1、年月第期焦作大學學報單片機測控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術分析和設計霍曉麗劉三軍（焦作大學計算機工程系，河南焦作）摘要：隨著單片機測控系統(tǒng)越來越復雜，工作環(huán)境干擾越來越嚴重，軟件可靠性問題逐漸為人們所重視。因此，為了保證設備能在實際應用中可靠地工作，必須要周密考慮和解決抗干擾的問題。文章對單片機應用中的軟件抗干擾技術作了詳細分析，文中所用單片機為。關鍵詞：單片機；軟件可靠性；抗干擾中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）根據可靠性理論，程序設計的最主要任務是確保應用程序按照給定的順序有序地運行。有序運行的基礎是硬件的可靠性，可靠性高的硬件基礎可以保證不會出現硬件故障。但是，在工業(yè)現場使用時，大量的干擾源

2、雖然不會造成單片機硬件系統(tǒng)的破壞，卻常常會破壞數字信號的時序，更改單片機寄存器內容，導致程序“跑飛”或進入死循環(huán)。因此，在提高硬件可靠性的基礎上，必須在程序設計中采取措施，提高軟件的可靠性，減少軟件錯誤的發(fā)生及在發(fā)生軟件錯誤的情況下仍能使系統(tǒng)恢復正常工作。干擾是造成單片機測控系統(tǒng)故障的主要原因之一。干擾對系統(tǒng)的影響，輕則影響測量與控制精度，重則使工作系統(tǒng)完全失常。要消除干擾必須抓住形成干擾的三要素，即：干擾源、耦合通道和接收設備。軟件的可靠性問題常常容易被人們忽視，但隨著單片機測控系統(tǒng)越來越復雜，工作環(huán)境干擾越來越嚴重，軟件可靠性問題逐漸為人們所重視。軟件的可靠性問題雖然和硬件的可靠性問題不盡

3、相同，但在基于單片機的測控系統(tǒng)中，軟件的重要性和硬件的重要性是處于同等重要的地位。最后才能得到一個可信度較高的結果值。如果對于同一個數據點經多次采樣后得到的信號值變化不定，說明此時的干擾特別嚴重，已經超出允許的范圍，應該立即停止采樣并給出報警信號。如果數字信號屬于開關量信號，如限位開關、操作按扭等，則不能用多次采樣取平均值的方法，而必須每次采樣結果絕對一致才行。這時，可編寫一個采樣子程序，程序中設置有采樣成功和采樣失敗標志。如果對同一開關量信號進行若干次采樣，其采樣結果完全一致，則成功標志置位；否則失敗標志置位。后續(xù)程序可通過判別這些標志來決定程序的流向。單片機控制的設備對外輸出的控制信號很多

4、是以數字量的形式出現的，如各種顯示器、步進電機或電磁閥的驅動信號等。即使是以模擬量輸出，也是經過轉換而獲得的。單片機給出一個正確的數據后，由于外部干擾的作用有可能使輸出裝置得到一個被改變了的錯誤數據，從而使輸出裝置發(fā)生誤動作。對于數字量輸出軟件抗干擾最有效的方法是重復輸出同一個數據，重復周期應盡量短。這樣輸出裝置在得到一個被干擾的錯誤信號后，還來不及反應，一個正確的信號又來到了，從而可以防止誤動作的產生。在程序結構上，可將輸出過程安排在監(jiān)控循環(huán)中循環(huán)周期取得盡可能短，這樣就能有效地防止輸出設備的錯誤動作。需要注意的是：經過這種安排后輸出功能是作為一個完整的模塊來執(zhí)行的，與這種重復輸出措施相對應

5、，軟件設計中還必須為各個外部輸出設備建立一個輸出暫存單元，每次將應輸出的結果存人暫存單元中，然后再調用輸出功能模塊將各暫存單元的數據一一輸出，不管該數據是剛送來的，還是以前就有的。這樣可以讓每個外部設備不斷得到控數字信號的軟件抗干擾數字量輸入過程中的干擾，其作用時間較短。因此，在采集數字信號時，可多次重復采集，直到若干次采樣結果一致時才認為其有效。例如，通過價轉換器測量各種模擬量時，如果有干擾作用于模擬信號上，就會使轉換結果偏離真實值。這時，如果只采樣一次轉換結果，就無法知道其是否真實可靠，而必須進行多次采樣，得到一個轉換結果的數據系列，對這一系列數據再作各種數字濾波處理，收稿日期：作者簡介：

