單片機運用系統的軟件抗干擾技術研究與分析

吳興純，趙金燕，楊秀蓮，楊燕云

（1.云南農業大學基礎與信息工程學院，云南昆明650201；2.云南農業大學國資處，云南昆明650201）

抗干擾措施與可靠性設計是單片機應用系統開發與研究的一項重要內容。許多在實驗室運行良好的單片機系統安裝到工業現場，常常由于干擾的原因，系統變得嚴重不可靠，甚至出這樣或那樣的問題。干擾源產生的干擾通過耦合通道對單片機系統發生電磁干擾[1]。干擾作用于單片機系統的輸入通道時，它能使模擬信號失真，數字信號出錯；作用于單片機系統的輸出通道時，它能使輸出信號混亂，不能正常反應系統工作的真實輸出。如果是檢測系統，則其輸出信號不可靠；如果是控制系統，則會使一些執行機構誤動作；如果干擾作用于單片機應用系統的核心，它能使計算機的CPU得到錯誤的地址信息，引起程序計數器PC出錯，使程序運行離開正常軌道，導致程序失控。

常用的抗干擾技術主要有硬件抗干擾和軟件抗干擾。硬件抗干擾是系統設計時首選的抗干擾措施，它能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。目前，硬件抗干擾技術和手段都有了很大的進步，各種抗干擾器件以及干擾抑制器已有許多現成產品可供選購，只要合理地布置與選擇有關參數，硬件抗干擾措施就能抑制系統的絕大部分干擾[1-2]。但是，微機系統的抗干擾不可能完全依靠硬件來解決，在許多復雜的控制環境下，軟件抗干擾往往能取得事半功倍的效果，因此軟件抗干擾技術越來越得到程序設計人員的重視。

1 干擾對單片機應用系統的影響

干擾按其產生的原因來分類，可分為放電干擾、高頻振蕩干擾和浪涌干擾；按其傳導模式分類，可分為共模干擾和串模干擾；按其波形分類，可分為持續的正弦波、偶發性脈沖電壓以及脈沖序列干擾。干擾源產生的干擾通過耦合通道對單片機系統發生電磁干擾。干擾的耦合方式有直接耦合、公共阻抗耦合、電容耦合、電磁感應耦合、輻射耦合和漏電耦合等6種耦合方式。干擾傳入單片機應用系統，大大影響了系統的可靠性、安全性[1]。另外，影響單片機系統可靠、安全運行的因素還與系統的結構設計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環境條件等有關。

干擾對單片機應用系統的影響主要表現在：

1）使數據采集誤差加大干擾侵入測量單元模擬信號的輸入通道，干擾信號疊加在有用信號上，使數據采集誤差加大，特別是當傳感器輸出微弱信號時，干擾會更加嚴重。

2）控制狀態失靈一般測控系統輸出的控制信號較大時，不易受到外界干擾。但輸出的控制信號通常是依據某些條件的狀態輸入信號和這些信號的邏輯處理結果。若這些輸入的狀態信號受到干擾，引入虛假的狀態信號，會導致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。

3）數據受干擾發生變化單片機應用系統中，RAM存儲器的數據是可以讀寫的。在干擾的侵害下，RAM中的數據有可能被篡改。程序及表格存于程序存儲器EPROM中，這些數據雖然不容易受到破壞，但是對于內部RAM和外擴RAM中的數據都有可能受到外界干擾而變化。根據干擾竄入的途徑、受干擾數據的性質不同，系統受損壞的情況也不一樣，有的造成數據誤差，有的使控制失控，有的改變程序狀態，有的改變某些部件（如定時器，計數器，串行口等）的工作狀態等。

4）程序運行失常CPU程序計數器的正常工作，是單片機應用系統維持程序正常運行的關鍵[2]。若外界干擾導致程序計數器的值改變，那就破壞了程序的正常運行。由于系統受干擾后，程序計數器的值是隨機的，因而會導致程序運行混亂，通常情況是程序執行一系列毫無意義的指令，最后使系統陷入死循環，這將使輸出嚴重混亂，系統失靈。

