| 引 言
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾具體可分為軟件和硬件兩方面,其中,軟件抗干擾以其設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省硬件資源、降低成本等優(yōu)勢越來越得到廣泛采用。軟件抗干擾技術(shù)主要有“指令冗余技術(shù)”、“軟件陷阱技術(shù)”、“軟件看門狗技術(shù)”、“數(shù)字濾波技術(shù)”等。本文就軟件陷阱技術(shù)對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾的原理與具體實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行探討和研究,給出實(shí)現(xiàn)軟件陷阱技術(shù)的兩種形式,并將該技術(shù)成功地使用在多個(gè)實(shí)際的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 1 程序跑飛和軟件陷阱技術(shù)概述
程序正常運(yùn)行時(shí),程序計(jì)數(shù)器PC始終指向正在執(zhí)行的這條指令的下一條指令的第一個(gè)字節(jié)的程序存儲器單元地址,這樣就保證了單片機(jī)能夠正確地讀取每一條指令的各個(gè)字節(jié),即CPU先讀取操作碼,再讀取操作數(shù)(如果有操作數(shù)字節(jié)的話)。在MCS-51系列單片機(jī)中,程序計(jì)數(shù)器PC的尋址范圍是0000H~FFFFH,共64 KB。用戶應(yīng)用程序中,根據(jù)系統(tǒng)要求,規(guī)定了程序運(yùn)行的惟一路徑。這體現(xiàn)在系統(tǒng)上電后,程序計(jì)數(shù)器PC有唯一的變化歷程,保證了程序正常、有序地運(yùn)行。程序跑飛是指系統(tǒng)受到某種干擾后,程序計(jì)數(shù)器PC的值偏離了給定的唯一變化歷程,導(dǎo)致程序運(yùn)行偏離正常的運(yùn)行路徑。程序跑飛因素及后果往往是不可預(yù)計(jì)的。
在很多情況下,程序跑飛后系統(tǒng)會進(jìn)入死循環(huán)而導(dǎo)致死機(jī)。這時(shí),應(yīng)采取有效措施引導(dǎo)跑飛的程序盡快退出死循環(huán)并迅速復(fù)位。實(shí)踐證明,軟件陷阱技術(shù)能有效引導(dǎo)跑飛的程序盡快退出死循環(huán)并迅速復(fù)位。 2 兩種軟件陷阱技術(shù)的比較分析
當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的CPU受到干擾時(shí),不良影響的主要形式有：①非正常修改程序計(jì)數(shù)器PC指針;②改寫可編程輸出端口的狀態(tài);③非正常修改重要數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)。以上三個(gè)方面的不良影響會使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序失控,控制狀態(tài)失靈,其后果是非常嚴(yán)重的,它甚至?xí)瓜到y(tǒng)崩潰,造成嚴(yán)重的工業(yè)事故。以上幾個(gè)方面的不良影響可以使用軟件陷阱技術(shù)加以解決�，F(xiàn)將這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法歸納總結(jié)為兩種。
2.1 軟件陷阱技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式之一
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的用戶應(yīng)用程序一般由循環(huán)結(jié)構(gòu)的主程序和中斷服務(wù)子程序組成,主程序的結(jié)構(gòu)如圖1所示。將下面的軟件陷阱程序段插入到用戶應(yīng)用程序中(如何插入的問題將在下面的第3點(diǎn)中詳細(xì)討論),即在用戶應(yīng)用程序存儲器不用區(qū)域?qū)懭氪a“OO00020000H”。 
NOP
NOP
LJMP O000H
當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作正常時(shí),單片機(jī)的CPU不會執(zhí)行軟件陷阱程序段;但是,當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)受到干擾而程序跑飛后,由于程序計(jì)數(shù)器PC值錯(cuò)誤,破壞了正常的指令格式,導(dǎo)致執(zhí)行非正常指令,從而執(zhí)行軟件陷阱程序段,落入軟件陷阱,將跑飛的程序引導(dǎo)到復(fù)位入口地址0000H。軟件陷阱程序段中的連續(xù)2條NOP指令是為了增強(qiáng)“LJMP 0000H”被捕獲的能力,即“IJMP0000H”不會被沖散,當(dāng)程序跑飛后會得到完整地執(zhí)行,從而使跑飛的程序納入正常軌道。
