在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時,，軟件抗干擾以其設計靈活,、節(jié)省硬件資源,、可靠性好越來越受到重視。下面以MCS-51單片機系統(tǒng)為例,，對微機系統(tǒng)軟件抗干擾方法進行研究,。
1 軟件抗干擾方法的研究
在工程實踐中，軟件抗干擾研究的內容主要是： 一,、消除模擬輸入信號的嗓聲（如數(shù)字濾波技術）,；二、程序運行混亂時使程序重入正軌的方法,。本文針對后者提出了幾種有效的軟件抗干擾方法,。
1.1 指令冗余
CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù),。當PC受干擾出現(xiàn)錯誤,，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當亂飛到某雙字節(jié)指令,，若取指令時刻落在操作數(shù)上,，誤將操作數(shù)當作操作碼，程序將出錯,。若“飛” 到了三字節(jié)指令,，出錯機率更大。
在關鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令,，或將有效單字節(jié)指令重寫稱為指令冗余,。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上,，由于空操作指令NOP的存在,，避免了后面的指令被當作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌,。
此外,，對系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET、 RETI,、LCALL,、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP，也可將亂飛程序納入正軌,，確保這些重要指令的執(zhí)行,。
1.2 攔截技術
所謂攔截，是指將亂飛的程序引向指定位置,，再進行出錯處理,。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序。因此先要合理設計陷阱,，其次要將陷阱安排在適當?shù)奈恢谩?/p>
1.2.1 軟件陷阱的設計
當亂飛程序進入非程序區(qū),，冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱,，攔截亂飛程序,，將其引向指定位置,，再進行出錯處理,。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復位入口地址0000H的指令,。通常在EPROM中非程序區(qū)填入以下指令作為軟件陷阱：
NOP
NOP
LJMP 0000H
其機器碼為0000020000。
1.2.2 陷阱的安排
通常在程序中未使用的EPROM空間填0000020000,。最后一條應填入020000,，當亂飛程序落到此區(qū)，即可自動入軌,。在用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令,。當使用的中斷因干擾而開放時，在對應的中斷服務程序中設置軟件陷阱,，能及時捕獲錯誤的中斷,。如某應用系統(tǒng)雖未用到外部中斷1，外部中斷1的中斷服務程序可為如下形式：
NOP
NOP
RETI
返回指令可用“RETI”,，也可用“LJMP 0000H”,。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復程序的設計可靠、 完善,，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接進入故障診斷程序,，盡早地處理故障并恢復程序的運行。
考慮到程序存貯器的容量,，軟件陷阱一般1K空間有2-3個就可以進行有效攔截,。
在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時，軟件抗干擾以其設計靈活,、節(jié)省硬件資源,、可靠性好越來越受到重視。下面以MCS-51單片機系統(tǒng)為例,，對微機系統(tǒng)軟件抗干擾方法進行研究,。
1 軟件抗干擾方法的研究
在工程實踐中，軟件抗干擾研究的內容主要是： 一、消除模擬輸入信號的嗓聲（如數(shù)字濾波技術）,；二,、程序運行混亂時使程序重入正軌的方法。本文針對后者提出了幾種有效的軟件抗干擾方法,。
1.1 指令冗余
CPU取指令過程是先取操作碼,，再取操作數(shù)。當PC受干擾出現(xiàn)錯誤,，程序便脫離正常軌道“亂飛”,，當亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時刻落在操作數(shù)上,，誤將操作數(shù)當作操作碼,，程序將出錯,。若“飛” 到了三字節(jié)指令,，出錯機率更大。
在關鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令,，或將有效單字節(jié)指令重寫稱為指令冗余,。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上,，由于空操作指令NOP的存在,，避免了后面的指令被當作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌,。
