软件抗干扰技术及其在单片机上的应用

1 引 言
微机测控系统中，对软件有以下几个方面的基本要求：
　　(1)可维护性：要求尽可能地采用模块化设计，程序流程清晰明了，限度地控制使用和调用嵌套次数；
　　(2)可理解性：软件源代码应注意加注提示内容，一般应不少于整个代码行数的60％，使其易于理解和阅读，便于修改和补充；
　　(3)实时性：随着集合度和运算速度的提高，实时性已经成为测试系统对软件的普遍要求，在工程应用软件设计中，采用汇编语言要比采用语言更具有实时性；
　　(4)准确性：系统要求在进行大量运算时，要选取合适的算法，以便控制结果的；
　　(5)可靠性：可靠性是测控软件重要的指标之一，他要求两方面的内容：一方面是运行参数环境发生变化时(如电压在规定范围内出现较大波动)，软件都能可靠运行并得出正确的结果，也就是软件的自适应性；另一方面是在工作环境恶劣，干扰环境复杂严重的情况下，软件必须保证可靠运行，这对测控软件尤为重要。为了保证以上两方面的要求，就必须使用多种抗干扰技术。

2．1 简 介
　　软件抗干扰技术是当系统受干扰后，使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪存真的一种辅助方法。此技术属于一种被动抗干扰措施，但是由于软件抗干扰设计灵活，节省硬件资源，操作起来方便易行，所以软件抗干扰技术越来越受到人们的重视。
软件抗干扰技术主要研究的方面：
　　(1)采取软件的方法对叠加在模拟输入信号上的噪声进行抑制，以读取真正有用的信息，如数字滤波器；
　　(2)在程序受到干扰"跑飞"的情况下，采取措施使程序回到正常的轨道上来，常见的抗干扰技术有：软件拦截技术(软件陷阱等)；输人口信号重复检测方法；输出口数据刷新；数字滤波；
　　(3)程序具有自检功能。

2．2软件拦截技术

2．2．1 NOP指令使用
　　单片机中容易受到干扰的是内部程序计数器--PC的值，当受到干扰时，PC值被改变，CPU误将程序从正确位置跳转到无意义区域，导致程序运行出错。
　　目前常用的方法是在对程序走向有重要作用的指令(RET，LCALL，SJMP，JC，LJMP，ACALL等)之前加人2～3个单字节的NOP指令，当失控的程序遇到该指令后得到调整，使接下来的程序得以正常执行。从实际使用过程中总结可知，应尽量多的使用NOP指令，而且发现NOP指令成对使用时，能起到比较满意的抗干扰效果。

2．2．2 软件陷阱
(1)未使用的中断区
　　对于未使用的中断源因干扰而开放，从而直接影响软件的正常工作的中断源，采用的方法一般是在对应的中断服务地址入口处设置软件陷阱，使其跳转到程序入口，通常的软件陷阱设置如下面的程序： 0RG 0003H

LJMP 0000H ；主程序入口
　　而在实际使用中，此种处理方法并不合适，特别是在系统联试中，突然重新执行程序的情况应尽量避免。实际处理应该是让其进入一个信息处理程序，并显示相关信息。这样做既可以使程序捕捉到错误的中断后，及时离开，又可以根据相关信息快速定位便于试验顺利进行。

