軟件抗干擾技術(shù)及其在單片機(jī)上的應(yīng)用

1引言

微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，對(duì)軟件有以下幾個(gè)方面的基本要求：

(1)可維護(hù)性：要求盡可能地采用模塊化設(shè)計(jì)，程序流程清晰明了，最大限度地控制使用和調(diào)用嵌套次數(shù)；

(2)可理解性：軟件源代碼應(yīng)注意加注提示內(nèi)容，一般應(yīng)不少于整個(gè)代碼行數(shù)的60％，使其易于理解和閱讀，便于修改和補(bǔ)充；

(3)實(shí)時(shí)性：隨著集合度和運(yùn)算速度的提高，實(shí)時(shí)性已經(jīng)成為測(cè)試系統(tǒng)對(duì)軟件的普遍要求，在工程應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)中，采用匯編語(yǔ)言要比采用高級(jí)語(yǔ)言更具有實(shí)時(shí)性；

(4)準(zhǔn)確性：系統(tǒng)要求在進(jìn)行大量運(yùn)算時(shí)，要選取合適的算法，以便控制最后結(jié)果的精度；

(5)可靠性：可靠性是測(cè)控軟件最重要的指標(biāo)之一，他要求兩方面的內(nèi)容：一方面是運(yùn)行參數(shù)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)(如電壓在規(guī)定范圍內(nèi)出現(xiàn)較大波動(dòng))，軟件都能可靠運(yùn)行并得出正確的結(jié)果，也就是軟件的自適應(yīng)性；另一方面是在工作環(huán)境惡劣，干擾環(huán)境復(fù)雜嚴(yán)重的情況下，軟件必須保證可靠運(yùn)行，這對(duì)測(cè)控軟件尤為重要。為了保證以上兩方面的要求，就必須使用多種抗干擾技術(shù)。

2軟件抗干擾技術(shù)及一般方法

2．1簡(jiǎn)介

軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)系統(tǒng)受干擾后，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行或輸入信號(hào)受干擾后去偽存真的一種輔助方法。此技術(shù)屬于一種被動(dòng)抗干擾措施，但是由于軟件抗干擾設(shè)計(jì)靈活，節(jié)省硬件資源，操作起來方便易行，所以軟件抗干擾技術(shù)越來越受到人們的重視。

軟件抗干擾技術(shù)主要研究的方面：

(1)采取軟件的方法對(duì)疊加在模擬輸入信號(hào)上的噪聲進(jìn)行抑制，以讀取真正有用的信息，如數(shù)字濾波器；

(2)在程序受到干擾跑飛的情況下，采取措施使程序回到正常的軌道上來，常見的抗干擾技術(shù)有：軟件攔截技術(shù)(軟件陷阱等)；輸人口信號(hào)重復(fù)檢測(cè)方法；輸出口數(shù)據(jù)刷新；數(shù)字濾波；

(3)程序具有自檢功能。

2．2軟件攔截技術(shù)

2．2．1NOP指令使用

單片機(jī)中最容易受到干擾的是內(nèi)部程序計(jì)數(shù)器--PC的值，當(dāng)受到干擾時(shí)，PC值被改變，CPU誤將程序從正確位置跳轉(zhuǎn)到無意義區(qū)域，導(dǎo)致程序運(yùn)行出錯(cuò)。

目前常用的方法是在對(duì)程序走向有重要作用的指令(RET，LCALL，SJMP，JC，LJMP，ACALL等)之前加人2～3個(gè)單字節(jié)的NOP指令，當(dāng)失控的程序遇到該指令后得到調(diào)整，使接下來的程序得以正常執(zhí)行。從實(shí)際使用過程中總結(jié)可知，應(yīng)盡量多的使用NOP指令，而且發(fā)現(xiàn)NOP指令成對(duì)使用時(shí)，能起到比較滿意的抗干擾效果。

2．2．2軟件陷阱

(1)未使用的中斷區(qū)

對(duì)于未使用的中斷源因干擾而開放，從而直接影響軟件的正常工作的中斷源，采用的方法一般是在對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)地址入口處設(shè)置軟件陷阱，使其跳轉(zhuǎn)到程序入口，通常的軟件陷阱設(shè)置如下面的程序：0RG0003H

