單片機應用系統(tǒng)的軟件抗干擾措施

1、 郵局訂閱號:82-946360元/年技術創(chuàng)新單片機開發(fā)與應用PLC 技術應用200例您的論文得到兩院院士關注單片機應用系統(tǒng)的軟件抗干擾措施The Step of Software Anti-jam m ing in SingleChip System(廣東工業(yè)大學覃毅湯榮江李治龍相洪貴QIN YI TANG RONGJIANG LI ZHILONG XIANG HONGGUI摘要:在單片機的應用系統(tǒng)中,工業(yè)現(xiàn)場存在的各種干擾,很容易導致系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至無法正常工作。因此,如何提高穩(wěn)定性是必須認真對待的。本文從實踐的角度出發(fā),對軟件抗干擾措施作了比較細致的探討。關鍵詞:單片機;軟件;抗干擾;措施

2、中圖分類號:TP368.1文獻標識碼:BAbstract:In the application system of singleChip,there exists every kind of disturbance in industry scene.It is difficult to cause the system stable.Therefore,how to enhance the stability is must earnestly be treated.In this article,we had carefully discussed to the soft-ware ant

3、i-jamming in the aspect of practice.Keywords:singleChip,software,anti-jamming,measure文章編號:1008-0570(200702-2-00101-03引言近年來,微機測控系統(tǒng),特別是單片機在工業(yè)自動化、生產(chǎn)過程控制、智能化儀器儀表等領域的應用日益廣泛。但測控系統(tǒng)的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復雜的,其應用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。微機測控系統(tǒng)必須長期穩(wěn)定、可靠地運行,否則將導致控制誤差加大,嚴重時會使系統(tǒng)失靈,造成巨大的損失。因此,提高測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性,成為人們日益關心的課題,這不僅

4、具有一定的科學理論意義,而且具有很高的工程實用價值。單片機系統(tǒng)的抗干擾措施具體可分為硬件和軟件兩方面,其中軟件抗干擾以其設計靈活、不需增加硬件資源、成本低等優(yōu)勢越來越得到廣泛采用。在工程中,軟件抗干擾主要從兩方面入手:程序失控時的處理;對輸入輸出信號的處理。在此,本文以目前國內常見的MCS-51系列單片機系統(tǒng)為例,對前者進行進行較深入的探討。單片機系統(tǒng)的程序是一步步有序執(zhí)行的。當發(fā)生外部的干擾或系統(tǒng)本身的硬件瞬時故障時,會產(chǎn)生程序失控,偏離設定的順序。為預防這種失控,可采取如下措施:1指令冗余我們知道,CPU 對指令的執(zhí)行過程是:先取操作碼,再取操作數(shù)。當受到干擾后,程序會脫離正常順序而“跑飛

5、”,那就極有可能出現(xiàn)這種情況:CPU 將一些二字節(jié)、三字節(jié)指令的操作數(shù)當作操作碼來執(zhí)行,程序運行必然產(chǎn)生混亂。這時,我們可以在一些關鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)指令(NOP ,或將有效單字節(jié)指令和重要的控制指令重復書寫,這就稱為指令冗余。1.1匯編源程序中指令冗余的實現(xiàn)對于使用匯編語言寫的程序來說,指令冗余通常的做法是在雙字節(jié)和三字節(jié)指令之后插入兩個以上的NOP 指令。一旦出現(xiàn)程序跑飛,則在執(zhí)行幾個NOP 指令后,就會繼續(xù)完整地執(zhí)行后面的指令,這樣,程序自動步入正軌。但要注意的是,冗余指令不宜太多,否則會降低程序的運行效率。另外,對程序流向起決定作用的指令如RET 、RETI 、LCALL 、

6、SJMP 、JZ 、CJNE 、JC 等跳轉指令之前插入兩個NOP 指令,亦可將跑飛的程序納入正軌,保證此類重要指令的執(zhí)行。如:.NOP NOPCJNE A,50H,L1.1.2C 語言下指令冗余的實現(xiàn)對于使用Keil C 語言寫的51程序來說,可以采用在C 語句適當?shù)奈恢脙惹秴R編語句的方式來實現(xiàn)上述指令冗余。在欲實現(xiàn)指令冗余的地方,可以插入如下指令:.#pragma asm nop nop#pragma endasm .一般來講,用Keil C 寫的程序,if-else 、switch 、for 以及while 等語句在編譯后都會產(chǎn)生跳轉指令。對于C 語言這種函數(shù)式的語言,在函數(shù)體的一對花括

