单片机系统常用软件抗干扰措施

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”。

单片机软件抗干扰技术

电子仪器设备的抗干扰技术是一门博大精深的领域。大部分的电子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，比如空调就工作在高温、大电流、强干扰(电机)的环境下。因此，为了保证这些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。除了在硬件上考虑抗干扰的问题，我们也可以在软件上做一些抗干扰的措施，来提高系统的抗干扰能力。下面简单介绍了几个抗干扰的措施，起一个抛砖引玉的作用，希望各位同事可以在工作中加以应用和完善。

一、数字量输入输出中的软件抗于扰

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/D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。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。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”

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