LJMP0000H；主程序入口

而在實(shí)際使用中，此種處理方法并不合適，特別是在系統(tǒng)聯(lián)試中，突然重新執(zhí)行程序的情況應(yīng)盡量避免。實(shí)際處理應(yīng)該是讓其進(jìn)入一個(gè)信息處理程序，并顯示相關(guān)信息。這樣做既可以使程序捕捉到錯(cuò)誤的中斷后，及時(shí)離開，又可以根據(jù)相關(guān)信息快速定位便于試驗(yàn)順利進(jìn)行。

如程序所示，只有定時(shí)器T0中斷開放，對(duì)于可能影響程序的中斷，如外部中斷、定時(shí)器T1中斷，在其中斷地址人口，均加上了軟件陷阱，使其跳轉(zhuǎn)到ER38這個(gè)故障處理程序，從而避免程序的跑飛，也便于判斷程序的走向。

(2)未使用的EPROM空間

當(dāng)裝載軟件程序的存儲(chǔ)芯片為27C64，其地址空間為0000H～1FFFFH，一般程序很少能夠用完，可填充FF。而FFH是MOVR7，A的機(jī)器碼，當(dāng)程序亂入非程序區(qū)后，不僅無法轉(zhuǎn)入正軌，而且還會(huì)破壞R7的內(nèi)容，因此在實(shí)際使用過程對(duì)未使用的EPROM空間應(yīng)全部填充為0，因?yàn)槌绦驈?fù)位入口地址為0000H，當(dāng)跑飛的程序指針跳至無程序處，可以讓其重新指向主程序入口，可以起到防跑飛的功能。

(3)程序區(qū)

為了保證可靠的運(yùn)行，以及一旦發(fā)生跑飛，不但使其有出口而且便于判斷，實(shí)際應(yīng)用中在整個(gè)程序中設(shè)置了若干軟件陷阱，當(dāng)程序進(jìn)入陷阱后，讓其強(qiáng)制進(jìn)入一個(gè)指定地址執(zhí)行一段專門對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。通過試驗(yàn)驗(yàn)證和使用中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在外場(chǎng)軟件編寫中，軟件陷阱的設(shè)置，主要是在正常的程序流程中，在認(rèn)為較為重要的程序段中，隨機(jī)設(shè)置若干個(gè)故障信息顯示程序區(qū)，一方面是完成正常的故障信息的顯示，另一方面就是在程序跑飛的情況下，通過故障信息的顯示，可以快速判斷跑飛'，的程序段，從而使程序步入正軌。程序流程如圖1所示。

2．2．3輸入口信號(hào)重復(fù)檢測(cè)方法

對(duì)于重要開關(guān)量輸入信號(hào)的檢測(cè)，實(shí)際應(yīng)用中一般采用3次或5次重復(fù)檢測(cè)的方法，即對(duì)接口中的輸人數(shù)據(jù)信息進(jìn)行重復(fù)進(jìn)行3次或5次檢測(cè)，若結(jié)果完全一致則認(rèn)為是真的輸入信號(hào)，若多次測(cè)試結(jié)果不一致，即可以停止檢測(cè)顯示故障信息，又可以重復(fù)進(jìn)行再檢測(cè)。

對(duì)于軟件測(cè)量而言，輸入量干擾大多數(shù)是疊加到有效信號(hào)上的一系列作用時(shí)間短的尖脈沖，但是頻率不一致，因此應(yīng)在相鄰的檢測(cè)之間應(yīng)有一定的時(shí)間間隔。理論上可以是等時(shí)間段的，而在實(shí)際使用過程中，由于外部環(huán)境比較復(fù)雜，等時(shí)間段只能濾除某個(gè)頻段的干擾，為了濾除盡可能多的干擾，間隔時(shí)間應(yīng)為不等的時(shí)間段，但是對(duì)數(shù)據(jù)影響較大的尖峰，通過觀察其波形可知，其作用的時(shí)間寬度在幾十到幾百μs之間，所以把濾波時(shí)間限定ms級(jí)上。在經(jīng)過使用和驗(yàn)證，此方法可以有效地保證軟件可靠運(yùn)行。需要注意的是，對(duì)于軟件時(shí)序要求比較嚴(yán)格場(chǎng)合，延時(shí)查詢時(shí)間不宜過長(zhǎng)，查詢次數(shù)一般以3次為宜。

