單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件抗干擾措施

1、 郵局訂閱號(hào):82-946360元/年技術(shù)創(chuàng)新單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用PLC 技術(shù)應(yīng)用200例您的論文得到兩院院士關(guān)注單片機(jī)應(yīng)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(xué)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(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在的各種干擾,很容易導(dǎo)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(rèn)真對(duì)待的。本文從實(shí)踐的角度出發(fā),對(duì)軟件抗干擾措施作了比較細(xì)致的探討。關(guān)鍵詞:單片機(jī);軟件;抗干擾;措施

2、中圖分類號(hào):TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(hào):1008-0570(200702-2-00101-03引言近年來,微機(jī)測(cè)控系統(tǒng),特別是單片機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化、生產(chǎn)過程控制、智能化儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。但測(cè)控系統(tǒng)的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復(fù)雜的,其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個(gè)非常突出的問題。微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)必須長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行,否則將導(dǎo)致控制誤差加大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)失靈,造成巨大的損失。因此,提高測(cè)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性,成為人們?nèi)找骊P(guān)心的課題,這不僅

4、具有一定的科學(xué)理論意義,而且具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。單片機(jī)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(shè)計(jì)靈活、不需增加硬件資源、成本低等優(yōu)勢(shì)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(shí)的處理;對(duì)輸入輸出信號(hào)的處理。在此,本文以目前國(guó)內(nèi)常見的MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)為例,對(duì)前者進(jìn)行進(jìn)行較深入的探討。單片機(jī)系統(tǒng)的程序是一步步有序執(zhí)行的。當(dāng)發(fā)生外部的干擾或系統(tǒng)本身的硬件瞬時(shí)故障時(shí),會(huì)產(chǎn)生程序失控,偏離設(shè)定的順序。為預(yù)防這種失控,可采取如下措施:1指令冗余我們知道,CPU 對(duì)指令的執(zhí)行過程是:先取操作碼,再取操作數(shù)。當(dāng)受到干擾后,程序會(huì)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(dāng)作操作碼來執(zhí)行,程序運(yùn)行必然產(chǎn)生混亂。這時(shí),我們可以在一些關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)指令(NOP ,或?qū)⒂行巫止?jié)指令和重要的控制指令重復(fù)書寫,這就稱為指令冗余。1.1匯編源程序中指令冗余的實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)以上的NOP 指令。一旦出現(xiàn)程序跑飛,則在執(zhí)行幾個(gè)NOP 指令后,就會(huì)繼續(xù)完整地執(zhí)行后面的指令,這樣,程序自動(dòng)步入正軌。但要注意的是,冗余指令不宜太多,否則會(huì)降低程序的運(yùn)行效率。另外,對(duì)程序流向起決定作用的指令如RET 、RETI 、LCALL 、

6、SJMP 、JZ 、CJNE 、JC 等跳轉(zhuǎn)指令之前插入兩個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)于使用Keil C 語言寫的51程序來說,可以采用在C 語句適當(dāng)?shù)奈恢脙?nèi)嵌匯編語句的方式來實(shí)現(xiàn)上述指令冗余。在欲實(shí)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(huì)產(chǎn)生跳轉(zhuǎn)指令。對(duì)于C 語言這種函數(shù)式的語言,在函數(shù)體的一對(duì)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(duì)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(diào)用之前也可以插入以上語句,因?yàn)橐话闱闆r下,C 的函數(shù)調(diào)用經(jīng)過編譯后都是通過跳轉(zhuǎn)指令實(shí)現(xiàn)的。覃毅:碩士研究生101-技術(shù)創(chuàng)新中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與SOC 2007年第23卷第2-2期360元/年郵局訂閱號(hào):82-946現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用200例單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用2軟件攔截技術(shù)軟件攔截技術(shù)是指將跑飛的程序引向指定位置,再進(jìn)行錯(cuò)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(dāng)跑飛的程序落到非指令區(qū)就無

