單片計算機系統抗干擾的軟件途徑

2.3 重復執行

程序指令在執行的過程中或者保持（鎖存）之后，都有可能被噪聲修改而導致控制失效乃至引發事故，為此應當盡量增加重要指信紙的執行次數以糾正干擾造成的錯誤。對于頻率較低的傳感器數據，建議在有效時間內多次采集并比較；對于控制外部設備的指令，則需要多次重復執行以確保有關信號的可靠性。為達此目的，可把重要的指令設計成定時掃描模塊，使其在整個程序的循環運行過程中反復執行。如此即使干擾信號改寫了指令內容，也能在受控設備的反應時間內自動恢復正常。

2.4 重要數據的保護和恢復

編寫專門的數據保護子程序，是提高工控微機系統可靠性的有效途徑。在編寫程序的過程中，對于由指令改變結果性質的數據，可以考慮在每次改變后都盡可能地保護起來，以便在需要時能夠恢復正確值。對于大多數工控微處理機而言，在運行錯誤而強制“復位”之后，I/O端口和特殊寄存器SFR中的內容都將變成芯片出廠時的設定值[4]，這很可能會引起整個系統的運行混亂。因此計算機在重新啟動后，應當首先執行數據恢復程序，把控制端口等重要寄存器被保護的內容恢復還原。基于前述的試驗結果，保護數據最可靠的地址位于微處理機的片內 RAM；若數據的保護量較大，則建議擴展非易失性的SRAM作為片外數據存儲器。這種新型芯片具有很高的抗干擾性能，其缺點是目前的價位較高。

3 片內軟WDT監控

“看門狗”（WDT）已經成為工控微機必不可少的成員之一，其通常采用軟件與片外專門電路相結合的技術，來防止CPU程序的“跑飛”。我們在課題的研究過程中注意到，利用微處理機內部閑置的定時/計數器，配合以適當的程序就可以方便地構成WDT，在PC異常時能夠及時有效地強制“軟復位”而恢復系統的正常運行。

3.1 基本原理

與前面提及的軟件補償措施相配合，此WDT可以有效地防止由于CPU的PC“飛出”正常運行的程序區域而導致的系統癱瘓。用微處理機片內的一個定時器單元接收內部時鐘提供的穩定脈沖，當此定時器溢出（加法型）或者為零（減法型）時提出中斷請求；對應的中斷服務程序使PC回到初始化程序的第一行，從而實現強制性“軟復位”。程序正常運行時，軟件每隔一定的時間（小于定時器的溢出周期）給定時器清零或置數，即可預防溢出中斷而引起的誤復位。

3.2 設計示例

下面以常用的MCS-51系列單片機的T0為例，介紹軟WDT的設計思路。

首先，在初始化程序塊中設置T0的工作方式，并開啟其中斷和計數功能。設主頻為12MHz，T0為8位計數器，則：

最大計數值為（2的8次方）=255

計數速率是主頻的1/12（1次/μs），故：

溢出周期為（255+1）÷1=256μs

其次，計算各條指令的執行耗時，以適當的間隔設置T0=0。由于MCS-51系列單片機的指令集中只有“乘”、“除”兩條指令耗用4個機器周期，其它均只耗用1～2個機器周期，為保險起見簡化為“每條指令均耗用2個機器周期”，即每執行一條指令耗用2μs。據此可以推算出“清零定時器T0”的指令執行間隔應當少于：

256÷2=128（條）

即每執行不多于128條程序指令（計入多次循環執行的指令），就應當執行一條清零T0的指令，以防止軟復位被誤執行。

第三，設計T0溢出所對應的中斷服務程序。此子程序只須一條指令，即在T0對應的中斷向量地址（000BH）寫入“無條件轉移”命令，把PC拖回整個程序的第1行，對單片機重新進行初始化并獲得正確的執行順序。由于這條中斷指令并沒有結束中斷子程序就轉出去了，為了能夠繼續響應其它的中斷請求，可以在程序的初始化功能塊中把SP定高2字節，在此2字節中寫入“中斷返回”（RETI）之后應執行指令的地址，以便RETI執行后自動彈棧裝入PC，并在初始化程序結束前寫上RETI指令。

在工業控制系統的研制過程中，微機的抗干擾性能是系統成敗的關鍵之一。數十年來，人們已經研究出了許多抗干擾的硬件措施，包括采用凈化電源、接地、屏蔽、光電耦合、數據濾波及延時除顫等等。本文針對微處理機易受干擾的部件提出了軟件抗干擾的一些方案，實用表明具有較高的經濟性和可靠性，很容易將結合進行工業控制程序之中，不失為一類簡便而有效的抗擾手段。