7、弧中,右括弧之前就可以考慮插入上述指令冗余,若想確定最適宜的位置,可與編譯器產(chǎn)生的.src文件對照參考。比如如下函數(shù)框架:void function(./此處添加指令冗余此外,在函數(shù)調用之前也可以插入以上語句,因為一般情況下,C 的函數(shù)調用經(jīng)過編譯后都是通過跳轉指令實現(xiàn)的。覃毅:碩士研究生101-技術創(chuàng)新中文核心期刊微計算機信息(嵌入式與SOC 2007年第23卷第2-2期360元/年郵局訂閱號:82-946現(xiàn)場總線技術應用200例單片機開發(fā)與應用2軟件攔截技術軟件攔截技術是指將跑飛的程序引向指定位置,再進行錯誤處理。前面的指令冗余方法并不能完全解決程序跑飛的問題,當跑飛的程序落到非指令區(qū)就無

8、法起作用了。對此多用設置軟件陷阱的辦法來攔截跑飛的程序。當然首先要正確設計軟件陷阱,再合理安排其位置。2.1軟件陷阱的設計軟件陷阱是指用來將捕獲的跑飛程序引向復位入口或錯誤處理程序入口地址的幾條指令。通常把以下幾條指令作為常用的軟件陷阱:NOP NOPLJMP 0000H (或LJMP ERROR,ERROR 為錯誤處理程序的入口標號為防止干擾導致未使用的中斷被異常開放,對于未使用的中斷服務程序則可以這樣:NOP NOPPUSH 00H PUSH 00H RETI對于使用C 語言編寫的程序來說,以上“軟件陷阱”也可以用內嵌匯編語句的方式插入代碼段中,類似前面“指令冗余”的實現(xiàn)方法。2.2軟件陷

9、阱的位置安排通常在未使用的程序存儲器單元空間填充軟件陷阱,即將其置為“0000020000H ”(復位陷阱的機器碼。當跑飛程序落到此處,即自動步入正軌?？梢圆捎檬謩泳庉嫙龑懳募姆绞綄崿F(xiàn)填充。除了未使用程序空間外,軟件陷阱還常安放于未使用的中斷向量區(qū)(可糾正干擾導致的錯誤中斷、常數(shù)表格區(qū)的最后和程序的代碼段之間的空隙。3軟件“看門狗”技術若失控的程序進入“死循環(huán)”,通常采用“看門狗”技術使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運行時間,若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間,則認為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”,需進行出錯處理?！翱撮T狗”技術可由硬件實現(xiàn),也可由軟件實現(xiàn)。對于內部沒有集成看門狗的單片機,

10、可以用軟件的方法來模擬硬件看門狗,其原理是類似的。仍以51系列為例,用一個定時器來對主程序的運行時間進行監(jiān)控。將T0設定為高優(yōu)先級中斷,對T0設定一定的定時時間,當產(chǎn)生定時中斷的時候對一個變量進行賦值,而這個變量在主程序運行的開始已經(jīng)有了一個初值,要設定的定時值要小于主程序的運行時間,這樣在主程序的尾部對變量的值進行判斷,如果值發(fā)生了預期的變化,就說明T0中斷正常,如果沒有發(fā)生變化則使程序復位。此外,在不影響程序功能的情況下,還可以利用單片機的“待機”工作方式來實現(xiàn)抗干擾。在待機(睡眠時,單片機只有定時/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)處于工作狀態(tài),對系統(tǒng)各總線上出現(xiàn)的干擾不會有任何反應,這就大大降低了系統(tǒng)對