2 軟件可靠性和軟件抗干擾的前提條件

2.1 軟件可靠性的的概念

計算機軟件是一系列計算機指令的邏輯序列[3]。軟件可靠性的主要標志是軟件能否真實而準確地實現設計者賦予系統的各種功能和要求。計算機軟件也是系統實行的各項功能的信息組織形式。一個軟件的各程序段之間有著密切的聯系，軟件的運行過程是各程序段間的邏輯組合過程，不同的邏輯組合決定了軟件不同的程序路徑。程序路徑的選擇是由軟件自身確定的，如果軟件在某些程序路徑上有缺陷，那么當程序運行到這里時就會發生錯誤。因此，程序設計人員對工業現場、生產工藝的了解與熟悉程度將直接關系到軟件的編寫質量。從根本上說，提高軟件可靠性的前提條件是設計人員對生產工藝過程的深入了解，并且在編寫軟件時做到軟件易讀、易測和易修改。為了提高軟件的可靠性，應盡量將軟件編寫工作規范化、標準化和模塊化，盡量把復雜的問題劃分成若干較為簡單明確的小問題，把一個大程序分成若干個子程序，這有助于即時發現設計中的不合理因素，同時還要盡量減少循環嵌套、調用嵌套以及中斷嵌套的次數。

此外，軟件的可靠性是通過軟件的可測試性來反映的，軟件設計要易于測試。軟件的可測試性指針對系統是否能比較容易地制定出測試準則，并根據這些準則對軟件的運行狀態進行測定。通常，在設計完軟件或部分程序時，應先讓其在模擬環境下進行靜態和動態仿真運行，以檢驗其正確性和可靠性。在軟件測試中，檢查和測試幾個小模塊要比檢查和測試大程序方便得多。檢驗軟件可靠性的應用軟件是解決軟件可靠性的有力工具。

2.2 軟件抗干擾的前提條件

單片機應用系統的抗干擾措施一般以硬件為主，軟件為輔。硬件抗干擾措施的基本出發點是減小、隔離、衰減干擾信號，使易被干擾的元器件在比較好的環境中工作。這類措施只起到“防”的作用，并沒有從根本上解決自身抵抗干擾的能力。軟件抗干擾措施的出發點是：計算機不僅在正常工作時能充分發揮其智能作用，而且在系統因受到干擾而破壞其正常工作時也應發揮其智能作用。也就是說當系統受到干擾時，系統應立即感知并開始自檢工作，檢查自身系統被破壞的程度和性能等，并進一步進行處理，然后重新啟動，恢復正常工作。如果采用硬件與軟件相結合的方法，充分發揮軟件智能作用，系統本身的抗干擾能力就可以大大增強，可以有效地提高系統的穩定性和可靠性。軟件抗于擾的基本條件是抗干擾軟件不會因干擾而損壞。在單片機測控系統中，程序及其—些重要常數都放在ROM中，這使得抗干擾軟件擁有—個較為穩定的工作環境，為軟件抗干擾創造了良好的前提條件，對于一些在RAM中運行用戶應用程序的微機系統，應用軟件本身的抗干擾能力局限性很大，更主要依賴于操作平臺的穩定性和微機系統的抗干擾性能。

軟件抗干擾的前提條件可以概括為以下幾個方面：

1）在干擾作用下，微機系統的便件部分不會受到任何損壞。

2）程序區不會受干擾侵害。對于單片機控制系統，程序、常數以及表格都應固化在ROM中。但對于上面提到的需要在RAM中運行應用程序的微機系統，則無法滿足這—條件，這種系統一旦因干擾造成運行失常時，只能在干擾過后重新向RAM區中調入應用程序。

3）RAM中的重要數據不能被破壞，或雖被破壞但可以重新建立。在控制系統中，這些數據被干擾破壞后，在實時采樣控制系統中一般都能馬上糾正，因其而引起的系統短期波動往往還來不及表現出來就已經恢復正常。當然，如果在RAM區中有一些不允許丟失的重要數據，那么系統的正常工作就會受到影響。在單片機控制系統中，我們應該盡量避免這樣的軟件編制。

4）軟件抗干擾技術是一種輔助手段，在相當大的程度上硬件抗干擾性能決定著整個微機控制系統的抗干擾性能[4]。控制系統的抗干擾設計從方案階段就應展開，在原理設計、印制板設計、電源設計、傳輸方式等諸多方面加以全盤考慮。例如對于一個雙機遠程串行通訊電路，往往用雙絞帶屏蔽的傳輸線路進行連接，以保證其電磁兼容性和雙機通訊的誤碼串要求。如果將傳輸線換成一般導線并將它們與其他信號線在系統接線時混扎在一起、勢必造成誤碼率的增大。那么在軟件方面是無法從根本上解決問題的。因此軟件抗干擾不是萬能的、它對硬件基礎的依賴性很大。