程序流程如圖2所示。

2．2．4輸出端口數(shù)據(jù)刷新

開關(guān)量輸出軟件抗干擾技術(shù)主要采用的方法是重復(fù)輸出，這是提高輸出端口穩(wěn)定性的有效措施之一。外場(chǎng)設(shè)備的微機(jī)系統(tǒng)為51單片機(jī)系統(tǒng)，采用了8155，8255可編程I/O擴(kuò)展芯片，理論上只在上電啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)行初始化一次即可。但是在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，由于干擾等原因，可使芯片的工作控制字遭到破壞，從而使系統(tǒng)輸入輸出狀態(tài)混亂的情況時(shí)有發(fā)生，因此，在讀取重要信號(hào)之前，先對(duì)8155，8255進(jìn)行初始化操作，通過一段時(shí)間軟件運(yùn)行，穩(wěn)定度大大提高，但是狀態(tài)混亂情況仍有發(fā)生，經(jīng)過分析數(shù)據(jù)特點(diǎn)和系統(tǒng)要求后，認(rèn)為8155、8255允許多次設(shè)置狀態(tài)字、控制字等，而且對(duì)系統(tǒng)并無不良影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，用到8255和8155之前均首先進(jìn)行初始化操作，然后再進(jìn)行狀態(tài)的讀取和寫入。通過長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)和聯(lián)試，不再出現(xiàn)此類問題，軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。另外應(yīng)注意，在重復(fù)設(shè)置8255，8155芯片時(shí)，一定要將其工作方式、控制字一起設(shè)置，方可確保軟件可靠工作。程序流程如圖3所示。

2．2．5數(shù)字濾波

為了克服干擾對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響，可根據(jù)情況采取相應(yīng)的數(shù)字濾波技術(shù)。數(shù)字濾波的方法很多，如有中值濾波法、平均值濾波法等，經(jīng)過對(duì)不同濾波法的實(shí)際使用和試驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為采用防脈沖干擾平均值濾波法，抗干擾效果比較明顯。

普通的平均值濾波，在干擾十分嚴(yán)重的場(chǎng)合，所得到的平均值中干擾的成分仍比較大，不易消除由于脈沖干擾而引起的誤差。而防脈沖干擾平均值濾波是在采集的N個(gè)數(shù)據(jù)中，去掉數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。在實(shí)際應(yīng)用中，此法主要是用在AD值的檢測(cè)上，由于外場(chǎng)設(shè)備中AD采集值判定，直接影響此設(shè)備能否投入使用，所以對(duì)所采AD值的可靠性要求高，采用此濾波法后，通過仿真可以清楚看出，在某些特定

的情況下，AD采集值波動(dòng)較大，但此法可以有效地避免了CPU對(duì)采集值的誤判，使軟件得以可靠運(yùn)行。

程序流程如圖4所示，此程序完成的主要功能是調(diào)用A/D測(cè)量輸入子程序ACD，將循環(huán)采集的6個(gè)AD值，放在70H至75H的寄存器中，RO為記錄采集次數(shù)，70H和75H分別放置最大值和最小值，去除最大值和最小值后，將其余4個(gè)值求算術(shù)平均數(shù)，以得到的值為最終AD采集值放在68H寄存器中。

2．2．6程序自檢

程序自檢是提高測(cè)控軟件可靠性的有效方法之一。在實(shí)際應(yīng)用中，自檢程序主要是對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的主要器件如8031的I/O口、外部擴(kuò)展的可編程I/O接VI芯片、A/D器件、ROM器件等進(jìn)行檢測(cè)，如出現(xiàn)故障能夠給出故障部位。因此自檢程序不但可以了解與測(cè)試相關(guān)外設(shè)的工作情況，而且可避免因外設(shè)原因而使測(cè)控系統(tǒng)不能正常工作的干擾。

3結(jié)語(yǔ)

在采取以上所述的多種軟件抗干擾技術(shù)，經(jīng)過外場(chǎng)的沙塵、云雪的考驗(yàn)和干擾復(fù)雜、嚴(yán)重的環(huán)境下驗(yàn)證，完全可以保證軟件可靠運(yùn)行。但是同時(shí)需要說明的是，軟件抗干擾技術(shù)只是被動(dòng)的方式，只有在硬件沒計(jì)合理的情況下，使用適當(dāng)?shù)目垢蓴_技術(shù)，才能更有效地保證軟件可靠地工作。