8、法起作用了。對(duì)此多用設(shè)置軟件陷阱的辦法來攔截跑飛的程序。當(dāng)然首先要正確設(shè)計(jì)軟件陷阱,再合理安排其位置。2.1軟件陷阱的設(shè)計(jì)軟件陷阱是指用來將捕獲的跑飛程序引向復(fù)位入口或錯(cuò)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(cuò)誤處理程序的入口標(biāo)號(hào)為防止干擾導(dǎo)致未使用的中斷被異常開放,對(duì)于未使用的中斷服務(wù)程序則可以這樣:NOP NOPPUSH 00H PUSH 00H RETI對(duì)于使用C 語言編寫的程序來說,以上“軟件陷阱”也可以用內(nèi)嵌匯編語句的方式插入代碼段中,類似前面“指令冗余”的實(shí)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(chǔ)器單元空間填充軟件陷阱,即將其置為“0000020000H ”(復(fù)位陷阱的機(jī)器碼。當(dāng)跑飛程序落到此處,即自動(dòng)步入正軌?？梢圆捎檬謩?dòng)編輯燒寫文件的方式實(shí)現(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(dǎo)致的錯(cuò)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(shù)若失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”,通常采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測(cè)程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間,若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時(shí)間超過最大循環(huán)運(yùn)行時(shí)間,則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”,需進(jìn)行出錯(cuò)處理。“看門狗”技術(shù)可由硬件實(shí)現(xiàn),也可由軟件實(shí)現(xiàn)。對(duì)于內(nèi)部沒有集成看門狗的單片機(jī),

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(gè)定時(shí)器來對(duì)主程序的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控。將T0設(shè)定為高優(yōu)先級(jí)中斷,對(duì)T0設(shè)定一定的定時(shí)時(shí)間,當(dāng)產(chǎn)生定時(shí)中斷的時(shí)候?qū)σ粋€(gè)變量進(jìn)行賦值,而這個(gè)變量在主程序運(yùn)行的開始已經(jīng)有了一個(gè)初值,要設(shè)定的定時(shí)值要小于主程序的運(yùn)行時(shí)間,這樣在主程序的尾部對(duì)變量的值進(jìn)行判斷,如果值發(fā)生了預(yù)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(fù)位。此外,在不影響程序功能的情況下,還可以利用單片機(jī)的“待機(jī)”工作方式來實(shí)現(xiàn)抗干擾。在待機(jī)(睡眠時(shí),單片機(jī)只有定時(shí)/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)處于工作狀態(tài),對(duì)系統(tǒng)各總線上出現(xiàn)的干擾不會(huì)有任何反應(yīng),這就大大降低了系統(tǒng)對(duì)

11、干擾信號(hào)的敏感程度。4系統(tǒng)故障處理及自恢復(fù)程序的設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾或意外掉電后導(dǎo)致的復(fù)位在實(shí)際中并不鮮見,屬于非正常復(fù)位。從軟件方面實(shí)現(xiàn)故障診斷并自動(dòng)恢復(fù)非正常復(fù)位前的狀態(tài),使系統(tǒng)正常工作,這在工業(yè)控制中的實(shí)時(shí)計(jì)量系統(tǒng)中是非常重要的。4.1非正常復(fù)位的識(shí)別程序的執(zhí)行總是從0000H 開始,導(dǎo)致程序從0000H 開始執(zhí)行有四種可能:(1正常上電復(fù)位;(2軟件故障復(fù)位;(3看門狗超時(shí)未喂狗硬件復(fù)位;(4掉電后又上電復(fù)位。四種情況中除第一種情況外均屬非正常復(fù)位,需加以識(shí)別并作相應(yīng)的處理。4.1.1軟件故障導(dǎo)致復(fù)位軟件故障復(fù)位的特點(diǎn)之一,是單片機(jī)內(nèi)部RAM 保持復(fù)位前的狀態(tài),因此可選取片內(nèi)某一個(gè)

12、或兩個(gè)單元作為上電標(biāo)志。設(shè)40H 單元用來做上電標(biāo)志,上電標(biāo)志字為F0H ,若系統(tǒng)復(fù)位后40H 單元內(nèi)容不等于F0H ,則可以認(rèn)為是硬件復(fù)位,否則認(rèn)為是軟件復(fù)位,然后轉(zhuǎn)向相應(yīng)的故障處理模塊。4.1.2看門狗超時(shí)未喂狗導(dǎo)致硬件復(fù)位看門狗故障復(fù)位的正確識(shí)別,一般要借助非易失性RAM 或者EEPROM 。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),設(shè)置一可掉電保護(hù)的觀測(cè)單元。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),在定時(shí)喂狗的中斷服務(wù)程序中使該觀測(cè)單元保持正常值(設(shè)為55H ,而在主程序中將該單元清零,因觀測(cè)單元掉電可保護(hù),則開機(jī)時(shí)通過檢測(cè)該單元是否為正常值即可判斷是否看門狗復(fù)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(chǔ)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(fù)位在識(shí)別測(cè)控系統(tǒng)因意外情況如系統(tǒng)掉電等情況引起的開機(jī)復(fù)位,對(duì)于過程控制和實(shí)時(shí)計(jì)量控制系統(tǒng)尤為重要。同看門狗故障復(fù)位識(shí)別一樣,設(shè)置一可掉電保護(hù)的觀測(cè)單元,并在程序的各個(gè)分支流程對(duì)該監(jiān)測(cè)單元以及重要數(shù)據(jù)予以保護(hù),一旦系統(tǒng)掉電復(fù)位后,可據(jù)此單元判斷系統(tǒng)之前的運(yùn)行狀態(tài),并跳到出錯(cuò)處理程序進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù),使測(cè)控誤差減到最小。4.2非正

