西电电院电磁兼容原理大作业.doc

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电磁兼容原理与技术大作业

班级：

021215

学号：

0212

软件抗干扰技术之单片机软件抗干扰技术

随着单片机应用的普及，采用单片机控制的产品与设备日益增多，而某些设备所在的工作环境往往比较恶劣，干扰严重，这些干扰会严重影响设备的正常工作，使其不能正常运行。

因此，为了保证设备能在实际应用中可靠地工作，必须要周密考虑和解决抗干扰的问题。

本文对单片机应用中的软件抗干扰技术作详细介绍，文中所用单片机为MCS51。

一、数字量输入输出中的软件抗干扰

数字量输入过程中的干扰，其作用时间较短，因此在采集数字信号时，可多次重复采集，直到若干次采样结果一致时才认为其有效。

例如通过A价转换器测量各种模拟量时，如果有干扰作用于模拟信号上，就会使A/D转换结果偏离真实值。

这时如果只采样一次A/D转换结果，就无法知道其是否真实可靠，而必须进行多次采样，得到一个A/D转换结果的数据系列，对这一系列数据再作各种数字滤波处理，最后才能得到一个可信度较高的结果值。

本书第八章将给出各种具体的数字滤波算法及程序。

如果对于同一个数据点经多次采样后得到的信号值变化不定，说明此时的干扰特别严重，已经超出允许的范围，应该立即停止采样并给出报警信号。

如果数字信号属于开关量信号，如限位开关、操作按扭等，则不能用多次采样取平均值的方法，而必须每次采样结果绝对一致才行。

这时可编写一个采样子程序，程序中设置有采样成功和采样失败标志，如果对同一开关量信号进行若干次采样，其采样结果完全一致，则成功标志置位；否则失败标志置位。

后续程序可通过判别这些标志来决定程序的流向。

单片机控制的设备对外输出的控制信号很多是以数字量的形式出现的，如各种显示器、步进电机或电磁阀的驱动信号等。

即使是以模拟量输出，也是经过D/A转换而获得的。

单片机给出一个正确的数据后，由于外部干扰的作用有可能使输出装置得到一个被改变了的错误数据，从而使输出装置发生误动作。

对于数字量输出软件抗干扰最有效的方法是重复输出同一个数据，重复周期应尽量短。

这样输出装置在得到一个被干扰的错误信号后，还来不及反应，一个正确的信号又来到了，从而可以防止误动作的产生。

在程序结构上，可将输出过程安排在监控循环中．循环周期取得尽可能短，就能有效地防止输出设备的错误动作。

需要注意的是．经过这种安排后输出功能是作为一个完整的模块来执行的，与这种重复输出措施相对应．软件设计中还必须为各个外部输出设备建立一个输出暂存单元，每次将应输出的结果存入暂存单元中，然后再调用输出功能模块将各暂存单元的数据一一输出，不管该数据是刚送来的，还是以前就有的。

这样可以让每个外部设备不断得到控制数据，从而使干扰造成的错误状态不能得以维持。

在执行输出功能模块时，应将有关输出接口芯片的初始状态也一并重新设置。

因为由于干扰的作用可能使这些芯片的工作方式控制字发生变化，而不能实现正确的输出功能，重新设置控制字就能避免这种错误．确保输出功能的正确实现。

二、程序执行过程中的软件抗于扰

前面述及的是针对输入输出通道而言的，干扰信号还未作用到CPU本身，CPU还能正确地执行各种抗干扰程序。

如果干扰信号已经通过某种途径作用到了CPU上，则CPU就不能按正常状态执行程序，从而引起混乱，这就是通常所说的程序“跑飞”。

程序“跑飞”后使其恢复正常的一个最简单的方法是使CPU复位，让程序从头开始重新运行。

很多单片机控制的设备中都有设置人工复位电路。

人工复位一般是在整个系统已经完全瘫痪，无计可施的情况下才不得已而为之的。

因此在进行软件设计时就要考虑到万一程序“跑飞”，应让其能够自动恢复到正常状态下运行。

程序“跑飞”后往往将一些操作数当作指令码来执行，从而引起整个程序的混乱。

采用“指令冗余”是使“跑飞”的程序恢复正常的一种措施。

所谓“指令冗余”，就是在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP。

当程序“跑飞”到某条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令来执行的错误。

对于MCS51单片机来说，所有的指令都不会超过3个字节，因此在某条指令前面插入两条NOP指令，则该条指令就不会被前面冲下来的失控程序拆散，而会得到完整的执行，从而使程序重新纳入正常轨道。