2.2 軟件陷阱技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式之二
雖然上述的軟件陷阱技術(shù)能實(shí)現(xiàn)可靠回復(fù)功能,但是有兩個(gè)方面的嚴(yán)重隱患。第一,隱患主要是在對中斷的處理上：首先,程序跑飛很可能是發(fā)生在中斷服務(wù)子程序中,其次,一些未使用的中斷很可能因?yàn)槌绦蚺茱w而被錯(cuò)誤地激活,而這時(shí)只是簡單地讓跑飛的程序從頭開始運(yùn)行,就不能關(guān)閉已激活的中斷,這樣,單片機(jī)的中斷系統(tǒng)會認(rèn)為程序仍在處理中斷,就不會再響應(yīng)同級中斷。第二,大部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在上電復(fù)位初始化后,不希望在程序跑飛而用軟件陷阱回復(fù)后又重新初始化。
為了解決第一個(gè)隱患,當(dāng)程序跑飛時(shí),一定要想辦法關(guān)閉可能發(fā)生的中斷,然后再執(zhí)行用戶應(yīng)用程序。大家知道,當(dāng)CPU進(jìn)入中斷后,就只能用RETI指令關(guān)閉中斷．解決第一個(gè)隱患的具體方法是,改變軟件陷阱程序段：當(dāng)程序跑飛后,將跑飛的程序引到0202H處,然后在0202H處完成關(guān)閉中斷的工作,即在用戶應(yīng)用程序存儲器不用區(qū)域?qū)懭氪a“0000020202H”。需要注意的是,程序存儲器不用區(qū)域的最后兩個(gè)存儲單元,一定要分別寫入代碼“00H”。
NOP
NOP
LJMP 0202H ;前面的連續(xù)2條NOP指令是為了
;增強(qiáng)“LJMP 0202H”被捕獲的能力
而在0202H開始的程序存儲器單元進(jìn)行如下的編程：
ORG 0202H
MOVDPTR,#ERRl
PUSH DPL
PUSH DPH
RETI ;關(guān)閉第1級中斷,并跳轉(zhuǎn)到ERRl處
ERRl： CLR A
PUSH ACC
PUSH ACC
RETI ;關(guān)閉第2級中斷,軟件回復(fù)到0000H處
這樣,就保證了無論在什么情況下,都可以關(guān)閉2級中斷。當(dāng)然,如果沒有中斷被激活時(shí)運(yùn)行了這段程序,也不會有什么不良影響。
為了解決第二個(gè)隱患,可以在系統(tǒng)主程序入口處加一個(gè)軟件開關(guān)來判別是上電復(fù)位直接進(jìn)入0000H的,還是經(jīng)過軟件陷阱回復(fù)而進(jìn)入0000H的,根據(jù)不同的判別結(jié)果執(zhí)行不同的程序。
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)上電時(shí),上電復(fù)位電路會使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)。這一般稱為冷啟動。
但是,軟件陷阱技術(shù)使跑飛的程序回復(fù)到主程序入口地址0000H時(shí),不影響特殊功能寄存器SFR的有效位。解決第二個(gè)隱患的具體方法是,設(shè)置上電復(fù)位標(biāo)志。例如,以PSW．5作為上電標(biāo)志位,當(dāng)PSW.5=0時(shí),表示是上電復(fù)位;當(dāng)PSW.5=l時(shí),表示是軟件陷阱回復(fù)。圖2是上電復(fù)位與程序跑飛后軟件陷阱回復(fù)初始化處理框圖。0000H是MCU的復(fù)位入口,程序啟動后,首先判斷是上電復(fù)位,還是程序跑飛后軟件陷阱回復(fù)。上電復(fù)位是開機(jī)操作,要建立上電標(biāo)志,并進(jìn)行系統(tǒng)的完全初始化。程序跑飛后軟件陷阱回復(fù)應(yīng)該進(jìn)行相關(guān)資源的檢查與修復(fù),以防止系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)。另外,根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn),需要保留一些過程數(shù)據(jù),不得進(jìn)行完全初始化。 |
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