单片机软件控制系统抗干扰设计分析

杜卫平 新疆轻工职业技术学院

单片机软件控制系统抗干扰设计分析

杜卫平 新疆轻工职业技术学院

不同的单片机系统都是完整而独立的，有自己的特点和要求。对于硬件和软件抗干扰设计上，都体现出自己的特色。本论文针对无线电射频干扰展开探讨，同时也对交流电路工频干扰等主要的干扰源和干扰方式进行研究，以硬件抗干扰措施为基础，软件抗干扰技术起到补充作用。关于软件抗干扰所采取的措施，先要对测量对象有较全面的了解，并对干扰因素进行探讨，在此基础上还要考虑到系统的特殊性，制计出有效的抗干扰方案。

单片机 控制系统 干扰设计

1 干扰对单片机应用系统的影响

1.1 测量数据误差加大

如果干扰因素侵入到单片机系统之中，并且进入到测量单元模拟信号输入通道，与测量信息发生叠加，导致数据采集的难度加大，出现各种误差，尤其是在对微弱信号进行检测时，如果干扰信号过强，而测量信号过弱，则会导致测量被淹没的情况发生。

1.2 控制系统失灵

单片机输出的控制信号存在这种现象，通常情况下会对处于某些条件的情况下，对于输入信号以及对信号的逻辑入理结果过于依赖。如果输入状态信号被干扰，有虚假状态的信息介入其中，则会出现输出控制误差加大的情况，严重时会导致控制失灵。

1.3 影响单片机RAM存储器和E2PROM的问题

从单片机的具体运作情况展开研究，在程序存储器EPROM或FLASH中，程序和表格、数据等都存于其中，采取这种模式可以使数据的独立性得以保障，不受其它因素的干扰。主要问题集中片内RAM、外扩RAM、E2PROM中所需数据，容易受到外界干扰而发生变化。

1.4 程序运行失常

如果外界的干扰过强，会导致机器频繁复位，对程序正常运行产生不利影响。如果外界干扰较为严重，导致单片机程序计数器PC值被改变，而且PC数值改变具有随机性，程序会对一些无意义的指令做出反应，因此进入到死循环状态，程序进入混乱状态。

2 单片机软件系统抗干扰设计分析

2.1 指令冗余

从CPU取指令的过程来看，需要先取操作码，然后再提取操作数，同时还要把单字节指令插入到程序关键之处，对于有效单字节指令重写，称之为指令冗余。在一般情况下，对于双字节指令和三字节指令要进行插入操作，在指令后插入两字节或更多的NOP指令。NOP指令属于窄操作，由于NOP的存在，可以避免后面指令被错误执行的情况发生，为程序步入正规奠定基础。另外，一些指令对系统流向产生影响，在具体操作时在此类指令之后可以插入NOP指令，数量以二条为宜，可以使跑飞程序被纳入正轨之中，使此类指令得到更好的执行。指令冗余的主要功能在于使CPO正确对待操作数，避免出现把操作数当做操作码，导致执行错误的情况发生，但是却无法改变错误，为了使程序错误执行方向的问题得到纠正，需要采用下面的技术。

2.2 设计软件“陷阱”

在通常情况下，程序存储器存在未使用的EPROM空间，没有填入窄操作指令NOP，最后再填入一条跳转指令，可以跳入到跑飞的处理程序之中，或者选择把LJMP 0000H指令直接填入，如果跑飞的程序出现在此区域，则会得到调整，虽然会执行一段空操作，但这种错误不会持续很久，最后会转入正轨。如果EPROM具有较大的空间，大部分没有使用，在操作时可以采取均匀填入的形式，把几条空操作指令置于其中，并纳入跳转指令。即形成“软件陷阱”。