3 常見的干擾現象及其軟件抗干擾措施

3.1 數據采集誤差

當傳感器的位置與采集或顯示的單片機應用系統相距較遠時，外來干擾就會顯得特別嚴重。在高精度A/D轉換器的電壓測量電路中，常見的干擾有電源電壓窄脈沖竄擾、工頻電網的串模干擾等。這些干擾輕則影響被測信號精度或大幅度扭曲被測信號，嚴重時甚至可能出現可控硅閘鎖現象。所謂可控硅閘鎖現象就是在系統正常使用過程中，A/D轉換器芯片電源電壓驟增，芯片突然發熱，時間一旦過長，芯片被燒壞。出現可控硅閘鎖現象時，只要馬上切斷電源，重新上電后系統又能恢復正常。這種情況發生原因是由于芯片襯底存在著寄生的橫向PNP管和縱向NPN管所形成的可控硅結構，如果輸入的脈沖信號超過了額定值，產生較大的輸入電流時，就會使寄生可控硅導通，使VDD與VSS或與地之間形成直接通路，產生較大的短路電流。要消除這些干擾，首先是從硬件上考慮，例如加強各級的抗干擾措施，避免較大的電流干擾竊入電路，或加強電源穩壓和濾波措施，在A/D芯片電源入口處加退耦濾波電路等。但在實際中不少干擾源是不可能消除的，它們影直接響著輸出信號的線性度或精度，所以利用數字濾波技術以實現模擬濾波器類似的功能被越來越廣泛地采用。比較常用也比較簡單有效的方法有：

1）算術平均值法對一點數字連續采樣多次、計算其平均值，以平均值作為該點采樣結果。這種方法對抑制隨機干擾有一定的效果。如果CPU工作頻率足夠高且能滿足采樣間隔要求，—般取10次左右平均為宜[4]。

2）比較取舍法當測量結果的個別數據存在幅度差時，為了剔除個別錯誤數據，可采用比較取舍法，即對每個采樣值是連續采樣幾次。根據所采樣數據的變化規律，確定相應的取舍辦法來剔除數據。例如對每個采樣點連續采樣3次，取2次相同數據為采樣結果；或對—個采樣點連續采樣多次，并對這些采樣值進行比較，取中值作為該點的采樣結果[5]。

3）一階遞推數字濾波法這種方法利用軟件完成RC低通濾波器的算法，實現用軟件方法代替硬件RC濾波器。一階遞推數字濾波公式為：

其中Q—數字濾波器時間常數；Xn——第n次采樣時的濾波輸入；Yn——第n次采樣時的濾波輸出。

采用軟件濾波對消除數據采集中的誤差可以獲得較好的效果。可以看出，效果越好的數字濾波方法對CPU工作速度的要求越高、在實際應用中采用何種方法，還要根據信號的變化規律和控制方式特性來選擇。

3.2 狀態控制失靈

在單片機應用系統中，控制狀態的輸出一般由后向通道完成。對輸出控制狀態的干擾一般通過以下兩種方式侵入：一是干擾改變了單片機系統輸入條件狀態或邏輯判斷數據，從而使依據某一算法或邏輯處理得出的輸出狀態結果出現誤差，二是控制信號輸出正常。但干擾侵入了后向通道上的主要輸出器件、改變了正常輸出狀態。例如，在—個電磁閥開關量單片機控制系統中，由于電磁閥開閉存在較大的空間干擾，造成輸出狀態鎖存器的自動復位，從而使整個單片機系統經常出現控制失靈或者誤動作。

在實際工作中，首先應從硬件角度考慮如何盡量減少控制對象或輸出方式所帶來的干擾，例如對上面的例子可以增加電源濾波器，在后向通道上增加地線或者隔離光電耦合器，對電磁閥采用屏蔽網屏蔽其空間干擾等措施。正如上面提到過的，硬件措施是不可能完全解決問題的，所以上面的例子最終是通過硬件、軟件兩方面的配合使系統達到高可靠性的目的。

對狀態控制失靈常用的軟件對策主要有：

1）軟件冗余設計[5]對于條件控制系統，將控制條件的一次采樣、處理、控制輸出改為循環采樣，實時刷新控制輸出。這種方法對于單片機開關量控制系統特別有效，它將瞬間偶然誤差在執行器件尚未響應之前及時更正，但對于慣性較小或響應較快的系統則抗干擾作用相對較小一些。

