西電電院電磁兼容原理大作業(yè)

1、西電電院電磁兼容原理大作業(yè) 電磁兼容原理與技術(shù)大作業(yè) 班級(jí)：021215 學(xué)號(hào)：0212 軟件抗干擾技術(shù)之單片機(jī)軟件抗干擾技術(shù) 隨著單片機(jī)應(yīng)用的普及，采用單片機(jī)控制的產(chǎn)品與設(shè)備日益增多，而某些設(shè)備所在的工作環(huán) 境往往比較惡劣，干擾嚴(yán)重，這些干擾會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的正常工作，使其不能正常運(yùn)行。因此，為了保證設(shè)備能在實(shí)際應(yīng)用中可靠地工作，必須要周密考慮和解決抗干擾的問題。本文對(duì)單片機(jī)應(yīng)用中的軟件抗干擾技術(shù)作詳細(xì)介紹，文中所用單片機(jī)為MCS51。 一、數(shù)字量輸入輸出中的軟件抗干擾 數(shù)字量輸入過程中的干擾，其作用時(shí)間較短，因此在采集數(shù)字信號(hào)時(shí)，可多次重復(fù)采集，直到若干次采樣結(jié)果一致時(shí)才認(rèn)為其有效。例如通過

2、A 價(jià)轉(zhuǎn)換器測量各種模擬量時(shí)，如果有干擾作用于模擬信號(hào)上，就會(huì)使A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離真實(shí)值。這時(shí)如果只采樣一次A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，就無法知道其是否真實(shí)可靠，而必須進(jìn)行多次采樣，得到一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)系列，對(duì)這一系列數(shù)據(jù)再作各種數(shù)字濾波處理，最后才能得到一個(gè)可信度較高的結(jié)果值。本書第八章將給出各種具體的數(shù)字濾波算法及程序。如果對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)多次采樣后得到的信號(hào)值變化不定，說明此時(shí)的干擾特別嚴(yán)重，已經(jīng)超出允許的范圍，應(yīng)該立即停止采樣并給出報(bào)警信號(hào)。如果數(shù)字信號(hào)屬于開關(guān)量信號(hào)，如限位開關(guān)、操作按扭等，則不能用多次采樣取平均值的方法，而必須每次采樣結(jié)果絕對(duì)一致才行。這時(shí)可編寫一個(gè)采樣子程序，

3、程序中設(shè)置有采樣成功和采樣失敗標(biāo)志，如果對(duì)同一開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行若干次采樣，其采樣結(jié)果完全一致，則成功標(biāo)志置位；否則失敗標(biāo)志置位。后續(xù)程序可通過判別這些標(biāo)志來決定程序的流向。 單片機(jī)控制的設(shè)備對(duì)外輸出的控制信號(hào)很多是以數(shù)字量的形式出現(xiàn)的，如各種顯示器、步進(jìn)電機(jī)或電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)等。即使是以模擬量輸出，也是經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換而獲得的。單片機(jī)給出一個(gè)正確的數(shù)據(jù)后，由于外部干擾的作用有可能使輸出裝置得到一個(gè)被改變了的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，從而使輸出裝置發(fā)生誤動(dòng)作。對(duì)于數(shù)字量輸出軟件抗干擾最有效的方法是重復(fù)輸出同一個(gè)數(shù)據(jù)，重復(fù)周期應(yīng)盡量短。這樣輸出裝置在得到一個(gè)被干擾的錯(cuò)誤信號(hào)后，還來不及反應(yīng)，一個(gè)正確的信號(hào)又來到了，

4、從而可以防止誤動(dòng)作的產(chǎn)生。在程序結(jié)構(gòu)上，可將輸出過程安排在監(jiān)控循環(huán)中循環(huán)周期取得盡可能短，就能有效地防止輸出設(shè)備的錯(cuò)誤動(dòng)作。需要注意的是經(jīng)過這種安排后輸出功能是作為一個(gè)完整的模塊來執(zhí)行的，與這種重復(fù)輸出措施相對(duì)應(yīng)軟件設(shè)計(jì)中還 必須為各個(gè)外部輸出設(shè)備建立一個(gè)輸出暫存單元，每次將應(yīng)輸出的結(jié)果存入暫存單元中，然后再調(diào)用輸出功能模塊將各暫存單元的數(shù)據(jù)一一輸出，不管該數(shù)據(jù)是剛送來的，還是以前就有的。這樣可以讓每個(gè)外部設(shè)備不斷得到控制數(shù)據(jù)，從而使干擾造成的錯(cuò)誤狀態(tài)不能得以維持。在執(zhí)行輸出功能模塊時(shí)，應(yīng)將有關(guān)輸出接口芯片的初始狀態(tài)也一并重新設(shè)置。因?yàn)橛捎诟蓴_的作用可能使這些芯片的工作方式控制字發(fā)生變化，而不