6、霍曉麗（一）。女。河南省盂州人，焦作大學副教授，華中科技大學在讀博士，主要研究方向：計算機控制技術和軟件工程。萬方數據焦作大學學報年月制數據，從而使干擾造成的錯誤狀態(tài)不能得以維持。在執(zhí)行輸出功能模塊時，應將有關輸出接口芯片的初始狀態(tài)也一并重新設置。因為由于干擾的作用可能使這些芯片的工作方式控制字發(fā)生變化，而不能實現正確的輸出功能，重新設置控制字就能避免這種錯誤，確保輸出功能的正確實現。程序執(zhí)行過程中的軟件抗干擾前面述及的是針對輸入輸出通道而盲的，干擾信號還未作用到本身，還能正確地執(zhí)行各種抗干擾程序。如果干擾信號已經通過某種途徑作用到了上，則就不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂，這就是通常所說

7、的程序“跑飛”。程序“跑飛”后，使其恢復正常的一個最簡單的方法是使復位，讓程序從頭開始重新運行。很多單片機控制的設備中都有設置人工復位電路。人工復位一般是在整個系統(tǒng)已經完全癱瘓、元計可施的情況下才不得已而為之的。因此，在進行軟件設計時就要考慮到萬一程序“跑飛”，應讓其能夠自動恢復到正常狀態(tài)下運行。程序“跑飛”后，往往將一些操作數當作指令碼來執(zhí)行，從而引起整個程序的混亂。采用“指令冗余”是使“跑飛”的程序恢復正常的一種措施。所謂“指令冗余”，就是在一些關鍵的地方，人為地插入一些單字節(jié)的空操作指令。當程序“跑飛”到某條單字節(jié)指令上時，就不會發(fā)生將操作數當成指令來執(zhí)行的錯誤。對于單片機來說，所有的指

8、令都不會超過個字節(jié)。因此，在某條指令前面插入兩條指令，則該條指令就不會被前面沖下來的失控程序拆散，而會得到完整的執(zhí)行，從而使程序重新納入正常軌道。通常是在一些對程序的流向起關鍵作用的指令前面插入兩條指令。應該注意的是：在一個程序中，“指令冗余”不能使用過多，否則，會降低程序的執(zhí)行效率。如果“跑飛”的程序落到一個臨時構成的死循環(huán)中時，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力。這時，可以采用人工復位的方法使系統(tǒng)恢復正常。實際上可以設計一種模仿人工監(jiān)測的“程序運行監(jiān)視器”，俗稱“看門狗”（）。目前，有很多單片機在內部已經集成了片內的硬件電路，使用起來更為方便。系統(tǒng)恢復前面列舉的各項措施只解決了如何發(fā)現系統(tǒng)受到

9、干擾和如何捕捉“跑飛”程序。但僅此還不夠，還要能夠讓單片機根據被破壞的殘留信息自動恢復到正常工作狀態(tài)。硬件復位是使單片機重新恢復正常工作狀態(tài)的一個簡單有效的方法。上電復位、人工復位及硬件復位，都屬于硬件復位。硬件復位后萬方數據被重新初始化，所有被激活的中斷標志都被清除，程序從地址重新開始執(zhí)行。硬件復位又稱為“冷啟動”，是將系統(tǒng)當時的狀態(tài)全部作廢，重新進行徹底的初始化來使系統(tǒng)的狀態(tài)得到恢復。用軟件抗干擾措施來使系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài)，是對系統(tǒng)的當前狀態(tài)進行修復和有選擇的部分初始化，這種操作又可稱為“熱啟動”。熱啟動時，首先要對系統(tǒng)進行軟件復位，也就是執(zhí)行一系列指令來使各專用寄存器達到與硬件復位時同樣

10、的狀態(tài)，這里需要注意的是還要清除中斷激活標志。如用軟件使系統(tǒng)復位時，程序出錯有可能發(fā)生在中斷子程序中，中斷激活標志已經置位，它將阻止同級的中斷響應；而軟件是高級中斷，它將阻止所有的中斷響應。由此可見，清除中斷激活標志的重要性。在所有的指令中，只有指令能清除中斷激活標志。在進行熱啟動時，為使啟動過程能順利進行，首先應關中斷并重新設置堆棧。因為熱啟動過程是由軟件復位（如軟件等）引起的，這時中斷系統(tǒng)未被關閉，有些中斷請求也許正在排隊等待響應，因此，使系統(tǒng)復位的第一條指令應為關中斷指令。第二條指令應為重新設置棧底指令。因為在啟動過程中要執(zhí)行各種子程序，而子程序的工作需要堆棧的配合，在系統(tǒng)得到正確恢復之

