在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時,，軟件抗干擾以其設(shè)計靈活,、節(jié)省硬件資源、可靠性好越來越受到重視,。下面以MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)為例,，對微機(jī)系統(tǒng)軟件抗干擾方法進(jìn)行研究,。

　　1  軟件抗干擾方法的研究

　　在工程實踐中，軟件抗干擾研究的內(nèi)容主要是： 一,、消除模擬輸入信號的嗓聲（如數(shù)字濾波技術(shù)）,；二、程序運(yùn)行混亂時使程序重入正軌的方法,。本文針對后者提出了幾種有效的軟件抗干擾方法,。

　　1.1 指令冗余

　　CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù),。當(dāng)PC受干擾出現(xiàn)錯誤,，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當(dāng)亂飛到某雙字節(jié)指令,，若取指令時刻落在操作數(shù)上,，誤將操作數(shù)當(dāng)作操作碼，程序?qū)⒊鲥e,。若“飛” 到了三字節(jié)指令,，出錯機(jī)率更大。

　　在關(guān)鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令,，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫稱為指令冗余,。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上,，由于空操作指令NOP的存在,，避免了后面的指令被當(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌,。

　　此外,，對系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET,、 RETI,、LCALL、LJMP,、JC等指令之前插入兩條NOP,，也可將亂飛程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行,。

　　1.2 攔截技術(shù)

　　所謂攔截,，是指將亂飛的程序引向指定位置，再進(jìn)行出錯處理,。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序,。因此先要合理設(shè)計陷阱，其次要將陷阱安排在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

　　1.2.1 軟件陷阱的設(shè)計

　　當(dāng)亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū),，冗余指令便無法起作用,。通過軟件陷阱,，攔截亂飛程序，將其引向指定位置,，再進(jìn)行出錯處理,。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復(fù)位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序區(qū)填入以下指令作為軟件陷阱：

　　NOP

　　NOP

　　LJMP 0000H

　　其機(jī)器碼為0000020000,。

　　1.2.2 陷阱的安排

　　通常在程序中未使用的EPROM空間填0000020000,。最后一條應(yīng)填入020000，當(dāng)亂飛程序落到此區(qū),，即可自動入軌,。在用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令。當(dāng)使用的中斷因干擾而開放時,，在對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱,，能及時捕獲錯誤的中斷。如某應(yīng)用系統(tǒng)雖未用到外部中斷1,，外部中斷1的中斷服務(wù)程序可為如下形式：

　　NOP

　　NOP

　　RETI

　　返回指令可用“RETI”,，也可用“LJMP 0000H”。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復(fù)程序的設(shè)計可靠,、 完善,，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接進(jìn)入故障診斷程序，盡早地處理故障并恢復(fù)程序的運(yùn)行,。

　　考慮到程序存貯器的容量,，軟件陷阱一般1K空間有2-3個就可以進(jìn)行有效攔截。

　　1.3 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)”,。通過不斷檢測程序循環(huán)運(yùn)行時間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運(yùn)行時間,，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”,，需進(jìn)行出錯處理。

　　“看門狗”技術(shù)可由硬件實現(xiàn),，也可由軟件實現(xiàn),。 在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時會破壞中斷方式控制字,，關(guān)閉中斷,。則系統(tǒng)無法定時“喂狗”，硬件看門狗電路失效,。而軟件看門狗可有效地解決這類問題,。

