单片机系统常用软件抗干扰措施

楼主 DC 于 2006-05-14 23:57:31
单片机系统常用软件抗干扰措施
摘自：中国电子技术信息网

可靠性设计是一项系统工程，单片机系统的可靠性必须从软件、硬件以及结构设计等方
面全面考虑。硬件系统的可靠性设计是单片机系统可靠性的根本，而软件系统的可靠性设计
起到抑制外来干扰的作用。软件系统的可靠性设计的主要方法有：开机自检、软件陷阱(进
行程序“跑飞”检测)、设置程序运行状态标记、输出端口刷新、输入多次采样、软件“看
门狗”等。通过软件系统的可靠性设计，达到最大限度地降低干扰对系统工作的影响，确保
单片机及时发现因干扰导致程序出现的错误，并使系统恢复到正常工作状态或及时报警的目
的。
　　一、开机自检　开机后首先对单片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正
常，就进行相应的处理。开机自检程序通常包括对RAM、ROM、I/O口状态等的检测。
　　1检测RAM　检查RAM读写是否正常，实际操作是向RAM单元写“00H”，读出也应为
“00H”，再向其写“FFH”，读出也应为“FFH”。如果RAM单元读写出错，应给出RAM出错
提示(声光或其它形式)，等待处理。
　　2检查ROM单元的内容　对ROM单元的检测主要是检查ROM单元的内容的校验和。所谓
ROM的校验和是将ROM的内容逐一相加后得到一个数值，该值便称校验和。ROM单元存储的是
程序、常数和表格。一旦程序编写完成，ROM中的内容就确定了，其校验和也就是唯一的。
若ROM校验和出错，应给出ROM出错提示(声光或其它形式)，等待处理。
　　3检查I/O口状态　首先确定系统的I/O口在待机状态应处的状态，然后检测单片机的
I/O口在待机状态下的状态是否正常(如是否有短路或开路现象等)。若不正常，应给出出错
提示(声光或其它形式)，等待处理。
　　4其它接口电路检测　除了对上述单片机内部资源进行检测外，对系统中的其它接口
电路，比如扩展的E2PROM、A/D转换电路等，又如数字测温仪中的555单稳测温电路，均应通
过软件进行检测，确定是否有故障。
　　只有各项检查均正常，程序方能继续执行，否则应提示出错。
　　二、软件陷阱　在程序存储器中总会有一些区域未使用，如果因干扰导致单片机的指令
计数器PC值被错置，程序跳到这些未用的程序存储空间，系统就会出错。软件陷阱是在程序
存储器的未使用的区域中，加上若干条空操作和无条件跳转指令，无条件跳转指令指向程序
“跑飞”处理子程序的入口地址。如果程序跳到这些未用区域，就会执行无条件跳转指令，
转到相应的程序出错“跑飞”处理程序。除程序未用区域外，还可以在程序段之间(如子程
序之间及一段处理程序完成后)及一页的末尾处插入软件陷阱，效果会更好。下面是一段带
软件陷阱的程序；
　　DSP：……；显示子程序
　　　　RET
　　　　NOP；软件陷阱
　　　　NOP
　　　　NOP
　　　　LIMP FLY
D10MS：MOV R0，＃010H；延时子程序
　　　　……
　　　　RET
　　　　NOP　　　　 ；软件陷阱
　　　　NOP
　　　　NOP
　　　　LJMP FLY
　　　　……
　　FLY：……　 ；“跑飞”处理子程序
　　　　RET
　　三、程序“跑飞”处理　要进行程序“跑飞”处理，就要分清程序“跑飞”所造成的影
响，以及程序“跑飞”前运行的进程，这就需要的设置相应的标志。
　　RAM数据正常标志　RAM数据正常标志是检测RAM区的数据是否已经因程序“跑飞”或其
它干扰而改变。如果RAM区的数据确因程序“跑飞”或其它干扰而改变，则系统无法自行恢
复到原来的出错地点，只能由人工或由软件复位从头开始执行。要进行RAM区数据正常检
测，首先应在初始化程序中，对RAM的若干单元设置RAM数据正常标志。通常是在RAM区中选
数个单元，在初始化程序中将其置成固定的数，如“55H”或“0AAH”，只要程序正常运
行，这些单元的内容是不会被修改的，若因程序“跑飞”或其它干扰导致这些RAM单元中的
任何单元的数据发生变化，说明其它RAM单元的内容也可能发生变化，无法反映程序运行的
结果和状态，不能根据RAM区中的标志去恢复程序运行现场。
　　程序运行标记　程序运行状态标记是在RAM区中设立一些标志位，这些标志位分别代表
程序运行的不同阶段及运行后的状态。在初始化程序中，首先对这些单元置初值，在程序运
行的不同阶段，这些单元的内容将被改变成特定值，标记程序运行的阶段和运行后的状态。
这些标志除了在程序正常运行中起到条件转移的作用外，还能在程序“跑飞”，而RAM区数
据正常时起到恢复程序运行现场的作用。
　　程序“跑飞”处理　程序“跑飞”处理就是在程序由软件陷阱检测到“跑飞”后，转入
“跑飞”处理程序。“跑飞”处理程序判断“跑飞”影响的程度，根据影响程度的不同，决
定是报警复位还是自动恢复现场。如自动恢复现场，则需根据程序运行状态标记进行。具体
如何进行程序“跑飞”处理，要根据控制系统的设计要求进行。
　　四、输出端口刷新　由于单片机的I/O口很容易受到外部信号的干扰，输出口的状态也
可能因此而改变。在程序中周期性地添加输出端刷新指令，可以降低干扰对输出口状态的影
响。在程序中指定RAM单元存储输出口当时应处的状态，在程序运行过程中根据这些RAM单元
的内容去刷新I/O口。
　　五、输入多次采样　干扰对单片机的输入，会造成输入信号瞬间采样的误差或误读。要
排除干扰的影响，通常采取重复采样、加权平均的方法。
　　比如对于外部电平采样(如按键)，采取软件每隔10ms读一次键盘或连续读若干次，每次
读出的数据都相同或者采取表决的方法确认输入的键值。又如在用单稳电路检测温度的系统
中(参《电子报》1999年第51期第九版)采取对单稳电路的脉冲宽度计数，然后查表求温度值
的方法。为排除干扰的影响，可以采取三次采样求平均值，也可以采取两次采样、差值小于
设定值为有效，然后求平均值的方法(又称软件滤波)。总之，对输入信号进行多次采样，其
后如何进行处理是要根据具体对象实际处理的效果来优选的，读者可通过实验室调试时施加
干扰及现场环境调试时的效果来确定。
　　六、软件“看门狗”　软件陷阱是在程序运行到ROM的非法区域时检测程序出错的方
法。而“看门狗”是根据程序在运行指定时间间隔内未进行相应的操作，即未按时复位看门
狗定时器，来判断程序运行出错的。
　　在系统成本允许的情况下，应选择专门的看门狗电路芯片或片内带看门狗定时器的单片
机。如果条件不允许，应加软件“看门狗”。关于软件“看门狗”的编制方法，请参考《电
子报》2000年第8期第十二版。
　　单片机软件系统的可靠性设计的方法很多，相信所有从事单片机系统软件设计的同仁都
有自己的经验和体会。本文给出的只是笔者常用的方法，希望对读者有所帮助。
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