5、能實(shí)現(xiàn)正確的輸出功能，重新設(shè)置控制字就能避免這種錯(cuò)誤確保輸出功能的正確實(shí)現(xiàn)。 二、程序執(zhí)行過程中的軟件抗于擾 前面述及的是針對(duì)輸入輸出通道而言的，干擾信號(hào)還未作用到CPU 本身，CPU 還能正確地執(zhí)行各種抗干擾程序。如果干擾信號(hào)已經(jīng)通過某種途徑作用到了CPU 上，則CPU 就不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂，這就是通常所說的程序“跑飛”。程序“跑飛”后使其恢復(fù)正常的一個(gè)最簡單的方法是使CPU 復(fù)位，讓程序從頭開始重新運(yùn)行。很多單片機(jī)控制的設(shè)備中都有設(shè)置人工復(fù)位電路。人工復(fù)位一般是在整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)完全癱瘓，無計(jì)可施的情況下才不得已而為之的。因此在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到萬一程序“跑飛”，應(yīng)讓其

6、能夠自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)下運(yùn)行。 程序“跑飛”后往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，從而引起整個(gè)程序的混亂。采用“指令冗余”是使“跑飛”的程序恢復(fù)正常的一種措施。所謂“指令冗余”，就是在一些關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)的空操作指令NOP。當(dāng)程序“跑飛”到某條單字節(jié)指令上時(shí)，就不會(huì)發(fā)生將操作數(shù)當(dāng)成指令來執(zhí)行的錯(cuò)誤。對(duì)于MCS51 單片機(jī)來說，所有的指令都不會(huì)超過3 個(gè)字節(jié)，因此在某條指令前面插入兩條NOP 指令，則該條指令就不會(huì)被前面沖下來的失控程序拆散，而會(huì)得到完整的執(zhí)行，從而使程序重新納入正常軌道。通常是在一些對(duì)程序的流向起關(guān)鍵作用的指令前面插入兩條NOP 指令。應(yīng)該注意的是在一個(gè)程序中“指令

7、冗余”不能使用過多，否則會(huì)降低程序的執(zhí)行效率。 采用“指令冗余”使“跑飛”的程序恢復(fù)正常是有條件的，首先“跑飛”的程序必須落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行到所設(shè)置的冗余指令。如果“跑飛”的程序落到非程序區(qū)（如EPROM中 未用完的空間或某些數(shù)據(jù)表格等），或在執(zhí)行到冗余指令之前已經(jīng)形成了一個(gè)死循環(huán)，則“指令冗余”措施就不能使“跑飛”的程序恢復(fù)正常了。這時(shí)可以采用另一種軟件抗干擾措施，即腸胃“軟件陷阱”。“軟件陷阱”是一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專門處理錯(cuò)誤的程序。假設(shè)這段處理錯(cuò)誤的程序入口地址為ERR，則下面三條指令 即組成一個(gè)“軟件陷阱”： NOP NOP LJMP

8、ERR “軟件陷阱”一般安排在下列四種地方。 （l）未使用的中斷向量區(qū)。MCS 51 單片機(jī)的中斷向量區(qū)為0003H002FH，如果所設(shè)計(jì)的智能化測量控制儀表未使用完全部中斷向量區(qū)，則可在剩余的中斷向量區(qū)安排“軟件陷阱”，以便能捕捉到錯(cuò)誤的中斷。例如某設(shè)備使用了兩個(gè)外部中斷INT0、INT1 和一個(gè)定時(shí)器中斷T0，它們的中斷服務(wù)子程序入口地址分別為FUINTO、fUINT1 和FUT0，則可按下面的方式來設(shè)置中 斷向量區(qū)。 ORG 0000H 0000H START： LJMP MAIN ；引向主程序入口 0003H LJMP FUINT0 ；INT0 中斷服務(wù)程序入口 0006H NOP ；