11、前堆棧指針的值是無法確定的，所以，在進行正式恢復工作之前要先設置好棧底。然后應將所有的設備都設置成安全狀態(tài)，封鎖操作，以免干擾造成的破壞進一步擴大。接下來即可根據系統(tǒng)中殘留的信息進行恢復工作。系統(tǒng)遭受干擾后會使中的信息受到不同程度的破壞，對系統(tǒng)進行恢復實際上就是恢復各種關鍵的狀態(tài)信息和重要的數據信息，同時，盡可能地糾正由于干擾而造成的錯誤信息。對于那些臨時數據，則沒有必要進行恢復。在恢復了關鍵的信息之后，還要對各種外圍芯片重新寫入它們的命令控制字，必要時還需要補充一些新的信息，才能使系統(tǒng)重新進人工作循環(huán)。軟件的抗干擾設計數據采集誤差的軟件對策（）用軟件濾波算法，可濾掉大部分由輸入信號干擾而引起

12、的輸出控制錯誤。最常用的方法有算術平均值法、比較舍取法、中值法、一階遞推數字濾波法。具體選取何種方法，必須根據信號的變化規(guī)律選擇。對開關量采用多次采集的辦法來消除開關的抖動。（）關鍵數據可使用軟件冗余技術，即給數據增加一定的冗余位以實現數據的檢錯和糾錯功能。常用的方法有：奇偶校驗，海明碼和循環(huán)碼校驗。程序運行失控的軟件對策對于程序運行失常的軟件對策主要是：發(fā)現失常狀態(tài)并及時將系統(tǒng)引導到初始狀態(tài)。（）指令冗余第期霍曉麗劉三軍：單片機測控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術分析和設計系列單片機大部分指令為單字節(jié)，當出錯的程序落到其上時，出錯的程序可自動納入正軌；當落到多字節(jié)指令的操作數時，程序將繼續(xù)出錯。所以，在

13、關鍵的對程序流向起決定性的指令之前插入兩條指令使被彈飛的指令恢復正軌。（）設置程序指針陷阱軟件陷阱是將出錯的程序捕獲并強行引入出錯處理的程序。軟件陷阱可安排在四個地方：未使用的中斷向量區(qū)，干擾可使未使用的中斷開放并激活中斷。在這些地方設置軟件陷阱就能及時捕獲到錯誤中斷。未使用的空間，在其中每隔一段設置一個陷阱，可將彈飛至該區(qū)域的出錯程序捕獲。表格，儲存在中的表格后，安排軟件陷阱，可在一定程度上防止軟件彈飛。程序區(qū)，一般程序中不能任意安排軟件陷阱。但是，在正常程序中會有一些跳轉指令，在這些指令后使用軟件陷阱，可捕獲到彈飛到跳轉指令的操作數上的出錯程序。（）使用程序監(jiān)視跟蹤定時器程序監(jiān)視跟蹤定時器

14、即，在單片機抗于擾設計中使用非常廣泛。各大器件生產商提供了不同的功能的芯片，如：的、。任務在操作系統(tǒng)的調度下運行。若某一任務由于干擾而運行失常，操作系統(tǒng)可將該任務強制退出并讓出控制權，根據故障情況進行處理。使用可減小系統(tǒng)的復位的次數提高抗干擾能力。結束語軟件的可靠性包括多方面的內容。在軟件流程上，除了完成基本功能的模塊外，還應包括安全檢測、安全保護、程序的自珍斷、系統(tǒng)的自恢復與報警等。因此，系統(tǒng)的可靠性要求從系統(tǒng)的角度編程，用程序來實現系統(tǒng)的可靠性。軟件可靠性是系統(tǒng)可靠性設計時必須予以考慮的，軟件的可靠性的前提是實現硬件的可靠性設計。系統(tǒng)是硬件和軟件兩者結合而成，在硬件可靠性基礎上實現軟件的可

