工控軟件的抗干擾對策

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工控軟件的抗干擾對策

工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中干擾的特點主要有人為性干擾、程序計數(shù)器PC值被干擾、輸入／輸出接口狀態(tài)受到干擾、數(shù)據(jù)采集誤差加大、RAM數(shù)據(jù)區(qū)受到干擾和控制狀態(tài)失靈等。對程序運行失常的軟件對策主要是發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后及時引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)；對于干擾造成的死鎖現(xiàn)象，在軟件編程中可采用時間片的方法解決；數(shù)據(jù)采集誤差大的軟件對策是采用數(shù)字濾波技術(shù)；對于RAM數(shù)據(jù)出錯問題采用校驗法和設(shè)標法的軟件對策；對于控制狀態(tài)失常問題采用軟件冗余、設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄放單元和設(shè)置自檢程序等對策。

計算機控制和檢測系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場使用時，工業(yè)控制往往存在各種大型電力和機械設(shè)備造成的大量干擾源，雖不會損壞硬件系統(tǒng)，但會瞬間干擾計算機系統(tǒng)的正常運行，致使控制失靈，參數(shù)異變，控制精度和控制效果下降，甚至造成重大事故。要解決計算機系統(tǒng)的抗干擾不但要從硬件上著手，減少和避免計算機系統(tǒng)受到外界的影響，而且還要在軟件上作出相應(yīng)的對策，使系統(tǒng)能有效地識別干擾，以避免干擾對控制系統(tǒng)的影響。工控軟件的結(jié)構(gòu)特點及干擾途徑

1.結(jié)構(gòu)特點

目前，國內(nèi)的工業(yè)控制系統(tǒng)中有好多種工控系統(tǒng)和工控軟件，這

些工控軟件雖然功能不同，但就其結(jié)構(gòu)來說，具有如下特點：(1)實時性工業(yè)控制系統(tǒng)中有些事件的發(fā)生具有隨機性，要求工控軟件能夠及時地處理隨機事件；

(2)周期性工控軟件在完成系統(tǒng)的初始化工作后，隨之進入主程序循環(huán)，在執(zhí)行主程序過程中，如有中斷申請，在執(zhí)行完相應(yīng)的中斷服務(wù)程序后，繼續(xù)主程序循環(huán)；

(3)相關(guān)性工控軟件由多個任務(wù)模塊組成，各模塊協(xié)同工作，相互關(guān)聯(lián)，相互依存；

(4)人為性工控軟件允許操作人員干預(yù)系統(tǒng)的運行，調(diào)整系統(tǒng)的工作參數(shù)。

2.干擾途徑

在理想狀況下，工控軟件可以正常執(zhí)行。但在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的干擾下，工控軟件的周期性、相關(guān)性及實時性受到破壞，程序無法正常執(zhí)行，導(dǎo)致工業(yè)控制系統(tǒng)的失控。這種失控表現(xiàn)在以下幾方面。(1)程序計數(shù)器PC值發(fā)生變化，破壞了程序的正常運行。PC值被干擾后的數(shù)據(jù)是隨機的，引起程序執(zhí)行混亂，在PC值的錯誤引導(dǎo)下，程序執(zhí)行一系列毫無意義的指令，最終進入毫無意義的死循環(huán)中，使系統(tǒng)失去控制。

(2)輸入/輸出接口狀態(tài)受到干擾，破壞了工控軟件的相關(guān)性和周期性，造成系統(tǒng)資源被某個任務(wù)模塊獨占，使系統(tǒng)發(fā)生死鎖現(xiàn)象。(3)干擾侵入系統(tǒng)的前向通道，疊加在信號上，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集誤

差加大。特別是當(dāng)前向通道的傳感器接口是小電壓信號輸入時，此現(xiàn)象更加嚴重。

(4)RAM數(shù)據(jù)區(qū)受到干擾發(fā)生變化。根據(jù)干擾竄入渠道和受干擾數(shù)據(jù)性質(zhì)的不同，系統(tǒng)受損壞的狀況不同，有的造成數(shù)值誤差，有的使控制失靈，有的改變程序狀態(tài)，有的改變某些部件(如定時器／計數(shù)器、串行口等)的工作狀態(tài)等。