通常是在一些对程序的流向起关键作用的指令前面插入两条NOP指令。

应该注意的是在一个程序中“指令冗余”不能使用过多，否则会降低程序的执行效率。

采用“指令冗余”使“跑飞”的程序恢复正常是有条件的，首先“跑飞”的程序必须落到程序区，其次必须执行到所设置的冗余指令。

如果“跑飞”的程序落到非程序区（如EPROM中未用完的空间或某些数据表格等），或在执行到冗余指令之前已经形成了一个死循环，则“指令冗余”措施就不能使“跑飞”的程序恢复正常了。

这时可以采用另一种软件抗干扰措施，即肠胃“软件陷阱”。

“软件陷阱”是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门处理错误的程序。

假设这段处理错误的程序入口地址为ERR，则下面三条指令

即组成一个“软件陷阱”：

NOP

NOP

LJMPERR

“软件陷阱”一般安排在下列四种地方。

（l）未使用的中断向量区。

MCS－51单片机的中断向量区为0003H～002FH，如果所设计的智能化测量控制仪表未使用完全部中断向量区，则可在剩余的中断向量区安排“软件陷阱”，以便能捕捉到错误的中断。

例如某设备使用了两个外部中断INT0、INT1和一个定时器中断T0，它们的中断服务子程序入口地址分别为FUINTO、fUINT1和FUT0，则可按下面的方式来设置中断向量区。

ORG0000H

0000HSTART：

LJMPMAIN；引向主程序入口

0003HLJMPFUINT0；INT0中断服务程序入口

0006HNOP；冗余指令

0007HNOP

0008HLJMPERR；陷阱

000BHLJMPFUT0；T0中断服务程序入口

000EHNOP；冗余指令

000FHNOP

0010HLJMPERR；陷阱

0013HLJMPFUINT1；INT1中断服务程序入口

0016HNOP；冗余指令

0017HNOP

0018HLJMPERR；陷阱

00lBHLJMPERR；未使用T1中断，设陷饼

00lEHNOP；冗余指令

00lFHNOP

0020HLJMPERR；陷阱

0023HLJMPERR；未使用串行口中断，设陷阱

0026HNOP；冗余指令

0027HNOP

0028HLJMPERR；陷阱

002BHLJMPERR；未使用T2中断，设陷阱

002EHNOP；冗余指令

002FHNOP

0030HMAIN：

?

；；主程序

（2）未使用的大片EPROM空间。

智能化测量控制仪表中使用的EPROM芯片一般都不会使用完其全部空间，对于剩余未编程的EPROM空间，一般都维持其原状，即其内容为OFFH。

OFFH对于MCS51单片机的指令系统来说是一条单字节的指令：

MOVR7，A，如果程序“跑飞”到这一区域，则将顺序向后执行，不再跳跃（除非又受到新的干扰）。

因此在这段区域内每隔一段地址设一个陷阱，就一定能捕捉到“跑飞”的程序。

（3）表格。

有两种表格，即数据表格和散转表格。

由于表格的内容与检索值有一一对应的关系，在表格中间安排陷阱会破坏其连续性和对应关系，因此只能在表格的最后安排陷阱。

如果表格区较长，则安排在最后的陷阱不能保证一定能捕捉到飞来的程序的流向，有可能在中途再次“跑飞”。

（4）程序区。

程序区是由一系列的指令所构成的，不能在这些指令中间任意安排陷阱，否则会破坏正常的程序流程。

但是在这些指令中间常常有一些断点，正常的程序执行到断点处就不再往下执行了，如果在这些地方设置陷价就有能有效地捕获“跑飞”的程序。

例如在一个根据累加器A中内容的正、负和零的情况进行三分支的程序，软件陷阱安排如下。

JNYXYZ

?