11、干擾信號的敏感程度。4系統(tǒng)故障處理及自恢復程序的設計單片機系統(tǒng)受到強干擾或意外掉電后導致的復位在實際中并不鮮見,屬于非正常復位。從軟件方面實現(xiàn)故障診斷并自動恢復非正常復位前的狀態(tài),使系統(tǒng)正常工作,這在工業(yè)控制中的實時計量系統(tǒng)中是非常重要的。4.1非正常復位的識別程序的執(zhí)行總是從0000H 開始,導致程序從0000H 開始執(zhí)行有四種可能:(1正常上電復位;(2軟件故障復位;(3看門狗超時未喂狗硬件復位;(4掉電后又上電復位。四種情況中除第一種情況外均屬非正常復位,需加以識別并作相應的處理。4.1.1軟件故障導致復位軟件故障復位的特點之一,是單片機內部RAM 保持復位前的狀態(tài),因此可選取片內某一個

12、或兩個單元作為上電標志。設40H 單元用來做上電標志,上電標志字為F0H ,若系統(tǒng)復位后40H 單元內容不等于F0H ,則可以認為是硬件復位,否則認為是軟件復位,然后轉向相應的故障處理模塊。4.1.2看門狗超時未喂狗導致硬件復位看門狗故障復位的正確識別,一般要借助非易失性RAM 或者EEPROM 。當系統(tǒng)正常運行時,設置一可掉電保護的觀測單元。當系統(tǒng)正常運行時,在定時喂狗的中斷服務程序中使該觀測單元保持正常值(設為55H ,而在主程序中將該單元清零,因觀測單元掉電可保護,則開機時通過檢測該單元是否為正常值即可判斷是否看門狗復位。目前已有部分看門狗電路具備了一定容量的數(shù)據(jù)存儲器,比如X5045就

13、是集看門狗、電壓監(jiān)控和4096bit 的串行EEPROM 等多種功能于一身的可編程控制模塊,與Max813等常用的無RAM 的看門狗電路相比,使用X5045后,一般不必再額外添加EEPROM 模塊,元器件數(shù)量少了,在一定程度上系統(tǒng)穩(wěn)定性得以提高。4.1.3系統(tǒng)掉電后又上電的復位在識別測控系統(tǒng)因意外情況如系統(tǒng)掉電等情況引起的開機復位,對于過程控制和實時計量控制系統(tǒng)尤為重要。同看門狗故障復位識別一樣,設置一可掉電保護的觀測單元,并在程序的各個分支流程對該監(jiān)測單元以及重要數(shù)據(jù)予以保護,一旦系統(tǒng)掉電復位后,可據(jù)此單元判斷系統(tǒng)之前的運行狀態(tài),并跳到出錯處理程序進行系統(tǒng)恢復,使測控誤差減到最小。4.2非正

14、常復位后系統(tǒng)自恢復運行的程序設計對順序要求嚴格的一些過程控制系統(tǒng),系統(tǒng)非正常復位后,一般都要求從失控的那一個模塊或任務恢復運行。所以,測控系統(tǒng)要及時作好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份,如系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)的進程、當前的輸入、輸出值,觀測單元值等,這些數(shù)據(jù)既要定時備份,同時若有修改也應立即備份,以保證恢復數(shù)據(jù)的可靠性。當在已判別出系統(tǒng)非正常復位的情況下,先要恢復一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù),如顯示模塊的初始化、片外擴展芯片的初始化等。其次再對測控系統(tǒng)的運行狀態(tài)、運行參數(shù)等予以恢復,包括顯示界面等的恢復。之后再把復位前的任務、參數(shù)、運行時間等還原,然后才能進入系統(tǒng)運行狀態(tài)。下頁是工控系統(tǒng)可采用的數(shù)據(jù)恢復過程流程圖

15、。對于輸入輸出信號的軟件抗干擾處理方法如:對輸入量(電平和脈沖多次讀取、對輸出數(shù)據(jù)復寫、RAM 數(shù)據(jù)保護與校驗、數(shù)字濾波等,限于篇幅,本文未作討論。102- 郵局訂閱號:82-946360元/年技術創(chuàng)新單片機開發(fā)與應用PLC 技術應用200例您的論文得到兩院院士關注5結束語本文以51單片機為例,針對單片機測控系統(tǒng)易受環(huán)境干擾的問題,詳盡的分析并討論了軟件抗干擾的各種解決辦法,以及各種原因導致的系統(tǒng)故障的還原措施。筆者在某純凈水售水控制系統(tǒng)的設計中采用了上述軟件抗干擾措施,并在硬件電路抗干擾方面予以加強,經(jīng)長期測試,控制系統(tǒng)始終保持比較穩(wěn)定的工作狀態(tài)。而經(jīng)測試,在去除相應的抗干擾部分時,控制系統(tǒng)

