单片机测控系统中的软件抗干扰技术

陈欣

摘要

在工业单片机测控系统中，抗干扰技术是一个很重要的环节，软件抗干扰技术具有良好的可靠性和稳定性。本文针对工业单片机测控系统中的抗干扰问题，从数字滤波技术、软件陷阱技术、“看门狗”技术等方面进行了研究，并提出了解决方案。

【关键词】单片机 抗干扰技术 数字滤波技术

1 引言

如图1所示，单片机测控系统是在程序化管理下形成的测控系统，它可以在工业生产过程中提高机械控制的效率。但是，工业现场环境复杂，具有电磁功能的大量设备频繁启动、停止，产生的干扰影响了单片机系统的正常运行。本文针对单片机测控系统中的抗干扰问题，从软件抗干扰技术方面进行了分析和研究，并提出了解决方案。

工业单片机测控系统的常见影响如下：

1.1 干扰加大数据采集的误差

测试系统通道的输入部分受到干扰信号的入侵，有用信号和外来干扰信号相互叠加，加剧了该通道数据采集的误差。尤其在当前系统输入的是小电压信号时，数据干扰的现象更加严重。

1.2 干扰使数据发送变化

单片机系统中的程序是存放在存储器EPROM中，这些程序不易发生变化。但是单片机系统的RAM数据区是可以读写的，它可能会受到读入信息的干扰从而发生变化。因为干扰渠道的区别，以及数据性质的区别，单片机系统受损害的情况也各不相同，可能造成控制失灵，也可能造成数值误差，更严重的会改变单片机系统某些部件（如串行口、定时器/计数器等）的运行状态等。

1.3 干扰使控制状态失灵

在单片机系统中，控制状态依赖于特定条件的输入状况和处理结果，干扰的侵入会造成条件状态错误，引起虚假的信号，从而加大输出控制的误差，甚至控制失常。

1.4 干扰使程序运行失常

单片机系统正常运行的前提是CPU正常工作，如果干扰信号影响到了CPU，则程序计数器不能正常运行，从而引起系统混乱、控制失灵，即通常说的程序“跑飞”。

现在使用的单片机抗干扰技术主要分为硬件与软件两类。硬件抗干扰技术固然可以降低系统受干扰的程度，但是成本较高，灵活性不足，而且容易受电磁干扰。软件抗干扰技术方法灵活，不需要增加硬件設备，越来越受到工业生产的重视和青睐。目前最常见的主要有如下几种：数字滤波抗干扰技术、软件陷阱抗干扰技术、“看门狗”抗干扰技术等。

2 数字滤波技术

数字滤波技术就是通过研究信号的干扰性，利用技术手段来提高输入和输出信号的精度，当采样数据呈离散型分布，差值比较大时，则说明该数据受到较大的干扰，不能被系统最后采集。

2.1 算术平均值滤波法

该滤波法的实质就是在一个周期内采样N次，然后求平均值，它的优点是可以有效消除周期性的干扰。当采样次数N较大时，信号的平滑度会变高，但是相对应的灵敏度会降低。当采样次数N较小时，信号的平滑度会变低，但灵敏度会变高。对次数N的取值根据实际情况而不同，对一般情况测试，N=12;对于压力，通常N=4;对于温度、电压等，通常N=8。该方法对具有随机干扰的普通信号进行滤波比较有效，取样信号有一个平均值，数值在其上下波动，也可以推广到在几个连续的周期内取平均值。

2.2 中位值平均滤波法

算术平均值滤波法的缺点是对于偶然脉冲性干扰的抑制性较差，中位值平均滤波法则可以克服这一点，它在若干个周期采样，采样参数按大小顺序进行排序，排除掉采样的最大、最小两个边界值，然后按照N-2个数值求平均值，这种方法可以排除由于脉冲干扰因素引起的采样值偏差。在实际应用中，采样的周期要选择适当。选择的周期较大，数据采集的延迟就会过大，系统的响应就会变慢。选择的周期较小，去除干扰的作用就不明显。