2）設置閉環輸出控制系統對于單片機控制系統，在硬件上設計輸出狀態采集電路，在軟件上設置輸出狀態寄存單元，當干擾侵入后向通道造成輸出狀態破壞時，系統能及時查詢比較實際輸出狀態與寄存單元輸出狀態信息是否一致，并及時糾正輸出狀態。

3）設計軟件看門狗[4]在單片機系統硬件的特定部位或某些內存單元上設狀態標志，在開機運行時不斷查詢測試，系統一旦發現問題，就能自動糾錯復位，以保證系統中信息存儲、運算和傳輸的高可靠性。

3.3 RAM區數據竄改

在干擾侵害下，由于RAM的可讀/寫性，RAM中的數據就有可能發生竄改，使系統不能正常工作。在單片機系統中，片內RAM、外部擴展RAM以及片內各種特殊功能寄存器等狀態都有可能受外來干擾而變化。干擾竄改RAM數據的渠道不盡相同，對于MCS51單片機運用系統，干擾主要通過電源或復位端進入系統引起RAM區數據改變。干擾竄入復位端，在大多數情況下不會造成系統錯誤復位，但會引起內部某些寄存器的錯誤復位。防止RAM區數據被竄改可從硬件、軟件兩方面下手。

硬件方面，由于單片機的復位、直流工作電源都是由硬件電路實現的，所以首先應在硬件上采取相應的措施，如增加電源濾波器等。對于RESET端干擾，為了保證復位電路可靠地工作，除了在RESET復位引腳上接一個去耦電容，常將RC復位電路接斯密特電路（如74HCl4）后再接入單片機復位端和外圍電路復位端。斯密持電路的滯后特性對脈沖整形、濾除干擾有較好的效果，所以特別適合應用于現場干擾大、電壓波動大的工作環境，并且當系統有多個復位端時，能保證可靠地同步復位。

軟件方面，因為復位端竄擾改變的往往是單片機內特殊功能寄存器（SFR）的狀態，所以在軟件編制上應盡量做到實時刷新，另外對于一些特別重要的RAM區數據。可以增加EEPROM等可讀寫ROM加以保存，實時查詢對比RAM數據，—旦發現錯誤立即從EEPROM中讀出正確數據予以糾正。在實際應用系統中，還要針對控制對象和控制方式考慮EEPROM的讀寫周期是否滿足系統工作頻率的要求。

3.4 程序跑飛

程序跑飛是因為系統在干擾侵害下改變了程序計數器PC指針值，破壞了程序正常運行。如果PC值超出應用程序區，將非程序區中的隨機數作為指令代碼運行，這種程序的盲目運行叫做程序“跑飛”。程序“跑飛”往往會破壞數據區及工作寄存器中的數據，造成系統工作紊亂，直至程序進入死循環，導致系統死機。解決程序跑飛的基本思想是及時發現、及時復位。通常采用的方法有：

1）軟硬件看門狗[4-5]這是微機控制系統常用的一種方法，電路設計形式也多種多樣，主要思想是在程序正常運行時不斷對看門狗電路進行刷新，使其計時重新開始，刷新頻率視具體情況而定，一旦程序失常不能正常刷新看門狗時，則該電路立即給RESET復位端一個復位電平，強制系統硬件復位。

自監視法是單片機系統自己對自己的運行狀態進行監視。某些類型的單片機CPU內部具有Watchdog（程序運行監視系統），俗稱為“看門狗”。例如Inter8098，80198系列，就可以方便地通過設定Watchdog工作方式以及采用合適的軟件編程相配合來達到自監視目的。而沒有Watchdog的CPU，例如Z80，8051系列等，當然也可以通過外加Watchdog電路，再配以軟件完成自監視目的。這種軟硬結合的自監視法可以大幅度提高工控機的抗干擾能力。

Watchdog具備以下功能：①該系統能獨立工作，基本不依賴CPU；②CPU在一個固定時間間隔內與該系統打一次交道，表示目前尚工作正常；③當CPU掉入死循環時，該系統及時發覺并使系統復位。如果Watchdog電路設計得好，并且軟件也編制得好的話，不但可以及時發現程序“跑飛”，而且還可以實現跑飛程序修復。這是最好的自監視手段。然而，這并不等于萬無一失。例如：①Watchdog電路本身失效；②設置Watchdog的指令正好在取指令時被干擾而讀錯；③Watchdog發現程序跑飛之后，其產生的復位脈沖或者INM申請信號正好被干擾而未奏效等。

