单片计算机系统抗干扰的软件途径

2.3 重复执行

程序指令在执行的过程中或者保持（锁存）之后，都有可能被噪声修改而导致控制失效乃至引发事故，为此应当尽量增加重要指信纸的执行次数以纠正干扰造成的错误。对于频率较低的传感器数据，建议在有效时间内多次采集并比较；对于控制外部设备的指令，则需要多次重复执行以确保有关信号的可靠性。为达此目的，可把重要的指令设计成定时扫描模块，使其在整个程序的循环运行过程中反复执行。如此即使干扰信号改写了指令内容，也能在受控设备的反应时间内自动恢复正常。

2.4 重要数据的保护和恢复

编写专门的数据保护子程序，是提高工控微机系统可靠性的有效途径。在编写程序的过程中，对于由指令改变结果性质的数据，可以考虑在每次改变后都尽可能地保护起来，以便在需要时能够恢复正确值。对于大多数工控微处理机而言，在运行错误而强制“复位”之后，I/O端口和特殊寄存器SFR中的内容都将变成芯片出厂时的设定值[4]，这很可能会引起整个系统的运行混乱。因此计算机在重新启动后，应当首先执行数据恢复程序，把控制端口等重要寄存器被保护的内容恢复还原。基于前述的试验结果，保护数据最可靠的地址位于微处理机的片内 RAM；若数据的保护量较大，则建议扩展非易失性的SRAM作为片外数据存储器。这种新型芯片具有很高的抗干扰性能，其缺点是目前的价位较高。

3 片内软WDT监控

“看门狗”（WDT）已经成为工控微机必不可少的成员之一，其通常采用软件与片外专门电路相结合的技术，来防止CPU程序的“跑飞”。我们在课题的研究过程中注意到，利用微处理机内部闲置的定时/计数器，配合以适当的程序就可以方便地构成WDT，在PC异常时能够及时有效地强制“软复位”而恢复系统的正常运行。

3.1 基本原理

与前面提及的软件补偿措施相配合，此WDT可以有效地防止由于CPU的PC“飞出”正常运行的程序区域而导致的系统瘫痪。用微处理机片内的一个定时器单元接收内部时钟提供的稳定脉冲，当此定时器溢出（加法型）或者为零（减法型）时提出中断请求；对应的中断服务程序使PC回到初始化程序的第一行，从而实现强制性“软复位”。程序正常运行时，软件每隔一定的时间（小于定时器的溢出周期）给定时器清零或置数，即可预防溢出中断而引起的误复位。

3.2 设计示例

下面以常用的MCS-51系列单片机的T0为例，介绍软WDT的设计思路。

首先，在初始化程序块中设置T0的工作方式，并开启其中断和计数功能。设主频为12MHz，T0为8位计数器，则：

最大计数值为（2的8次方）=255

计数速率是主频的1/12（1次/μs），故：

溢出周期为（255+1）÷1=256μs

其次，计算各条指令的执行耗时，以适当的间隔设置T0=0。由于MCS-51系列单片机的指令集中只有“乘”、“除”两条指令耗用4个机器周期，其它均只耗用1～2个机器周期，为保险起见简化为“每条指令均耗用2个机器周期”，即每执行一条指令耗用2μs。据此可以推算出“清零定时器T0”的指令执行间隔应当少于：

256÷2=128（条）

即每执行不多于128条程序指令（计入多次循环执行的指令），就应当执行一条清零T0的指令，以防止软复位被误执行。

第三，设计T0溢出所对应的中断服务程序。此子程序只须一条指令，即在T0对应的中断向量地址（000BH）写入“无条件转移”命令，把PC拖回整个程序的第1行，对单片机重新进行初始化并获得正确的执行顺序。由于这条中断指令并没有结束中断子程序就转出去了，为了能够继续响应其它的中断请求，可以在程序的初始化功能块中把SP定高2字节，在此2字节中写入“中断返回”（RETI）之后应执行指令的地址，以便RETI执行后自动弹栈装入PC，并在初始化程序结束前写上RETI指令。

在工业控制系统的研制过程中，微机的抗干扰性能是系统成败的关键之一。数十年来，人们已经研究出了许多抗干扰的硬件措施，包括采用净化电源、接地、屏蔽、光电耦合、数据滤波及延时除颤等等。本文针对微处理机易受干扰的部件提出了软件抗干扰的一些方案，实用表明具有较高的经济性和可靠性，很容易将结合进行工业控制程序之中，不失为一类简便而有效的抗扰手段。