此外,，對系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET、 RETI,、LCALL,、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP,，也可將亂飛程序納入正軌,，確保這些重要指令的執(zhí)行。
1.2 攔截技術
所謂攔截,，是指將亂飛的程序引向指定位置,，再進行出錯處理。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序,。因此先要合理設計陷阱,，其次要將陷阱安排在適當?shù)奈恢谩?/p>
1.2.1 軟件陷阱的設計
當亂飛程序進入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用,。通過軟件陷阱,，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進行出錯處理,。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復位入口地址0000H的指令,。通常在EPROM中非程序區(qū)填入以下指令作為軟件陷阱：
NOP
NOP
LJMP 0000H
其機器碼為0000020000。
1.2.2 陷阱的安排
通常在程序中未使用的EPROM空間填0000020000,。最后一條應填入020000,，當亂飛程序落到此區(qū)，即可自動入軌,。在用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令,。當使用的中斷因干擾而開放時，在對應的中斷服務程序中設置軟件陷阱,，能及時捕獲錯誤的中斷,。如某應用系統(tǒng)雖未用到外部中斷1，外部中斷1的中斷服務程序可為如下形式：
NOP
NOP
RETI
返回指令可用“RETI”,，也可用“LJMP 0000H”,。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復程序的設計可靠、 完善,，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接進入故障診斷程序,，盡早地處理故障并恢復程序的運行。
考慮到程序存貯器的容量,，軟件陷阱一般1K空間有2-3個就可以進行有效攔截,。
1.3 軟件“看門狗”技術
若失控的程序進入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術使程序脫離“死循環(huán)”,。通過不斷檢測程序循環(huán)運行時間,，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間，則認為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”,，需進行出錯處理,。
“看門狗”技術可由硬件實現(xiàn)，也可由軟件實現(xiàn),。 在工業(yè)應用中,，嚴重的干擾有時會破壞中斷方式控制字，關閉中斷,。則系統(tǒng)無法定時“喂狗”,，硬件看門狗電路失效。而軟件看門狗可有效地解決這類問題,。
筆者在實際應用中,，采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)。用定時器T0監(jiān)視定時器T1,，用定時器T1監(jiān)視主程序,，主程序監(jiān)視定時器T0,。采用這種環(huán)形結構的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能，大大提高了系統(tǒng)可靠性,。對于需經常使用T1定時器進行串口通訊的測控系統(tǒng),，則定時器T1不能進行中斷，可改由串口中斷進行監(jiān)控（如果用的是MCS-52系列單片機,，也可用T2代替T1進行監(jiān)視）,。這種軟件“看門狗”監(jiān)視原理是：在主程序、T0中斷服務程序,、T1中斷服務程序中各設一運行觀測變量,，假設為MWatch、T0Watch ,、T1Watch,，主程序每循環(huán)一次，MWatch加１,，同樣T0,、T1中斷服務程序執(zhí)行一次，T0Watch,、 T1Watch加１,。在T0中斷服務程序中通過檢測T1Watch的變化情況判定T1運行是否正常,，在T1中斷服務程序中檢測MWatch的變化情況判定主程序是否正常運行,，在主程序中通過檢測T0Watch的變化情況判別T0是否正常工作。若檢測到某觀測變量變化不正常,，比如應當加1而未加1,，則轉到出錯處理程序作排除故障處理。當然,，對主程序最大循環(huán)周期,、定時器T0和T1定時周期應予以全盤合理考慮。限于篇幅不贅述,。
2 系統(tǒng)故障處理,、自恢復程序的設計
單片機系統(tǒng)因干擾復位或掉電后復位均屬非正常復位，應進行故障診斷并能自動恢復非正常復位前的狀態(tài),。
2.1 非正常復位的識別
程序的執(zhí)行總是從0000H開始,，導致程序從 0000H開始執(zhí)行有四種可能：一、系統(tǒng)開機上電復位,；二,、軟件故障復位；三,、看門狗超時未喂狗硬件復位,； 四,、任務正在執(zhí)行中掉電后來電復位。四種情況中除第一種情況外均屬非正常復位,，需加以識別,。
2.1.1 硬件復位與軟件復位的識別