2.3 限幅滤波法

限幅滤波法需要对任意两次采样值设置一个最大偏差值A，每次检测新采样值都依据A值来判断。如果连续两次采样值的偏差在A的范围之内，则此次采样值有效。如果连续两次采样值的偏差大于A，则认为此次采样值无效，选用上次采样值。该滤波法的最大优点是克服偶然因素引发的干扰，缺点是无法抑制周期性的干扰，平滑度较差。

在实际的数字滤波技术中，可以采用多种滤波技术相结合的方法，比如在算术平均值滤波法中，加入中位值平均滤波法，这样可以提高滤波的性能。要依据实际情况，灵活选用。

3 软体陷阱技术

抗干扰技术中“软件陷阱”技术是一条引导指令，该指令的作用是强行将捕获的程序指向一个固定的地址，在该地址中有专门用来处理的一段错误。如果用ERROR来标识该程序的入口，LJMP ERROR即为软件陷阱，在它前面加两条NOP指令来加强其捕获效果。

一个软件陷阱由三条指令组成：

NOP

NOP

LJMPERROR

一般的软件陷阱安排在系统的如下位置：

（1）安排在系统未使用的中断区。单片机系统有未使用的中断向量区，为了捕捉到系统错误的中断，可在该系统未使用的中断区安排软件陷阱。

（2）安排在系统未使用的EPROM区域。EPROM区域中存在未编程的空闲空间，初始内容为OFFH，对MCS-51单片机系统来讲，当某段程序跑飞到此区域后，它将向后运行，停止跳跃。在未使用的EPROM空间中，系统设若干个个陷阱，就能利用它捕捉到跑飞的程序。

（3）安排在表格的最后。为了保护表格与检索值的对应关系，不能在表格中间随意安排陷阱，可以在表格的最后安排陷阱。对于比较大的表格，最后的陷阱未必能捕获到跑飞的程序，在中途它有可能再次跑飞。

（4）安排在程序区。在系统程序区不能随意设置陷阱，可以利用各模块之间的空余单元来设置陷阱，避免影响程序的正常运行。当陷阱区捕获到跑飞的程序，就会拉回它到正确的轨道。陷阱的位置通常设置在正常程序执行不到的区域，故不会影响系统的正常运行。

4 “看门狗”技术

在程序正常运行执行不到的区域安排软件陷阱，系统一般不会受到影响。但是当系统受到干扰后失控，程序将形成死循环，软件陷阱和冗余指令无法解决死循环问题，这时通过程序监控技术，强迫程序返回到指定的入口，用出错处理程序使其正常运行，这种模仿人工监测的技术，又称为“看门狗”技术。

例如：“看门狗”技术采用8031的定时器T0，除了TO的溢出中断设为高级，剩下的中断均设为低级，使用6M的时钟，用如下的程序使T0定时（约10ms）形成“看门狗”，跑飞的程序无法执行指令，在该时间内将产生T0溢出中断，系统安排LJMP ERR指令在T0的中断向量区，转移到出错处理程序，来处理各种善后工作。

（1）置TO为16位定时器MOVTMOD，#OIH;

（2）允许T0中断SETB ETO;

（3）设置T0为高级中断SETB PT0;

（4）定时约10ms MOV THO，#OEOH;

（5）启动T0 SETB TRO;

（6）开中断SETB EA;

5 结束语

工业单片机测控系统在引入了软件抗干扰技术后，一些棘手的问题就迎刃而解;但是不同的工业现场，环境和干扰源也各不相同。因此要仔细分析现场的干扰现象，不断的实验和总结，采取对应的措施，应地制宜，灵活运用，更好的提高系统的稳定性和可靠性。

参考文献

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[3]高艺，郭振武.51单片机原理及应用技术[M].化学工业出版社，2016（08）.