16、對現(xiàn)場環(huán)境表現(xiàn)過于“敏感”,頻繁的隨機出現(xiàn)異常,工作狀態(tài)非常不穩(wěn)定,達不到系統(tǒng)設計要求。在工程實踐中,通常都是多種抗干擾方法并用,且硬件與軟件抗干擾技術相結合,互相補充,完善系統(tǒng)監(jiān)控程序,才能取得較好的抗干擾效果。針對不同的工業(yè)控制環(huán)境,系統(tǒng)地研究分析產(chǎn)生干擾的原因和傳輸途徑,采用合理的抗干擾措施,這是設計單片機測控系統(tǒng)時必須預先考慮的重要內容。本文作者創(chuàng)新點:1在“指令冗余”和“軟件陷阱”等的具體實現(xiàn)上,在給出匯編語言的寫法后,針對單片機系統(tǒng)編程中廣泛采用的C 語言,結合keil C ,給出了實現(xiàn)方法并分析了部分有必要實現(xiàn)“指令冗余”和“軟件陷阱”的地方。2針對系統(tǒng)故障的恢復,詳細分析了各種

17、情況并指出解決辦法,并給出了一種通用形式的恢復流程框圖。參考文獻:1王幸之,王雷等.單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術M.北京:北京航空航天大學出版社,2001.2何立民.單片機應用系統(tǒng)設計M.北京:北京航空航天大學出版社,1999.3楊宏麗,張健.單片機應用系統(tǒng)的抗干擾解決方案J.微計算機信息,2005,5.作者簡介:覃毅(1974-男,四川遂寧人,廣東工業(yè)大學計算機學院碩士研究生,研究方向:智能工程與軟計算,E_mail:love-ly_qq,lovely_qq2004;湯榮江,男,廣東廣州人,廣東工業(yè)大學計算機學院副教授,碩士生導師,主要研究方向:智能工程與軟計算及其在智能家居網(wǎng)絡、嵌入式系統(tǒng)的應

18、用。Biography:Qin Yi,male,born in SUINING -SICHUAN province in 1974.Master.Currently major in intelligent engineering andsoft comupting in GuangDong University of Technology.Tan-gRongJiang,male,born in GUANGZHOU-GUANGDONG province,adjunct professor,master supervisor,major in intelligent engineer-ing a

19、nd soft comupting intelligent and the applications in home network and embedded system.(510090廣州廣東工業(yè)大學計算機學院覃毅湯榮江李治龍相洪貴(Faculty of computer,Guangdong University of Technology,Guangdong Guangzhou,510090Qin Yi Tang Rongjiang Li Zhilong Xiang Honggui通訊地址:(510090廣東廣州市廣州大學城廣東工業(yè)大學計算機學院04級研究生班覃毅(收稿日期:2006.1

20、2.17(修稿日期:2007.1.15(上接第55頁釋放信號量,由任務display 完成一幀的顯示工作,并等待下一次中斷觸發(fā)時信號量的再次釋放。4總結在以PC 機為目標機的實驗平臺上,利用本文介紹的視頻采集系統(tǒng)可以流暢地顯示經(jīng)視頻采集卡轉換的數(shù)字圖像信息,達到實時視頻監(jiān)視的目的。創(chuàng)新觀點:以前的視頻監(jiān)視系統(tǒng)軟件平臺多為Windows ,其實時性不能得到有效的保證。不太適合于對系統(tǒng)穩(wěn)定性和實時性要求較高的應用場所。而VxWorks 系統(tǒng)正好可以彌補這些缺陷,但是其對硬件的支持不如Windows 平臺廣泛,尤其是在多媒體顯示方面。本文設計的系統(tǒng)可以在VxWorks 下對PCI 采集設備很好地支持,完成模擬視頻信號到數(shù)字信號的轉換過程。同時利用了WindML 庫對VxWorks 下視頻的顯示方法給出了一個比較