14、常復(fù)位后系統(tǒng)自恢復(fù)運(yùn)行的程序設(shè)計(jì)對(duì)順序要求嚴(yán)格的一些過程控制系統(tǒng),系統(tǒng)非正常復(fù)位后,一般都要求從失控的那一個(gè)模塊或任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行。所以,測(cè)控系統(tǒng)要及時(shí)作好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份,如系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)的進(jìn)程、當(dāng)前的輸入、輸出值,觀測(cè)單元值等,這些數(shù)據(jù)既要定時(shí)備份,同時(shí)若有修改也應(yīng)立即備份,以保證恢復(fù)數(shù)據(jù)的可靠性。當(dāng)在已判別出系統(tǒng)非正常復(fù)位的情況下,先要恢復(fù)一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù),如顯示模塊的初始化、片外擴(kuò)展芯片的初始化等。其次再對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等予以恢復(fù),包括顯示界面等的恢復(fù)。之后再把復(fù)位前的任務(wù)、參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等還原,然后才能進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。下頁是工控系統(tǒng)可采用的數(shù)據(jù)恢復(fù)過程流程圖

15、。對(duì)于輸入輸出信號(hào)的軟件抗干擾處理方法如:對(duì)輸入量(電平和脈沖多次讀取、對(duì)輸出數(shù)據(jù)復(fù)寫、RAM 數(shù)據(jù)保護(hù)與校驗(yàn)、數(shù)字濾波等,限于篇幅,本文未作討論。102- 郵局訂閱號(hào):82-946360元/年技術(shù)創(chuàng)新單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用PLC 技術(shù)應(yīng)用200例您的論文得到兩院院士關(guān)注5結(jié)束語本文以51單片機(jī)為例,針對(duì)單片機(jī)測(cè)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?qū)е碌南到y(tǒng)故障的還原措施。筆者在某純凈水售水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(qiáng),經(jīng)長(zhǎng)期測(cè)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(cè)試,在去除相應(yīng)的抗干擾部分時(shí),控制系統(tǒng)

16、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境表現(xiàn)過于“敏感”,頻繁的隨機(jī)出現(xiàn)異常,工作狀態(tài)非常不穩(wěn)定,達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。在工程實(shí)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(shù)相結(jié)合,互相補(bǔ)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(duì)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(shè)計(jì)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)時(shí)必須預(yù)先考慮的重要內(nèi)容。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):1在“指令冗余”和“軟件陷阱”等的具體實(shí)現(xiàn)上,在給出匯編語言的寫法后,針對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)編程中廣泛采用的C 語言,結(jié)合keil C ,給出了實(shí)現(xiàn)方法并分析了部分有必要實(shí)現(xiàn)“指令冗余”和“軟件陷阱”的地方。2針對(duì)系統(tǒng)故障的恢復(fù),詳細(xì)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(fù)流程框圖。參考文獻(xiàn):1王幸之,王雷等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.2何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.3楊宏麗,張健.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾解決方案J.微計(jì)算機(jī)信息,2005,5.作者簡(jiǎn)介:覃毅(1974-男,四川遂寧人,廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院碩士研究生,研究方向:智能工程與軟計(jì)算,E_mail:love-ly_qq,lovely_qq2004;湯榮江,男,廣東廣州人,廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向:智能工程與軟計(jì)算及其在智能家居網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)

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(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)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(xué)城廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院04級(jí)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(hào)量,由任務(wù)display 完成一幀的顯示工作,并等待下一次中斷觸發(fā)時(shí)信號(hào)量的再次釋放。4總結(jié)在以PC 機(jī)為目標(biāo)機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(zhuǎn)換的數(shù)字圖像信息,達(dá)到實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視的目的。創(chuàng)新觀點(diǎn):以前的視頻監(jiān)視系統(tǒng)軟件平臺(tái)多為Windows ,其實(shí)時(shí)性不能得到有效的保證。不太適合于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)所。而VxWorks 系統(tǒng)正好可以彌補(bǔ)這些缺陷,但是其對(duì)硬件的支持不如Windows 平臺(tái)廣泛,尤其是在多媒體顯示方面。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以在VxWorks 下對(duì)PCI 采集設(shè)備很好地支持,完成模擬視頻信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程。同時(shí)利用了WindML 庫對(duì)VxWorks 下視頻的顯示方法給出了一個(gè)比較