经过研究可以确定软件陷阱结构如下：

NOP

NOP

LJMP FLY

其中FLY作为跑冰处理的子程序承担着重要职责，如果程序处于正常运行状态，则软件陷阱无需执行，但是如果程序发生跑飞，同时还要落入陷阱之内，软件陷阱则会进入工作状态，使跑飞的程序发生跳转，重新进入正常轨道。如果程序跑飞后并未落入陷阱之中，程序会执行一段错误操作，然后遇到软件陷阱，并被转入到正轨中来。在程序存储器的空白区域设置软件陷阱，还要把陷阱设置在程序结尾处。如果数据表较大，为了保障正常运行，在数据中间位置也要设置软件陷阱，即使程序跑飞到数据区，也会被重新纳入正轨。如果程序有较大的存储空间，在两个子程序之间设置软件陷阱可以取得较好效果。遇到使用中断后，受干扰的影响而开放的情况，如果所对应的中断服务程序中有软件陷阱的存在，可以及时处理错误的中断。关于软件陷阱的数量问题，要根据干扰的情况而定，还要充分考虑到存储器的容量，如果软件陷阱太少，则难以实现有效的跑飞拦截，但如果陷阱设置太多，导致大量的程序存储空间被占用，同样不利于系统的正常运转。

2.3 软件“看门狗”技术

程序发生跑飞的情况比较普遍，在进行错误操作之后，会进入到“死循环”状态，发生死机。而解决此问题的可以采用“软件看门狗”的技术，可以使程序恢复正常。软件看门狗技术的原理并不复杂，即对程序的运行时间进行检测，如果发现程序循环时间过长，不受最大循环运行时间的控制，即可做出判断，即程序进入到“死循环”状态，需要采取有效的处理措施。从实际操作来看，采用定时中断服务程序和定时检查主程序的运行情况的方式。在工业实践中，如果干扰过于严重，会使控制字被中断，中断被关闭，看门狗也随之失去功效。在这种情况下采用环形中断监视系统效果较为理想。

“看门狗”的抗干扰性能较强，结构是环形的，使系统的可靠性得以提升。软件“看门狗”正常运行需要有定时器装置，在实际操作中，可以看到在很多控制程序中都需要定时器，由此可知定时器属于紧俏资源，由于这个原因导致使软件“看门狗”的使用受限。为了解决此问题，软件可以与其它程序共同使用一个定时器，定时功能与“看门狗”功能实现兼顾。

2.4 检查RAM区标志数据，发现并处理严重干扰

这是一种有效的方式，在RAM区中选择几个固定单元，并设置其为固定的数据，即程序处于正常运转状态，单元的内容则保持不变。如果程序发生跑飞，或者受到各种因素的干扰，则会导致RAM中的数据出现变化，说明单片机已处于干扰之下，无法正常运行。在程序运行时，我们要对RAM单元的内容进行检查，如果发现数据出现变化，要立即采取措施，执行LJMP 0000 H语句，完成单片机的复位操作。

2.5 刷新输出端口

如果单片机系统处于严重的干扰状态之下，甚至对输出端口的状态产生影响，在程序操作时，以相关程序模块运算结果对输出端口进行刷新操作，可以解决干扰的影响，使输出端口恢复正常。

2.6 进行多次输入采样

如果干扰过于强烈，会对单片机的输入信号造成不利影响，导致输入信号瞬间采样出现误差，或者出现误读的情况，为了把干扰的不利影响降到最低，可以进行重新采样，利用加权平均的方法解决该问题。

电子技术和微型计算机发展迅速，对微型计算机控制技术的发展起到积极的推动作用，在更多的领域得到广泛应用。尤其是中小规模的单片机控制系统具有较高的实用价值，智能机电一体化产品在工业生产和日常生活中充分发挥作用，应用更加广泛。要注意的是在进行单片机控制系统的设计和开发时，要提升设备自动化程度，使之更具智能性，但同时也要把控制系统的稳定性放在重要位置，使控制系统的优越性得以发挥。

[1]陈小波,秦付军.单片机控制系统抗干扰设计研究[J].军民两用技术与产品,2016(10)

[2]王雅雪.单片机控制系统抗干扰设计研究[J].数字化用户,2013(15)