此處硬件復位指開機復位與看門狗復位，硬件復位對寄存器有影響,，如復位后PC=0000H,， SP＝07H，PSW＝00H等,。而軟件復位則對SP,、SPW無影響。故對于微機測控系統(tǒng),，當程序正常運行時,，將SP設置地址大于07H，或者將PSW的第5位用戶標志位在系統(tǒng)正常運行時設為1,。那么系統(tǒng)復位時只需檢測PSW.5標志位或SP值便可判此是否硬件復位,。圖1是采用PSW.5作上電標志位判別硬、軟件復位的程序流程圖,。
圖1 硬,、軟件復位識別流程圖
此外，由于硬件復位時片內RAM狀態(tài)是隨機的,，而軟件復位片內RAM則可保持復位前狀態(tài),，因此可選取片內某一個或兩個單元作為上電標志。設 40H用來做上電標志,，上電標志字為78H,，若系統(tǒng)復位后40H單元內容不等于78H，則認為是硬件復位,，否則認為是軟件復位,，轉向出錯處理。若用兩個單元作上電標志,，則這種判別方法的可靠性更高,。
2.1.2 開機復位與看門狗故障復位的識別
開機復位與看門狗故障復位因同屬硬件復位， 所以要想予以正確識別,，一般要借助非易失性RAM或者EEROM,。當系統(tǒng)正常運行時，設置一可掉電保護的觀測單元,。當系統(tǒng)正常運行時,，在定時喂狗的中斷服務程序中使該觀測單元保持正常值（設為 AAH），而在主程中將該單元清零,，因觀測單元掉電可保護,，則開機時通過檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復位,。
2.1.3 正常開機復位與非正常開機復位的識別
識別測控系統(tǒng)中因意外情況如系統(tǒng)掉電等情況引起的開機復位與正常開機復位，對于過程控制系統(tǒng)尤為重要,。如某以時間為控制標準的測控系統(tǒng),，完成一次測控任務需1小時。在已執(zhí)行測控50分鐘的情況下,，系統(tǒng)電壓異常引起復位,，此時若系統(tǒng)復位后又從頭開始進行測控則會造成不必要的時間消耗。因此可通過一監(jiān)測單元對當前系統(tǒng)的運行狀態(tài),、系統(tǒng)時間予以監(jiān)控,，將控制過程分解為若干步或若干時間段，每執(zhí)行完一步或每運行一個時間段則對監(jiān)測單元置為關機允許值,，不同的任務或任務的不同階段有不同的值，若系統(tǒng)正在進行測控任務或正在執(zhí)某時間段,，則將監(jiān)測單元置為非正常關機值,。那么系統(tǒng)復位后可據(jù)此單元判系統(tǒng)原來的運行狀態(tài),，并跳到出錯處理程序中恢復系統(tǒng)原運行狀態(tài)。
2.2 非正常復位后系統(tǒng)自恢復運行的程序設計
對順序要求嚴格的一些過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)非正常復位否,，一般都要求從失控的那一個模塊或任務恢復運行。所以測控系統(tǒng)要作好重要數(shù)據(jù)單元,、參數(shù)的備份,，如系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)的進程值,、當前輸入,、輸出的值,，當前時鐘值、觀測單元值等,，這些數(shù)據(jù)既要定時備份,，同時若有修改也應立即予以備份,。
當在已判別出系統(tǒng)非正常復位的情況下，先要恢復一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù),，如顯示模塊的初始化,、片外擴展芯片的初始化等,。其次再對測控系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài),、運行參數(shù)等予以恢復，包括顯示界面等的恢復,。之后再把復位前的任務,、參數(shù),、運行時間等恢復， 再進入系統(tǒng)運行狀態(tài),。
應當說明的是，真實地恢復系統(tǒng)的運行狀態(tài)需 要極為細致地對系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)予以備份,，并加以數(shù)據(jù)可靠性檢查,，以保證恢復的數(shù)據(jù)的可靠性,。
其次,，對多任務,、多進程測控系統(tǒng),，數(shù)據(jù)的恢復需考慮恢復的次序問題,，筆者實際應用的數(shù)據(jù)恢復過程流程圖如圖2所示,。
圖2 系統(tǒng)自恢復程序流程圖
圖中恢復系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)是指取出備份的數(shù)據(jù)覆蓋當前的系統(tǒng)數(shù)據(jù),。系統(tǒng)基本初始化是指對芯片,、顯示,、輸入輸出方式等進行初始化,，要注意輸入輸出的初始化不應造成誤動作,。而復位前任務的初始化是指任務的執(zhí)行狀態(tài),、運行時間等,。
3 結束語
對于軟件抗干擾的一些其它常用方法如數(shù)字濾波,、RAM數(shù)據(jù)保護與糾錯等,，限于篇幅,，本文未作討論,。在工程實踐中通常都是幾種抗干擾方法并用,，互相補充 完善，才能取得較好的抗干擾效果,。從根本上來說，硬件抗干擾是主動的,，而軟件是抗干擾是被動的,。細致周到地分析干擾源,，硬件與軟件抗干擾相結合，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序,，設計一穩(wěn)定可靠的單片機系統(tǒng)是完全可行的,。