15、靠性設計，對于增強系統(tǒng)對干擾的承受能力和減少故障對系統(tǒng)的破壞，有重要的實際意義。參考文獻：何立民單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術北京：北京航空航天大學出版社，王福瑞單片微機應用測控系統(tǒng)設計大全北京：北京航空航天大學出版社胨潤泰檢測技術與智能儀表長沙：中南工業(yè)大學出版社王柏林單片機系統(tǒng)設計的誤區(qū)與對策電子技術應用，（）的是用于微處理器系統(tǒng)的電源監(jiān)視和控制電路，可為提供復位信號、看門狗監(jiān)視、備用電池自動切換及電源失效監(jiān)視。除上、掉電條件下為微處理器提供復位外，這些器件還具有備用電池切換功能。利用和軟件的配合使用，可大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力。（）使用實時嵌入式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)首先建立多個實時任務并初始化，各

16、個：。（責任編輯石香玉）（。）：，：；萬方數據單片機測控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術分析和設計作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次數：霍曉麗， 劉三軍， HUO Xiaoli， LIU Sanjun焦作大學計算機工程系,河南,焦作,454003焦作大學學報JOURNAL OF JIAOZUO UNIVERSITY2005，19(3)1次參考文獻(5條)1.何立民 單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術 20002.王福瑞 單片微機應用測控系統(tǒng)設計大全 20023.陳潤泰 檢測技術與智能儀表 19984.王柏林 單片機系統(tǒng)設計的誤區(qū)與對策期刊論文-電子技術應用 2002(2)5.Mark I Mont

17、rose: Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance 1996相似文獻(10條)1.期刊論文 李明.劉曉林 單片機軟件可靠性初步探討 -船電技術2003,23(3)本文初步討論了單片機軟件可靠性的概念、指標及建立在此基礎上的程序設計各階段的注意事項,抑制電磁干擾提高軟件可靠性的具體措施.2.期刊論文 劉駿躍 單片機應用系統(tǒng)軟件可靠性研究 -煤礦機械2002(5)闡述了單片機應用系統(tǒng)常見的幾種干擾及其產生的原因,著重從軟件角度介紹了其抗干擾技術.3.期刊論文 高淑萍.Gao Shuping 單片機應用系統(tǒng)的軟件可靠性技術

18、與措施 -鐵道技術監(jiān)督2005(4)提出了可靠性概念,隨后探索了單片機應用系統(tǒng)的軟件可靠性技術與措施.4.學位論文 陳軼 實時控制實驗平臺控制軟件可靠性及其測試分析 2008本課題來源于與單片機實時控制系統(tǒng)設計相關的實際工程項目需求。 基于PC機與單片機的實時控制實驗平臺設計及其控制功能和方法的研究能夠加深對控制系統(tǒng)的了解,并為相關實際工程項目提供技術支持。因此,本文在進行實時控制實驗平臺總體設計的基礎上,研究了單片機控制系統(tǒng)工作原理與組成、控制系統(tǒng)軟硬件模塊化設計思想與內容、控制系統(tǒng)軟件可靠性設計方法以及軟件單元測試技術等相關內容。 本文采用模塊化和通用化設計思想,針對實時控制實驗平臺的設計

19、過程進行了理論研究和設計方法研究,分析了其應用特點。論文首先介紹了以16位單片機為核心控制器的實時控制實驗平臺總體設計思想、組成結構以及功能特點,然后重點研究了控制系統(tǒng)軟件可靠性設計方法以及軟件單元測試技術,并應用Visual Unit測試工具對控制系統(tǒng)軟件模塊進行了測試與分析,最后對實時控制實驗平臺控制性能和軟件可靠性進行了實驗測試與驗證。 本文設計開發(fā)的實時控制實驗平臺結構合理,具有多功能性、通用性和可擴展性,能對不同控制方法和控制對象進行實驗演示,滿足控制系統(tǒng)設計要求。該實驗平臺可作為模擬實際工程項目應用的單片機控制系統(tǒng),用戶能依托實驗平臺開展相關實驗以了解單片機工作原理、控制器硬件接口