9、冗余指令 0007H NOP 0008H LJMP ERR ； 陷阱 000BH LJMP FUT0 ；T0 中斷服務(wù)程序入口 000EH NOP ；冗余指令 000FH NOP 0010H LJMP ERR ； 陷阱 0013H LJMP FUINT1 ；INT1 中斷服務(wù)程序入口 0016H NOP ；冗余指令 0017H NOP 0018H LJMP ERR ； 陷阱 00lBH LJMP ERR ；未使用T1 中斷，設(shè)陷餅 00lEH NOP ；冗余指令 00lFH NOP 0020H LJMP ERR ； 陷阱 0023H LJMP ERR ；未使用串行口中斷，設(shè)陷阱 0026H N

10、OP ；冗余指令 0027H NOP 0028H LJMP ERR ； 陷阱 002BH LJMP ERR ；未使用T2 中斷，設(shè)陷阱 002EH NOP ；冗余指令 002FH NOP 0030H MAIN： ? ； ； 主程序 （2）未使用的大片EPROM 空間。智能化測量控制儀表中使用的EPROM 芯片一般都不會(huì)使用 完其全部空間，對(duì)于剩余未編程的EPROM 空間，一般都維持其原狀，即其內(nèi)容為OFFH。OFFH對(duì)于MCS51 單片機(jī)的指令系統(tǒng)來說是一條單字節(jié)的指令：MOV R7，A，如果程序“跑飛”到這一區(qū)域，則將順序向后執(zhí)行，不再跳躍（除非又受到新的干擾）。因此在這段區(qū)域內(nèi)每隔一 段地

11、址設(shè)一個(gè)陷阱，就一定能捕捉到“跑飛”的程序。 （3）表格。有兩種表格，即數(shù)據(jù)表格和散轉(zhuǎn)表格。由于表格的內(nèi)容與檢索值有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在表格中間安排陷阱會(huì)破壞其連續(xù)性和對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此只能在表格的最后安排陷阱。如果表格區(qū)較長，則安排在最后的陷阱不能保證一定能捕捉到飛來的程序的流向，有可能在中途再次“ 跑飛”。 （4）程序區(qū)。程序區(qū)是由一系列的指令所構(gòu)成的，不能在這些指令中間任意安排陷阱，否則會(huì)破壞正常的程序流程。但是在這些指令中間常常有一些斷點(diǎn)，正常的程序執(zhí)行到斷點(diǎn)處就 不再往下執(zhí)行了，如果在這些地方設(shè)置陷價(jià)就有能有效地捕獲“跑飛”的程序。例如在一個(gè)根據(jù)累加器A 中內(nèi)容的正、負(fù)和零的情況進(jìn)行三分支

12、的程序，軟件陷阱安排如下。 JNY XYZ ? ；零處理 ? ? AJMP ABC ；斷裂點(diǎn) NOP NOP LJMP ERR ； 陷阱 XYZ：JB ACC.7，UVW ? ；零處理 ? AJMP ABC ；斷裂點(diǎn) NOP NOP LJMP ERR ； 陷阱 UVW：? ? ABC：MOV A ，R2 ；取結(jié)果 RET ；斷裂點(diǎn) NOP NOP LJMP ERR 由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不會(huì)影響程序的執(zhí)行效率。在EPROM 容量允許的條件下，這種軟件陷阱多一些為好。如果“跑飛”的程序落到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循 環(huán)中時(shí)，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力。這時(shí)可以采用人工復(fù)位的方