　　筆者在實際應(yīng)用中，采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng),。用定時器T0監(jiān)視定時器T1,，用定時器T1監(jiān)視主程序,，主程序監(jiān)視定時器T0。采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能,，大大提高了系統(tǒng)可靠性,。對于需經(jīng)常使用T1定時器進(jìn)行串口通訊的測控系統(tǒng)，則定時器T1不能進(jìn)行中斷,，可改由串口中斷進(jìn)行監(jiān)控（如果用的是MCS-52系列單片機(jī),，也可用T2代替T1進(jìn)行監(jiān)視）。這種軟件“看門狗”監(jiān)視原理是：在主程序,、T0中斷服務(wù)程序,、T1中斷服務(wù)程序中各設(shè)一運(yùn)行觀測變量，假設(shè)為MWatch,、T0Watch ,、T1Watch,主程序每循環(huán)一次，MWatch加１,，同樣T0,、T1中斷服務(wù)程序執(zhí)行一次，T0Watch,、 T1Watch加１,。在T0中斷服務(wù)程序中通過檢測T1Watch的變化情況判定T1運(yùn)行是否正常，在T1中斷服務(wù)程序中檢測MWatch的變化情況判定主程序是否正常運(yùn)行,，在主程序中通過檢測T0Watch的變化情況判別T0是否正常工作,。若檢測到某觀測變量變化不正常，比如應(yīng)當(dāng)加1而未加1,，則轉(zhuǎn)到出錯處理程序作排除故障處理,。當(dāng)然，對主程序最大循環(huán)周期,、定時器T0和T1定時周期應(yīng)予以全盤合理考慮,。限于篇幅不贅述。

2  系統(tǒng)故障處理,、自恢復(fù)程序的設(shè)計

　　單片機(jī)系統(tǒng)因干擾復(fù)位或掉電后復(fù)位均屬非正常復(fù)位,，應(yīng)進(jìn)行故障診斷并能自動恢復(fù)非正常復(fù)位前的狀態(tài)。

　　2.1 非正常復(fù)位的識別

　　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：一、系統(tǒng)開機(jī)上電復(fù)位,；二,、軟件故障復(fù)位；三,、看門狗超時未喂狗硬件復(fù)位,； 四,、任務(wù)正在執(zhí)行中掉電后來電復(fù)位。四種情況中除第一種情況外均屬非正常復(fù)位,，需加以識別,。

　　2.1.1 硬件復(fù)位與軟件復(fù)位的識別

　　此處硬件復(fù)位指開機(jī)復(fù)位與看門狗復(fù)位，硬件復(fù)位對寄存器有影響,，如復(fù)位后PC=0000H,， SP＝07H，PSW＝00H等,。而軟件復(fù)位則對SP,、SPW無影響。故對于微機(jī)測控系統(tǒng),，當(dāng)程序正常運(yùn)行時,，將SP設(shè)置地址大于07H，或者將PSW的第5位用戶標(biāo)志位在系統(tǒng)正常運(yùn)行時設(shè)為1,。那么系統(tǒng)復(fù)位時只需檢測PSW.5標(biāo)志位或SP值便可判此是否硬件復(fù)位,。圖1是采用PSW.5作上電標(biāo)志位判別硬、軟件復(fù)位的程序流程圖,。

圖1 硬,、軟件復(fù)位識別流程圖

　　此外，由于硬件復(fù)位時片內(nèi)RAM狀態(tài)是隨機(jī)的,，而軟件復(fù)位片內(nèi)RAM則可保持復(fù)位前狀態(tài),，因此可選取片內(nèi)某一個或兩個單元作為上電標(biāo)志。設(shè) 40H用來做上電標(biāo)志,，上電標(biāo)志字為78H,，若系統(tǒng)復(fù)位后40H單元內(nèi)容不等于78H，則認(rèn)為是硬件復(fù)位,，否則認(rèn)為是軟件復(fù)位,，轉(zhuǎn)向出錯處理。若用兩個單元作上電標(biāo)志,，則這種判別方法的可靠性更高,。

　　2.1.2 開機(jī)復(fù)位與看門狗故障復(fù)位的識別

　　開機(jī)復(fù)位與看門狗故障復(fù)位因同屬硬件復(fù)位， 所以要想予以正確識別,，一般要借助非易失性RAM或者EEROM,。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，設(shè)置一可掉電保護(hù)的觀測單元,。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時,，在定時喂狗的中斷服務(wù)程序中使該觀測單元保持正常值（設(shè)為 AAH），而在主程中將該單元清零,，因觀測單元掉電可保護(hù),，則開機(jī)時通過檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復(fù)位,。

