。在未使用的EPROM空間中，系統(tǒng)設(shè)若干個(gè)個(gè)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(hù)表格與檢索值的對(duì)應(yīng)關(guān)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(duì)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(qū)。在系統(tǒng)程序區(qū)不能隨意設(shè)置陷阱，可以利用各模塊之間的空余單元來設(shè)置陷阱，避免影響程序的正常運(yùn)行。當(dāng)陷阱區(qū)捕獲到跑飛的程序，就會(huì)拉回它到正確的軌道。陷阱的位置通常設(shè)置在正常程序執(zhí)行不到的區(qū)域，故不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 “看門狗”技術(shù)

在程序正常運(yùn)行執(zhí)行不到的區(qū)域安排軟件陷阱，系統(tǒng)一般不會(huì)受到影響。但是當(dāng)系統(tǒng)受到干擾后失控，程序?qū)⑿纬伤姥h(huán)，軟件陷阱和冗余指令無法解決死循環(huán)問題，這時(shí)通過程序監(jiān)控技術(shù)，強(qiáng)迫程序返回到指定的入口，用出錯(cuò)處理程序使其正常運(yùn)行，這種模仿人工監(jiān)測(cè)的技術(shù)，又稱為“看門狗”技術(shù)。

例如：“看門狗”技術(shù)采用8031的定時(shí)器T0，除了TO的溢出中斷設(shè)為高級(jí)，剩下的中斷均設(shè)為低級(jí)，使用6M的時(shí)鐘，用如下的程序使T0定時(shí)（約10ms）形成“看門狗”，跑飛的程序無法執(zhí)行指令，在該時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)生T0溢出中斷，系統(tǒng)安排LJMP ERR指令在T0的中斷向量區(qū)，轉(zhuǎn)移到出錯(cuò)處理程序，來處理各種善后工作。

（1）置TO為16位定時(shí)器MOVTMOD，#OIH;

（2）允許T0中斷SETB ETO;

（3）設(shè)置T0為高級(jí)中斷SETB PT0;

（4）定時(shí)約10ms MOV THO，#OEOH;

（5）啟動(dòng)T0 SETB TRO;

（6）開中斷SETB EA;

5 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在引入了軟件抗干擾技術(shù)后，一些棘手的問題就迎刃而解;但是不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，環(huán)境和干擾源也各不相同。因此要仔細(xì)分析現(xiàn)場(chǎng)的干擾現(xiàn)象，不斷的實(shí)驗(yàn)和總結(jié)，采取對(duì)應(yīng)的措施，應(yīng)地制宜，靈活運(yùn)用，更好的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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