13、法使系統(tǒng)恢復(fù)正常，實(shí)際上可以設(shè)計(jì)一種模仿人工監(jiān)測的“程序運(yùn)行監(jiān)視器”，俗稱“看門狗”（WATCHDOG ）。 WATCHDOG 有如下特征： （1）本身能獨(dú)立工作，基本上不依賴于CPU。CPU 只在一個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)與之打一次交道，表明整個(gè)系統(tǒng)“目前尚屬正?！?。 （2）當(dāng)CPU 落入死循環(huán)之后，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并使整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。目前有很多單片機(jī)在內(nèi)部已經(jīng)集成了片內(nèi)的硬件WATCHDOG 電路，使用起來更為方便。也可以用軟件程序來形成WATCHDOG。例如可以采用8031 的定時(shí)器T0 來形成WATCHDOG：將T0的溢出中斷設(shè)為高級(jí)中斷，其它中斷均設(shè)置為低級(jí)中斷，若采用6M 的時(shí)鐘，則可用以下程序

14、使T0 定時(shí)約10ms 來形成軟件WATCHDOG： MOV TMOD， 01H；置TO 為16 位定時(shí)器 SETB ET0；允許T0 中斷 SETB PT0；設(shè)置T0 為高級(jí)中斷 MOV TH0， 0E0H；定時(shí)約10ms SETB TR0；啟動(dòng)T0 SETB EA；開中斷 軟件WATCHDOG啟動(dòng)后，系統(tǒng)工作程序必須每隔小于10ms的時(shí)間執(zhí)行一次MOV TH0，0E0H 指令，重新設(shè)置T0 的計(jì)數(shù)初值。如果程序“跑飛”后執(zhí)行不到這條指令，則在10ms 之內(nèi)即會(huì) 產(chǎn)生一次T0 溢出中斷，在T0 的中斷向量區(qū)安放一條轉(zhuǎn)移到出錯(cuò)處理程序的指令：LJMP ERR， 由出錯(cuò)處理程序來處理各種善后工作

15、。 采用軟件WATCHDOG 有一個(gè)弱點(diǎn)，就是如果“跑飛”的程序使某些操作數(shù)變形成為了修改T0 功能的指令，則執(zhí)行這種指令后軟件WATCHDOG 就會(huì)失效。因此軟件WATCHDOG 的可靠性不 如硬件高。 三、系統(tǒng)的恢復(fù) 前面列舉的各項(xiàng)措施只解決了如何發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)受到干擾和如何捕捉“跑飛”程序，但僅此還不 夠，還要能夠讓單片機(jī)根據(jù)被破壞的殘留信息自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。 硬件復(fù)位是使單片機(jī)重新恢復(fù)正常工作狀態(tài)的一個(gè)簡單有效的方法。前面介紹的上電復(fù)位、人 工復(fù)位及硬件WATCHDOG 復(fù)位，都屬于硬件復(fù)位。硬件復(fù)位后CPU 被重新初始化，所有被激 活的中斷標(biāo)志都被清除，程序從0000H 地址重新開始

16、執(zhí)行。硬件復(fù)位又稱為“冷啟動(dòng)”，是將系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)全部作廢，重新進(jìn)行徹底的初始化來使系統(tǒng)的狀態(tài)得到恢復(fù)。用軟件抗干擾措施來使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，是對(duì)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行修復(fù)和有選擇的部分初始化，這種操作又可稱為“熱啟動(dòng)”。熱啟動(dòng)時(shí)首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件復(fù)位，也就是執(zhí)行一系列指令來使各專用寄存器達(dá)到與硬件復(fù)位時(shí)同樣的狀態(tài)，這里需要注意的是還要清除中斷激活標(biāo)志。如用軟件WATCHDOG 使系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，程序出錯(cuò)有可能發(fā)生在中斷子程序中，中斷激活標(biāo)志已經(jīng)置位，它將阻止同級(jí)的中斷響應(yīng)；而軟件WATCHDOG 是高級(jí)中斷，它將阻止所有的中斷響應(yīng)。由此可見清除中斷激活標(biāo)志的重要性。在所有的指令中，只有RETI

17、指令能清除中斷激活標(biāo)志。前面提到的出錯(cuò)處理程序ERR 主要就是用來完成這一功能。這部分程序如下： ORG 0030H ERR： CLR EA ；關(guān)中斷 MOV DPTR， ERRI ；準(zhǔn)備返回地址 PUSH DPL PUSH DPH RETI ；清除高級(jí)中斷激活標(biāo)志 ERRI： MOV 66H， 0AAH ；重建上電標(biāo)志 MOV 67H， 55H CLR A ；準(zhǔn)備復(fù)位地址 PUSH ACC ；壓入復(fù)位地址 PUSH ACC RETI ；清除低級(jí)中斷激活標(biāo)志 在這段程序中用兩條RETI 指令來代替兩條LJMP 指令，從而清除了全部的中斷激活標(biāo)志。另外在66H、67H 兩個(gè)單元中存放一個(gè)特定的數(shù)