雖然以上導致Watchdog失效的因素發生幾率很小，但總是存在的；另一方面，還有相當數量的工業控制計算機沒有Watchdog電路。這兩種情況可用設置軟件陷阱或監視定時器法來解決程序跑飛問題。

2）設置監視定時器檢查程序計數器的PC值是否在程序區，通常采用的方法就是定時中斷法。所謂定時中斷法，就是利用定時中斷監視程序運行狀態，即在一個經常產生外部中斷的某個定時中斷服務程序中讀取轉入該中斷時壓入堆棧的斷點地址。如果該地址在程序區內，則認為PC值正常，否則認為程序一定“跑飛”。定時器的定時時間一般稍大于主程序正常運行一個循環的時間，可視機器的繁忙程度和重要性設定，通常為幾個毫秒到幾十毫秒。定時器在主程序運行過程中執行—次定時時間常數的刷新操作，程序正常運行時，定時器不出現中斷；當程序失常不能刷新定時器時間常數則產生定時中斷，執行中斷程序，并在中斷程序中判斷系統是硬件復位還是定時中斷產生自動復位，然后得出相應的處理方法，使系統恢復正常。該方法的局限性是不能查出PC值是否在程序區內（即此時PC值雖受干擾卻并沒有超出程序區）的亂跳，而是錯位執行指令而構成一些莫名其妙的操作或者陷入死循環。

以上討論的兩種方法都是建立在工控機能正確運行全部或部分程序基礎上，有時一個意想不到的干擾，中斷或破壞了所有程序的正常運行，此時PC值可能在程序區內，也可能在程序區外，要使其能夠自己恢復正常運行，只有依賴于廣布“陷阱”的方法了。

3）設置軟件陷阱[6]這里所謂的軟件“陷阱”，是指某些類型的CPU提供給用戶使用的軟件中斷指令或者復位指令，它能強行地將捕獲到的程序引向另一個新的指定地址，在那里有一段對程序出錯時進行處理的專用程序。如果把這段程序的地址稱為ERROM地址，軟件陷阱即為一條LJMP ERROM指令，為加強其捕獲能力，可在其前面加兩條NOP指令作為冗余指令。軟件陷阱一般安放在非程序區，包括未使用的中斷向量區、未使用的大片程序存儲器空間及各種表格的最后位置。程序區是由一系列執行指令構成的，一般不能在此指令串中任意安排陷阱，否則正常執行的指令也會被抓走。但是在跳轉指令、調用指令、返回指令等之后，程序會有一些斷裂點，正常程序到此便不會繼續執行，這時CPU的PC的值應正常跳變，從而使其轉向其他入口位置。如果跑飛來的程序落到斷裂點或其前面的指令操作數上，程序就會超過斷裂點繼續執行，就必定出錯了。如能在該處設置陷阱，則可有效地捕捉到它，不會影響正常執行的程序。由于軟件陷阱均安排在正常程序執行不到的地方，故不會影響程序的執行效率。陷阱不但需要在ROM的全部非內容區、RAM的全部非數據區設置，而且要在程序區的模塊之間廣泛布置。一旦機器程序“跑飛”，總會碰上“陷阱”，立即就可以“救活”系統。

4 結束語

在單片機應用系統中，系統的可靠性問題越來越受到人們的普遍重視。實踐表明，硬件技術和軟件技術是提高單片機應用系統抗干擾能力的有力措施。軟件抗干擾技術作為硬件抗干擾措施的輔助手段，具有簡單、靈活方便、耗費硬件資源少等特點，在設計單片機應用系統中獲得了廣泛的應用。目前人們對軟件可靠性的研究還處于起步階段，為了適應和解決工程應用中的實際問題，現在采用的對策是將其看成一個系統的抗干擾問題來解決。在實際應用中，應針對各類單片機測控系統的特點、被控對象的性質以及工業現場環境，充分考慮各種因素的影響，并在設計中采取一定的軟硬件抗干擾措施，使系統滿足既定的測控要求，又能保證其長期穩定可靠地工作。

[1]李正軍.計算機測控系統的設計與應用[M].1版.北京：機械工業出版社，2004.

[2]胡漢才.單片機原理及其接設計[M].2版.北京：清華大學出版社，2004.

[3]Simon P，Baumann A，Roscoe T，et al.30 seconds is not enough:a study of operating system timer usage[C]//Proceedings of the 3rd ACMsigops/Eurosys.European conference on computer systems 2008.Glasgow，Scotland UK，New York，NY，USA:ACM，2008:205-218.

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