　　2.1.3 正常開機(jī)復(fù)位與非正常開機(jī)復(fù)位的識別

　　識別測控系統(tǒng)中因意外情況如系統(tǒng)掉電等情況引起的開機(jī)復(fù)位與正常開機(jī)復(fù)位，對于過程控制系統(tǒng)尤為重要,。如某以時間為控制標(biāo)準(zhǔn)的測控系統(tǒng),，完成一次測控任務(wù)需1小時。在已執(zhí)行測控50分鐘的情況下,，系統(tǒng)電壓異常引起復(fù)位,，此時若系統(tǒng)復(fù)位后又從頭開始進(jìn)行測控則會造成不必要的時間消耗。因此可通過一監(jiān)測單元對當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),、系統(tǒng)時間予以監(jiān)控,，將控制過程分解為若干步或若干時間段，每執(zhí)行完一步或每運(yùn)行一個時間段則對監(jiān)測單元置為關(guān)機(jī)允許值,，不同的任務(wù)或任務(wù)的不同階段有不同的值,，若系統(tǒng)正在進(jìn)行測控任務(wù)或正在執(zhí)某時間段，則將監(jiān)測單元置為非正常關(guān)機(jī)值,。那么系統(tǒng)復(fù)位后可據(jù)此單元判系統(tǒng)原來的運(yùn)行狀態(tài),，并跳到出錯處理程序中恢復(fù)系統(tǒng)原運(yùn)行狀態(tài)。

　　2.2 非正常復(fù)位后系統(tǒng)自恢復(fù)運(yùn)行的程序設(shè)計

　　對順序要求嚴(yán)格的一些過程控制系統(tǒng),，系統(tǒng)非正常復(fù)位否,，一般都要求從失控的那一個模塊或任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行。所以測控系統(tǒng)要作好重要數(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)程值,、當(dāng)前輸入,、輸出的值，當(dāng)前時鐘值,、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(yīng)立即予以備份,。

　　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,。其次再對測控系統(tǒng)的系統(tǒng)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)行時間等恢復(fù),， 再進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

　　應(yīng)當(dāng)說明的是,，真實地恢復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)需 要極為細(xì)致地對系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)予以備份,，并加以數(shù)據(jù)可靠性檢查，以保證恢復(fù)的數(shù)據(jù)的可靠性,。

　　其次,，對多任務(wù)、多進(jìn)程測控系統(tǒng),，數(shù)據(jù)的恢復(fù)需考慮恢復(fù)的次序問題,，筆者實際應(yīng)用的數(shù)據(jù)恢復(fù)過程流程圖如圖2所示。  

圖2 系統(tǒng)自恢復(fù)程序流程圖

　　圖中恢復(fù)系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)是指取出備份的數(shù)據(jù)覆蓋當(dāng)前的系統(tǒng)數(shù)據(jù),。系統(tǒng)基本初始化是指對芯片,、顯示、輸入輸出方式等進(jìn)行初始化,，要注意輸入輸出的初始化不應(yīng)造成誤動作,。而復(fù)位前任務(wù)的初始化是指任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)、運(yùn)行時間等,。

　　3  結(jié)束語

　　對于軟件抗干擾的一些其它常用方法如數(shù)字濾波,、RAM數(shù)據(jù)保護(hù)與糾錯等，限于篇幅,，本文未作討論,。在工程實踐中通常都是幾種抗干擾方法并用，互相補(bǔ)充 完善,，才能取得較好的抗干擾效果,。從根本上來說，硬件抗干擾是主動的,，而軟件是抗干擾是被動的,。細(xì)致周到地分析干擾源，硬件與軟件抗干擾相結(jié)合,，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序,，設(shè)計一穩(wěn)定可靠的單片機(jī)系統(tǒng)是完全可行的。