18、據(jù)0AA55H 作為軟件復(fù)位標(biāo)志，系統(tǒng)程序在執(zhí)行復(fù)位操作時(shí)可以根據(jù)這一標(biāo)志來決定是進(jìn)行全面初始化還是進(jìn)行有選擇的部分初始化。如前所述，熱啟動(dòng)時(shí)應(yīng)進(jìn)行部分初始化，但如果干擾過于嚴(yán)重而使系統(tǒng)遭受的破壞太大，熱啟動(dòng)不能使系統(tǒng)得到正確的恢復(fù)時(shí)，則只有采取冷啟動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面初始化來使之恢復(fù)正常。 在進(jìn)行熱啟動(dòng)時(shí)，為使啟動(dòng)過程能順利進(jìn)行，首先應(yīng)關(guān)中斷并重新設(shè)置堆棧。因?yàn)闊釂?dòng)過程 是由軟件復(fù)位（如軟件WATCHDOG 等）引起的，這時(shí)中斷系統(tǒng)未被關(guān)閉，有些中斷請求也許正在排隊(duì)等待響應(yīng)，因此使系統(tǒng)復(fù)位的第一條指令應(yīng)為關(guān)中斷指令。第二條指令應(yīng)為重新設(shè)置棧底指令，因?yàn)樵趩?dòng)過程中要執(zhí)行各種于程序，而子程序的

19、工作需要堆棧的配合，在系統(tǒng)得到正確恢復(fù)之前堆棧指針的值是無法確定的，所以在進(jìn)行正式恢復(fù)工作之前要先設(shè)置好棧底。然后應(yīng)將所有的I/O 設(shè)備都設(shè)置成安全狀態(tài)，封鎖I/O 操作，以免于擾造成的破壞進(jìn)一步擴(kuò)大。接下來即可根據(jù)系統(tǒng)中殘留的信息進(jìn)行恢復(fù)工作。系統(tǒng)遭受干擾后會(huì)使RAM中的信息受到不同程度的破壞，RAM 中的信息有：系統(tǒng)的狀態(tài)信息，如各種軟件標(biāo)志、狀態(tài)變量等；預(yù)先設(shè)置的各種參數(shù)；臨時(shí)采集的數(shù)據(jù)或程序運(yùn)行中產(chǎn)生的暫時(shí)數(shù)據(jù)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)實(shí)際上就是恢復(fù)各種關(guān)鍵的狀態(tài)信息和重要的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)盡可能地糾正由于干擾而造成的錯(cuò)誤信息。對(duì)于那些臨時(shí)數(shù)據(jù)則沒有必要進(jìn)行恢復(fù)。在恢復(fù)了關(guān)鍵的信息之后，還要對(duì)各種外圍芯片重新寫入它們的命令控制字，必要時(shí)還需要補(bǔ)充一些新的信息，才能使系統(tǒng)重新進(jìn)入工作循環(huán)。 對(duì)于系統(tǒng)信息的恢復(fù)工作是至關(guān)重要的。系統(tǒng)中的信息以代碼的形式存放在RAM 中，為了使這些信息在受到破壞后能得到正確的恢復(fù)，在存放系統(tǒng)信息時(shí)應(yīng)該采取代碼冗余措施。下面介紹一種三重冗余編碼，它是將每個(gè)重要的系統(tǒng)信息重復(fù)存放在三個(gè)互不相關(guān)的地址單元中，建立雙重?cái)?shù)據(jù)備份。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾后，就可以根據(jù)這些備份的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)信息的恢復(fù)。這三個(gè)地址 應(yīng)當(dāng)盡可能的獨(dú)立，如果采用了片外RAM，則應(yīng)在片外RAM 中對(duì)重要的系統(tǒng)信息進(jìn)行雙重?cái)?shù)據(jù)備份。片外RAM中的信息只有MOVX指令才能對(duì)它進(jìn)行修改，而