；零处理

?

?

AJMPABC；断裂点

NOP

NOP

LJMPERR；陷阱

XYZ：

JBACC.7，UVW

?

；零处理

?

AJMPABC；断裂点

NOP

NOP

LJMPERR；陷阱

UVW：

?

?

ABC：

MOVA，R2；取结果

RET；断裂点

NOP

NOP

LJMPERR

由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，故不会影响程序的执行效率。

在EPROM容量允许的条件下，这种软件陷阱多一些为好。

如果“跑飞”的程序落到一个临时构成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱都将无能为力。

这时可以采用人工复位的方法使系统恢复正常，实际上可以设计一种模仿人工监测的“程序运行监视器”，俗称“看门狗”（WATCHDOG）。

WATCHDOG有如下特征：

（1）本身能独立工作，基本上不依赖于CPU。

CPU只在一个固定的时间间隔内与之打一次交道，表明整个系统“目前尚属正常”。

（2）当CPU落入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。

目前有很多单片机在内部已经集成了片内的硬件WATCHDOG电路，使用起来更为方便。

也可以用软件程序来形成WATCHDOG。

例如可以采用8031的定时器T0来形成WATCHDOG：

将T0的溢出中断设为高级中断，其它中断均设置为低级中断，若采用6M的时钟，则可用以下程序使T0定时约10ms来形成软件WATCHDOG：

MOVTMOD，＃01H；置TO为16位定时器

SETBET0；允许T0中断

SETBPT0；设置T0为高级中断

MOVTH0，＃0E0H；定时约10ms

SETBTR0；启动T0

SETBEA；开中断

软件WATCHDOG启动后，系统工作程序必须每隔小于10ms的时间执行一次MOVTH0，＃0E0H指令，重新设置T0的计数初值。

如果程序“跑飞”后执行不到这条指令，则在10ms之内即会产生一次T0溢出中断，在T0的中断向量区安放一条转移到出错处理程序的指令：

LJMPERR，由出错处理程序来处理各种善后工作。

采用软件WATCHDOG有一个弱点，就是如果“跑飞”的程序使某些操作数变形成为了修改T0功能的指令，则执行这种指令后软件WATCHDOG就会失效。

因此软件WATCHDOG的可靠性不如硬件高。

三、系统的恢复

前面列举的各项措施只解决了如何发现系统受到干扰和如何捕捉“跑飞”程序，但仅此还不够，还要能够让单片机根据被破坏的残留信息自动恢复到正常工作状态。

硬件复位是使单片机重新恢复正常工作状态的一个简单有效的方法。

前面介绍的上电复位、人工复位及硬件WATCHDOG复位，都属于硬件复位。

硬件复位后CPU被重新初始化，所有被激活的中断标志都被清除，程序从0000H地址重新开始执行。

硬件复位又称为“冷启动”，是将系统当时的状态全部作废，重新进行彻底的初始化来使系统的状态得到恢复。

用软件抗干扰措施来使系统恢复到正常状态，是对系统的当前状态进行修复和有选择的部分初始化，这种操作又可称为“热启动”。

热启动时首先要对系统进行软件复位，也就是执行一系列指令来使各专用寄存器达到与硬件复位时同样的状态，这里需要注意的是还要清除中断激活标志。

如用软件WATCHDOG使系统复位时，程序出错有可能发生在中断子程序中，中断激活标志已经置位，它将阻止同级的中断响应；而软件WATCHDOG是高级中断，它将阻止所有的中断响应。

由此可见清除中断激活标志的重要性。

在所有的指令中，只有RETI指令能清除中断激活标志。

前面提到的出错处理程序ERR主要就是用来完成这一功能。

这部分程序如下：

ORG0030H

ERR：

CLREA