　　如程序所示，只有定时器T0中断开放，对于可能影响程序的中断，如外部中断、定时器T1中断，在其中断地址人口，均加上了软件陷阱，使其跳转到ER38这个故障处理程序，从而避免程序的"跑飞"，也便于判断程序的走向。
(2)未使用的EPROM空间
　　当装载软件程序的存储芯片为27C64，其地址空间为0000H～1FFFFH，一般程序很少能够用完，可填充"FF"。而FFH是MOV R7，A的机器码，当程序乱入非程序区后，不仅无法转入正轨，而且还会破坏R7的内容，因此在实际使用过程对未使用的EPROM空间应全部填充为"0"，因为程序复位入口地址为0000H，当"跑飞"的程序指针跳至无程序处，可以让其重新指向主程序入口，可以起到防"跑飞"的功能。
(3)程序区
　　为了保证可靠的运行，以及一旦发生"跑飞"，不但使其有出口而且便于判断，实际应用中在整个程序中设置了若干软件陷阱，当程序进入陷阱后，让其强制进入一个指定地址执行一段专门对程序出错进行处理的程序。通过试验验证和使用中的经验总结，在外场软件编写中，软件陷阱的设置，主要是在正常的程序流程中，在认为较为重要的程序段中，随机设置若干个故障信息显示程序区，一方面是完成正常的故障信息的显示，另一方面就是在程序"跑飞"的情况下，通过故障信息的显示，可以快速判断"跑飞'，的程序段，从而使程序步入正轨。程序流程如图1所示。
2．2．3 输入口信号重复检测方法
　　对于重要开关量输入信号的检测，实际应用中一般采用3次或5次重复检测的方法，即对接口中的输人数据信息进行重复进行3次或5次检测，若结果完全一致则认为是"真"的输入信号，若多次测试结果不一致，即可以停止检测显示故障信息，又可以重复进行再检测。
　　对于软件测量而言，输入量干扰大多数是叠加到有效信号上的一系列作用时间短的尖脉冲，但是频率不一致，因此应在相邻的检测之间应有一定的时间间隔。理论上可以是等时间段的，而在实际使用过程中，由于外部环境比较复杂，等时间段只能滤除某个频段的干扰，为了滤除尽可能多的干扰，间隔时间应为不等的时间段，但是对数据影响较大的尖峰，通过观察其波形可知，其作用的时间宽度在几十到几百μs之间，所以把滤波时间限定ms级上。在经过使用和验证，此方法可以有效地保证软件可靠运行。需要注意的是，对于软件时序要求比较严格场合，延时查询时间不宜过长，查询次数一般以3次为宜。

2．2．4 输出端口数据刷新

　　开关量输出软件抗干扰技术主要采用的方法是重复输出，这是提高输出端口稳定性的有效措施之一。外场设备的微机系统为51单片机系统，采用了8155，8255可编程I/O扩展芯片，理论上只在上电启动时，进行初始化即可。但是在实际使用中发现，由于干扰等原因，可使芯片的工作控制字遭到破坏，从而使系统输入输出状态混乱的情况时有发生，因此，在读取重要信号之前，先对8155，8255进行初始化操作，通过一段时间软件运行，稳定度大大提高，但是状态混乱情况仍有发生，经过分析数据特点和系统要求后，认为8155、8255允许多次设置状态字、控制字等，而且对系统并无不良影响。因此，在实际应用中，用到8255和8155之前均首先进行初始化操作，然后再进行状态的读取和写入。通过长时间试验和联试，不再出现此类问题，软件运行稳定可靠。另外应注意，在重复设置8255，8155芯片时，一定要将其工作方式、控制字一起设置，方可确保软件可靠工作。

2．2．5 数字滤波
　　为了克服干扰对A/D转换结果的影响，可根据情况采取相应的数字滤波技术。数字滤波的方法很多，如有中值滤波法、平均值滤波法等，经过对不同滤波法的实际使用和试验验证，认为采用防脉冲干扰平均值滤波法，抗干扰效果比较明显。
　　普通的平均值滤波，在干扰十分严重的场合，所得到的平均值中干扰的成分仍比较大，不易消除由于脉冲干扰而引起的误差。而防脉冲干扰平均值滤波是在采集的N个数据中，去掉数据中的值和值，然后计算N-2个数据的算术平均值。在实际应用中，此法主要是用在AD值的检测上，由于外场设备中AD采集值判定，直接影响此设备能否投入使用，所以对所采AD值的可靠性要求高，采用此滤波法后，通过仿真可以清楚看出，在某些特定的情况下，AD采集值波动较大，但此法可以有效地避免了CPU对采集值的误判，使软件得以可靠运行。
　　此程序完成的主要功能是调用A/D测量输入子程序ACD，将循环采集的6个AD值，放在70H至75H的寄存器中，RO为记录采集次数，70H和75H分别放置值和值，去除值和值后，将其余4个值求算术平均数，以得到的值为终AD采集值放在68H寄存器中。
2．2．6 程序自检

　　程序自检是提高测控软件可靠性的有效方法之一。在实际应用中，自检程序主要是对单片机系统的主要器件如8031的I/O口、外部扩展的可编程I/O接VI芯片、A/D器件、ROM器件等进行检测，如出现故障能够给出故障部位。因此自检程序不但可以了解与测试相关外设的工作情况，而且可避免因外设原因而使测控系统不能正常工作的干扰。

3 结 语
　　在采取以上所述的多种软件抗干扰技术，经过外场的沙尘、云雪的考验和干扰复杂、严重的环境下验证，完全可以保证软件可靠运行。但是同时需要说明的是，软件抗干扰技术只是被动的方式，只有在硬件没计合理的情况下，使用适当的抗干扰技术，才能更有效地保证软件可靠地工作。