基于MCS-96單片機(jī)控制系統(tǒng)的程序失控防范
1 引言
單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí),在滿足了各項(xiàng)控制功能后,為了使系統(tǒng)投入實(shí)用,必須提高其可靠性。但是,由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣,常會(huì)受到電磁設(shè)備啟動(dòng)、停止、電源波形畸變等因素的影響,各種干擾不可避免,若只靠避錯(cuò)設(shè)計(jì)很難滿足要求,而且也很難確保這些硬件萬(wàn)無(wú)一失,必須為系統(tǒng)配備容錯(cuò)功能。所以,抗干擾設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)(包括故障檢測(cè)與診斷技術(shù))和功能設(shè)計(jì)成為單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺一不可的重要內(nèi)容。
在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),大多數(shù)情況下干擾不會(huì)造成單片機(jī)系統(tǒng)硬件的損壞,主要是對(duì)軟件運(yùn)行造成不良影響。其主要特征是:指令碼或數(shù)字碼受干擾,使程序的執(zhí)行出現(xiàn)錯(cuò)誤。最典型的錯(cuò)誤有:1)CPU中的程序計(jì)數(shù)器PC的值發(fā)生跳變,使程序跑飛,轉(zhuǎn)去執(zhí)行一個(gè)毫無(wú)意義或錯(cuò)誤的程序段,使系統(tǒng)出現(xiàn)混亂或失控,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成設(shè)備損壞,甚至危及人身安全;2)輸出口被失控程序非法操作,使控制量發(fā)生波動(dòng)或使系統(tǒng)出現(xiàn)“死機(jī)”;3)RAM區(qū)域受干擾,造成數(shù)據(jù)被沖毀,使系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行不正常,輸出出錯(cuò)。下面以MCS-96系列單片機(jī)所組成的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)為例,提出一些有效、實(shí)用的程序失控防范措施。
2 捕捉跑飛程序的方法
2.1 指令冗余
單片機(jī)最易受干擾的是內(nèi)部程序計(jì)數(shù)器——PC的值。在受到強(qiáng)干擾時(shí),PC的值被改變,改變后的值是隨機(jī)的不確定值。這可使CPU將程序從正確的位置跑飛到ROM中的任何一個(gè)地址,當(dāng)PC值飛到用戶工作程序ROM區(qū)內(nèi)時(shí),可采用指令冗余的方法使程序走上正軌。具體方法是:1)在一些對(duì)程序流向起決定性作用的指令,如SJMP、LJMP、LCALL、CALL等之前插入幾條NOP指令;2)在某些對(duì)系統(tǒng)工作至關(guān)重要的指令,如中斷、堆棧等之前插入幾條NOP 指令;3)在程序中每隔若干條指令,插入一條NOP指令;4)在多字節(jié)指令前插入一條或兩條NOP指令。
由于單片機(jī)指令大多數(shù)為單字節(jié)指令,在一個(gè)程序中,其中斷和堆棧指令使用的次數(shù)也很有限,因此,采用這種方法增加存儲(chǔ)單元的數(shù)量不會(huì)太多。區(qū),如EPROM中未被使用的空間或程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū)時(shí),常采用軟件陷阱的方法來(lái)使程序納入正軌。
所謂軟件陷阱,就是一條引導(dǎo)指令,利用這條指令強(qiáng)行將程序引向一個(gè)指定的地址,在指定的地址上有一個(gè)專門的出錯(cuò)處理程序。假設(shè)該程序的入口標(biāo)號(hào)為EPROM,則軟件陷阱由以下3條指令構(gòu)成:
NOP
NOP
LJMP ERROR
該軟件陷阱除了安裝在未使用的用戶EPROM區(qū)外,還常常安置在未使用的中斷向量區(qū)、表格區(qū)的最后和程序的斷裂點(diǎn)后(斷裂點(diǎn)是指象LJMP、SJMP、RET等類指令)。
2.3 看門狗(WATCHDOGTIMER)
當(dāng)跑飛的程序既沒(méi)有落入軟件陷阱,又沒(méi)有遇到冗余指令,而是在用戶程序之間或用戶根本未使用的地址空間內(nèi)跳來(lái)跳去,自動(dòng)形成一個(gè)死循環(huán),解決這一問(wèn)題的辦法是利用軟件啟動(dòng)單片機(jī)的監(jiān)視定時(shí)器,俗稱“看門狗”。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí),利用它來(lái)使系統(tǒng)復(fù)位。這種方法簡(jiǎn)單、直觀,只需不超過(guò)64K狀態(tài)周期(16ms)的時(shí)間(用12M晶振時(shí)),計(jì)算機(jī)就可恢復(fù)正常。但此時(shí),一定要通過(guò)軟件每隔一定時(shí)間(如15ms)使WATCHDOG TIMER復(fù)位一次。
評(píng)論