51單片機軟件三重監視抗干擾技術

應用于工業過程控制和智能化儀器儀表的單片機，由于現場條件往往十分惡劣，不可避免地會受到各種各樣的電磁干擾。當串入系統的干擾作用于單片機內部的CPU部件時，后果更加嚴重，將導致系統失控。最典型的失控故障是破壞程序計數器PC的狀態，導致程序在地址空間內“亂飛”，或者陷入“死循環”。因此，盡可能早地發現程序失控，并采取相應的補救措施，是單片機應用系統抗干擾設計的重要內容。

使程序從“亂飛”狀態納入正軌的方法稱為程序攔截技術，包括指令冗余技術、軟件陷阱技術等。使程序擺脫“死循環”，通常多采用硬件電路實現的監視技術，又稱“看門狗”技術(Watchdog)。常見的硬件“看門狗”電路有單穩態型“看門狗”電路、計數器型“看門狗”電路、微處理器監控專用芯片等。上述的抗干擾方法可參閱有關資料文獻。本文將討論由軟件實現的“看門狗”技術。

由硬件電路實現的“看門狗”技術，可以有效地克服主程序或中斷服務程序由于陷入“死循環”而帶來的不良后果。但在工業應用當中，嚴重的干擾有時會破壞中斷方式控制字，導致中斷關閉，這時一般的硬件“看門狗”將不能使中斷恢復正常。依靠軟件進行多重監視，可以彌補上述不足。

軟件“看門狗”技術的基本思路是：在主程序中對中斷服務程序的運行進行監視;在中斷服務程序中對主程序的運行進行監視;采用兩個中斷實施相互監視，稱之謂軟件三重監視抗干擾技術。從概率觀點，這種相互依存，相互制約的抗干擾措施，將使系統的可靠性大大提高。

本文以MCS—51單片機為例，說明軟件三重監視的基本原理。系統軟件包括主程序、T0定時中斷子程序和T1定時中斷子程序3部分，將T0設計成高級中斷，T1設計成低級中斷，從而形成中斷嵌套。

1　主程序監視過程設計

主程序完成系統測控功能的同時，還要監視T0中斷服務程序因干擾而引起的中斷關閉故障。A0為T0中斷服務程序運行狀態的觀測單元，T0每發生一次中斷，A0計數單元少一次中斷(T0定時溢出時間小于測控功能模塊運行時間)，引起A0的變化。在測控功能模塊的出口處，將A0值與E0值進行比較，以判斷A0是否發生變化。若A0發生變化，說明T0中斷運行正常;若A0不變化，說明T0中斷關閉，則轉到程序入口0000H處，進行出錯處理后，程序恢復正常運行。

設A0、E0、M計數單元分別為內RAM中的30H、40H和50H單元，監視程序如下：

loop1：MOV　 50H，　#00H; 清M單元

MOV 40H， 30H　;暫存A0單元

…; 測控功能模塊

CLR C

MOV A， 30H

SUBB A， 40H; 判斷A0變化

JZ loop

MOV 30H， #00H

LJMP loop1

loop：LJMP　0000H

2　T1中斷服務程序監視過程設計

T1中斷服務程序在完成特定測控功能的同時，還要監視主程序的運行狀態。在中斷服務程序中設置一個主程序運行計時器M1，T1每中斷一次，M便自行加1。M中的數值與T1定時溢出時間之積表示時間值。若由M表示的時間值大于主程序的運行時間，說明主程序因干擾而陷入了“死循環”，T1中斷服務程序便修改斷點地址，返回0000H，進行出錯處理。若M不大于主程序運行時間，說明主程序運行正常，中斷服務程序也正常返回。M單元在系統主程序運行中循環清“0”。

設單片機晶振頻率為6MHz，T1以工作方式1產生2ms的定時中斷，則T1的計數初值為：

(216-N)×2×10-6=2×10-3

N=64536D=FC18H

主程序的最大循環時間為200ms，T取值應不小于64H，可取68H。A1為T1中斷程序運行狀態監測單元，取內RAM 31H單元，M仍取50H單元，60H、61H為暫存單元，則T1中斷監視程序如下：

PUSH　 PSW　　　　　　 ;保護現場

PUSH ACC

MOV TH1， #0FCH　　　　;T1置初值

MOV TL1， #18H

INC 31H　　　　 ;A1單元加1

INC 50H ;M單元加1

CLR C

MOV A，#68H

SUBB A，50H ;T≥M?

JC loop

…　 　　　;中斷測控程序

POP ACC ;恢復現場

POP PSW

RETI　 ;返回

loop：POP　 ACC　　　　　　 ;恢復現場

POP PSW

POP 60H ;原斷點彈出

POP 61H