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单片机软件三重监视抗干扰技术

  应用于工业过程控制和智能化仪器仪表的单片机,由于现场条件往往十分恶劣,不可避免地会受到各种各样的电磁干扰。当串入系统的干扰作用于单片机内部的CPU部件时,后果更加严重,将导致系统失控。最典型的失控故障是破坏程序计数器PC的状态,导致程序在地址空间内“乱飞”,或者陷入“死循环”。因此,尽可能早地发现程序失控,并采取相应的补救措施,是单片机应用系统抗干扰设计的重要内容。
  使程序从“乱飞”状态纳入正轨的方法称为程序拦截技术,包括指令冗余技术、软件陷阱技术等。使程序摆脱“死循环”,通常多采用硬件电路实现的监视技术,又称“看门狗”技术(Watchdog)。常见的硬件“看门狗”电路有单稳态型“看门狗”电路、计数器型“看门狗”电路、微处理器监控专用芯片等。上述的抗干扰方法可参阅有关资料文献。本文将讨论由软件实现的“看门狗”技术。
  由硬件电路实现的“看门狗”技术,可以有效地克服主程序或中断服务程序由于陷入“死循环”而带来的不良后果。但在工业应用当中,严重的干扰有时会破坏中断方式控制字,导致中断关闭,这时一般的硬件“看门狗”将不能使中断恢复正常。依靠软件进行多重监视,可以弥补上述不足。
  软件“看门狗”技术的基本思路是:在主程序中对中断服务程序的运行进行监视;在中断服务程序中对主程序的运行进行监视;采用两个中断实施相互监视,称之谓软件三重监视抗干扰技术。从概率观点,这种相互依存,相互制约的抗干扰措施,将使系统的可靠性大大提高。
  本文以MCS-51单片机为例,说明软件三重监视的基本原理。系统软件包括主程序、T0定时中断子程序和T1定时中断子程序3部分,将T0设计成高级中断,T1设计成低级中断,从而形成中断嵌套。
  1 主程序监视过程设计
  主程序完成系统测控功能的同时,还要监视T0中断服务程序因干扰而引起的中断关闭故障。A0为T0中断服务程序运行状态的观测单元,T0每发生一次中断,A0计数单元少一次中断(T0定时溢出时间小于测控功能模块运行时间),引起A0的变化。在测控功能模块的出口处,将A0值与E0值进行比较,以判断A0是否发生变化。若A0发生变化,说明T0中断运行正常;若A0不变化,说明T0中断关闭,则转到程序入口0000H处,进行出错处理后,程序恢复正常运行。
  设A0、E0、M计数单元分别为内RAM中的30H、40H和50H单元,监视程序如下:
  loop1:MOV  50H, #00H; 清M单元
  MOV 40H, 30H ;暂存A0单元
  …; 测控功能模块
  CLR C
  MOV A, 30H
  SUBB A, 40H; 判断A0变化
  JZ loop
  MOV 30H, #00H
  LJMP loop1
  loop:LJMP 0000H
  2 T1中断服务程序监视过程设计
  T1中断服务程序在完成特定测控功能的同时,还要监视主程序的运行状态。在中断服务程序中设置一个主程序运行计时器M1,T1每中断一次,M便自行加1。M中的数值与T1定时溢出时间之积表示时间值。若由M表示的时间值大于主程序的运行时间,说明主程序因干扰而陷入了“死循环”,T1中断服务程序便修改断点地址,返回0000H,进行出错处理。若M不大于主程序运行时间,说明主程序运行正常,中断服务程序也正常返回。M单元在系统主程序运行中循环清“0”。
  设单片机晶振频率为6MHz,T1以工作方式1产生2ms的定时中断,则T1的计数初值为:
  (216-N)×2×10-6=2×10-3
  N=64536D=FC18H
  主程序的最大循环时间为200ms,T取值应不小于64H,可取68H。A1为T1中断程序运行状态监测单元,取内RAM 31H单元,M仍取50H单元,60H、61H为暂存单元,则T1中断监视程序如下:
  PUSH  PSW       ;保护现场
  PUSH ACC
  MOV TH1, #0FCH    ;T1置初值
  MOV TL1, #18H
  INC 31H     ;A1单元加1
  INC 50H ;M单元加1
  CLR C
  MOV A,#68H
  SUBB A,50H ;T≥M?
  JC loop
  …     ;中断测控程序
  POP ACC ;恢复现场
  POP PSW
  RETI  ;返回
  loop:POP  ACC       ;恢复现场
  POP PSW
  POP 60H ;原断点弹出
  POP 61H
  MOV 60H,#00H ;断点修改为0000H
  MOV 61H,#00H
  PUSH 60H
  PUSH 61H
  RETI    ;返回
  3 T0中断服务程序监视过程设计
  T0中断的功能是监视T1中断服务程序的运行状态。由于T0中断服务程序较短,因干扰而引起的“死循环”的几率很小,重点考虑中断关闭故障。A1、B1为T1中断运行状态观测单元。A1的初值为00H,T1每中断一次,A1便加1,T0中断服务程序中若检测到A1>0,说明T1中断正常;若A1=0,则B1单元加1(B1的初值为00H),若B1的累加值大于Q,说明T1中断失效,失效时间为T0定时溢出时间与Q值之积。例如:T0的定时溢出时间为4ms,T1的定时溢出时间为2 ms,当Q=5时,说明允许T1的失效时间为20 ms,在这样长的时间内,T1并没有发生中断,说明T1中断发生了故障。由于T0中断级别高于T1中断级别,所以T1的任何故障(如死循环、中断关闭)都会由T0检测出来。T0中断服务程序一般很短,发生“死循环”的几率很小。
  设单片机晶振频率为6MHz,T0以工作方式1产生4 ms的定时中断,则T0的计数初值为:
  (216-N)×2×10-6=4×10-3
  N=63536D=F830H
  设计数单元A0、A1、B1分别为内RAM 30H、31H、32H,Q=5,60H、61H为暂存单元,则T0中断监视程序如下:
  PUSH   PSW     ;保护现场
  PUSH ACC
  MOV TH0,#0F8H ;设T0初值
  MOV TL0,#30H
  INC 30H ;A0加1
  MOV A,31H ;A1单元判0
  JZ loop1
  CLR A     ;清A1、B1单元
  MOV 31H,A
  MOV 32H,A
  loop0:POP ACC ;恢复现场
  POP PSW
  RETI  ;返回
  loop1:INC 32H ;B1加1
  CLR C
  MOV A  ,32H;B1≥Q?
  SUBB A,#05H
  JC loop0
  POP  ACC    ;恢复现场
  POP PSW
  POP 60H ;原断点弹出
  POP 61H
  MOV 60H,#00H ;修改断点0000H
  MOV 61H,#00H
  PUSH 60H
  PUSH 61H
  RETI
  当系统受到干扰后,主程序可能发生“死循环”,中断服务程序也可能陷入“死循环”,或因中断方式字的破坏而关闭中断。主程序的“死循环”可由T1中断服务程序监视;T1中断服务程序的“死循环”和中断关闭故障由T0中断服务程序监视;T0的中断故障可由主程序监视。由于采取了三重软件监测方法,大大提高了系统运行的可靠性。

[来源:http://www.shandong-china.com/ [作者:admin [日期:12-11-09] [热度:]

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