(5)控制狀態(tài)失靈。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，控制狀態(tài)的輸出是依據(jù)某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的規(guī)律處理結(jié)果而定的。在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵入，會造成條件狀態(tài)錯誤，致使輸出控制誤差加大，甚至控制失常。

程序運行失常的軟件對策

系統(tǒng)受到干擾侵害致使PC值改變，造成程序運行失常。程序運行失常的軟件對策主要是發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后及時引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)。

1.設(shè)監(jiān)視跟蹤定時器

使用定時中斷來監(jiān)視程序運行狀態(tài)。定時器的定時時間稍大于主程序正常運行一個循環(huán)的時間，在主程序運行過程中執(zhí)行一次定時器時間常數(shù)刷新操作。這樣，只要程序正常運行，定時器不會出現(xiàn)定時中斷。而當(dāng)程序運行失常，不能及時刷新定時器時間常數(shù)就導(dǎo)致定時

中斷，利用定時中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)復(fù)位。在8031應(yīng)用系統(tǒng)中用軟件抗干擾，具體做法是：

(1)使用8155的定時器所產(chǎn)生的溢出信號作為8031的外部中斷源INT1，用555定時器作為8155中定時器的外部時鐘輸入；(2)8155定時器的定時值稍大于主程序的正常循環(huán)時間；(3)在主程序中，每循環(huán)一次，對8155定時器的定時常數(shù)進行刷新；

(4)在主控程序開始處，對硬件復(fù)位還是定時中斷產(chǎn)生的自動恢復(fù)進行分類判斷處理。

2.設(shè)置軟件陷井

當(dāng)PC失控，造成程序“亂飛〞而不斷進入非程序區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，便可使程序進入陷井，然后迫使程序進入初始狀態(tài)。例如Z80指令系統(tǒng)中數(shù)據(jù)FFH正好對應(yīng)為重新起動指令RST56，該指令使程序自動轉(zhuǎn)入0038H入口地址。因此，在Z80CPU構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，只要將所有非程序區(qū)全部置成FFH用以攔截失控程序，并在0038H處設(shè)置轉(zhuǎn)移指令，便可使程序轉(zhuǎn)至抗干擾處理程序［1］。

系統(tǒng)死鎖的軟件對策

工業(yè)控制系統(tǒng)中，A/D、D/A，顯示等輸入/輸出接口電路是必不

可少的。這些接口與CPU之間采用查尋或中斷方式工作，對干擾很敏感，干擾信號一旦破壞了某一接口的狀態(tài)后，就會導(dǎo)致CPU誤認為該接口有輸入/輸出請求而中止現(xiàn)行工作，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的輸入/輸出服務(wù)程序。但該接口本身并沒有輸入/輸出數(shù)據(jù)，使CPU資源被該服務(wù)程序長期占用而不釋放，無法執(zhí)行其它任務(wù)程序，整個系統(tǒng)便出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。對這種干擾造成的死鎖問題，在軟件編程中，可采用時間片的方法來解決。具體步驟是：

(1)根據(jù)不同的輸入/輸出外設(shè)對時間的要求，分派相應(yīng)的最大正常輸入/輸出的時間；

(2)在每一輸入/輸出的任務(wù)模塊中，參與相應(yīng)的超時判斷程序，在干擾破壞了接口的狀態(tài)造成CPU誤操作后，由于該外設(shè)準備好信息長期無效，經(jīng)一定時間后，系統(tǒng)會從該外設(shè)的服務(wù)程序中自動返回，保證整個軟件的周期性不受影響，從而避免死鎖現(xiàn)象的發(fā)生。

數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對策

根據(jù)數(shù)據(jù)受干擾性質(zhì)及干擾后結(jié)果的不同，采取的軟件對策各不一致。對于實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除傳感器通道中的干擾信號，在硬件上常采取有源或無源RL