20、技術、檢測與傳感技術、通信技術、控制系統(tǒng)軟件可靠性設計方法以及軟件測試技術等知識,熟悉控制系統(tǒng)開發(fā)流程,具備開發(fā)單片機控制系統(tǒng)的能力。5.期刊論文 朱敏.任俊新.ZHU Min.REN Jun-xin 單片機應用系統(tǒng)的可靠性設計 -測控技術2008,27(10)首先簡要地介紹了單片機應用系統(tǒng)可靠性的重要性,并分別給出了硬件可靠性、軟件可靠性的概念及其區(qū)別.然后分別闡述了影響系統(tǒng)可靠性的因素及其提高系統(tǒng)可靠性4個方面的對策:影響硬件方面的因素及對策;影響軟件方面的因素及對策;進行包括軟、硬件的系統(tǒng)測試;使用軟件開發(fā)工具進行開發(fā)全程的管理.6.會議論文 沈曉東.劉倩.吳付祥 提高單片機軟件可靠性的

21、幾種編程方法 2001為了提高單片機的可靠性,本文從三個實際問題出發(fā),在軟件設計上提出了解決的方法,并提出了提高可靠性的設計思路,并舉例予以說明.7.期刊論文 沈曉東.王杰.劉倩.吳剛.王欣 單片機的軟件可靠性編程 -電工技術2001(7)單片機的可靠性分為兩方面:一是硬件可靠性;二是軟件可靠性.硬件可靠性主要涉及到單片機的質量、外圍器件的質量以及一些防止干擾的措施(如采用光電耦合隔離、采用環(huán)繞地線等).隨著電子器件生產工藝的日益成熟,單片機以及外圍器件的可靠性已經很好了,因此,筆者在這里主要探討一下軟件可靠性.8.期刊論文 李東 提高單片機應用系統(tǒng)可靠性的研究 -信陽師范學院學報(自然科學版

22、)1999,12(3)論述了單片機應用系統(tǒng)可靠性工程的原理,運用該原理歸納了單片機應用系統(tǒng)出現故障的原因,總結出了提高單片機應用系統(tǒng)可靠性的方法.9.期刊論文 潘永雄.胡菊芳.胡敏強.胡菊芳.Pan Yongxiong.Hu Jufang.Hu Mingqiang.Hu Jufang 單片機系統(tǒng)軟件可靠性設計的研究 -電氣自動化2008,30(4)在分析程序計數器PC"走飛"成因及其后果基礎上,全面闡述了指令冗余、軟件陷阱等常見軟件可靠性設計方式、優(yōu)缺點,提出了一種程序模塊間的遠程攔截技術,較好地解決了PC"走飛"帶來的單片機控制系統(tǒng)可靠性問題,完善了單

23、片機控制系統(tǒng)軟件可靠性設計技術.10.學位論文 韓莉 精密激光照排通用智能輸出控制系統(tǒng)軟件設計 2008實施“748”工程三十多年來，華光、方正電子排版系統(tǒng)已經占領了國內出版印刷業(yè)市場，但是，由于兩者的排版結果文件格式和輸出接口不一致，兩套系統(tǒng)不能通用，用戶需要同時使用兩套發(fā)排系統(tǒng)。由于資金的制約，大多數用戶往往只有一套價值昂貴的輸出設備精密激光照排機，在發(fā)排時需要操作人員人工切換，經常燒壞價值十幾萬的發(fā)排系統(tǒng)和幾十萬的輸出設備，因此，市場迫切需要一種連接雙系統(tǒng)和精密激光照排機的精密激光照排通用智能輸出控制系統(tǒng)。 本文對精密激光照排通用智能輸出控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的設計實現進行了研究。該系統(tǒng)廣泛

24、適用于出版印刷業(yè)，通過技術創(chuàng)新，提高了激光照排用戶的科技競爭力，具有良好的經濟效益和社會效益。 本系統(tǒng)的研究開發(fā)涉及軟件開發(fā)、硬件開發(fā)和系統(tǒng)總成三個方面，能夠實現傳統(tǒng)的手動、半自動共享器的功能，消除了傳統(tǒng)共享器的輸出錯誤，尤其是增加了機械共享器未能實現的信號自動分辨、自動控制及有關安全功能，提高了膠片輸出質量，能夠適用于不同型號的激光照排機。系統(tǒng)主要連接國內使用量最大的美國ECRM系列激光照排機，采用單片機89C52控制，設備同時連接華光、方正發(fā)排系統(tǒng)，自動掃描RIP卡的發(fā)排控制信號使能端，隨發(fā)排系統(tǒng)的啟動而自動開機，也可以選擇手動開機；發(fā)排時采用雙機對搶技術，掃描判斷RIP(或PowerRIP)的發(fā)排信號；系統(tǒng)的開機與發(fā)排方式包括選擇手動開機、人工發(fā)排，手動開機、自