单片机软件三重监视抗干扰技术

应用于工业过程控制和智能化仪器仪表的单片机，由于现场条件往往十分恶劣，不可避免地会受到各种各样的电磁干扰。当串入系统的干扰作用于单片机内部的CPU部件时，后果更加严重，将导致系统失控。最典型的失控故障是破坏程序计数器PC的状态，导致程序在地址空间内“乱飞”，或者陷入“死循环”。因此，尽可能早地发现程序失控，并采取相应的补救措施，是单片机应用系统抗干扰设计的重要内容。

使程序从“乱飞”状态纳入正轨的方法称为程序拦截技术，包括指令冗余技术、软件陷阱技术等。使程序摆脱“死循环”，通常多采用硬件电路实现的监视技术，又称“看门狗”技术(Watchdog)。常见的硬件“看门狗”电路有单稳态型“看门狗”电路、计数器型“看门狗”电路、微处理器监控专用芯片等。上述的抗干扰方法可参阅有关资料文献。本文将讨论由软件实现的“看门狗”技术。

由硬件电路实现的“看门狗”技术，可以有效地克服主程序或中断服务程序由于陷入“死循环”而带来的不良后果。但在工业应用当中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，导致中断关闭，这时一般的硬件“看门狗”将不能使中断恢复正常。依靠软件进行多重监视，可以弥补上述不足。

软件“看门狗”技术的基本思路是：在主程序中对中断服务程序的运行进行监视;在中断服务程序中对主程序的运行进行监视;采用两个中断实施相互监视，称之谓软件三重监视抗干扰技术。从概率观点，这种相互依存，相互制约的抗干扰措施，将使系统的可靠性大大提高。

本文以MCS—51单片机为例，说明软件三重监视的基本原理。系统软件包括主程序、T0定时中断子程序和T1定时中断子程序3部分，将T0设计成高级中断，T1设计成低级中断，从而形成中断嵌套。

1　主程序监视过程设计

主程序完成系统测控功能的同时，还要监视T0中断服务程序因干扰而引起的中断关闭故障。A0为T0中断服务程序运行状态的观测单元，T0每发生一次中断，A0计数单元少一次中断(T0定时溢出时间小于测控功能模块运行时间)，引起A0的变化。在测控功能模块的出口处，将A0值与E0值进行比较，以判断A0是否发生变化。若A0发生变化，说明T0中断运行正常;若A0不变化，说明T0中断关闭，则转到程序入口0000H处，进行出错处理后，程序恢复正常运行。

设A0、E0、M计数单元分别为内RAM中的30H、40H和50H单元，监视程序如下：

loop1：MOV　 50H，　#00H; 清M单元

MOV 40H， 30H　;暂存A0单元

…; 测控功能模块

CLR C

MOV A， 30H

SUBB A， 40H; 判断A0变化

JZ loop

MOV 30H， #00H

LJMP loop1

loop：LJMP　0000H

2　T1中断服务程序监视过程设计

T1中断服务程序在完成特定测控功能的同时，还要监视主程序的运行状态。在中断服务程序中设置一个主程序运行计时器M1，T1每中断一次，M便自行加1。M中的数值与T1定时溢出时间之积表示时间值。若由M表示的时间值大于主程序的运行时间，说明主程序因干扰而陷入了“死循环”，T1中断服务程序便修改断点地址，返回0000H，进行出错处理。若M不大于主程序运行时间，说明主程序运行正常，中断服务程序也正常返回。M单元在系统主程序运行中循环清“0”。

设单片机晶振频率为6MHz，T1以工作方式1产生2ms的定时中断，则T1的计数初值为：

(216-N)×2×10-6=2×10-3

N=64536D=FC18H

主程序的最大循环时间为200ms，T取值应不小于64H，可取68H。A1为T1中断程序运行状态监测单元，取内RAM 31H单元，M仍取50H单元，60H、61H为暂存单元，则T1中断监视程序如下：

PUSH　 PSW　　　　　　 ;保护现场

PUSH ACC

MOV TH1， #0FCH　　　　;T1置初值

MOV TL1， #18H

INC 31H　　　　 ;A1单元加1

INC 50H ;M单元加1

CLR C

MOV A，#68H

SUBB A，50H ;T≥M?

JC loop

…　 　　　;中断测控程序

POP ACC ;恢复现场

POP PSW

RETI　 ;返回

loop：POP　 ACC　　　　　　 ;恢复现场

POP PSW

POP 60H ;原断点弹出

POP 61H

MOV 60H，#00H ;断点修改为0000H

MOV 61H，#00H

PUSH 60H

PUSH 61H

RETI　　　　;返回

3　T0中断服务程序监视过程设计

T0中断的功能是监视T1中断服务程序的运行状态。由于T0中断服务程序较短，因干扰而引起的“死循环”的几率很小，重点考虑中断关闭故障。A1、B1为T1中断运行状态观测单元。A1的初值为00H，T1每中断一次，A1便加1，T0中断服务程序中若检测到A1>0，说明T1中断正常;若A1=0，则B1单元加1(B1的初值为00H)，若B1的累加值大于Q，说明T1中断失效，失效时间为T0定时溢出时间与Q值之积。例如：T0的定时溢出时间为4ms，T1的定时溢出时间为2 ms，当Q=5时，说明允许T1的失效时间为20 ms，在这样长的时间内，T1并没有发生中断，说明T1中断发生了故障。由于T0中断级别高于T1中断级别，所以T1的任何故障(如死循环、中断关闭)都会由T0检测出来。T0中断服务程序一般很短，发生“死循环”的几率很小。

设单片机晶振频率为6MHz，T0以工作方式1产生4 ms的定时中断，则T0的计数初值为：

(216-N)×2×10-6=4×10-3

N=63536D=F830H

设计数单元A0、A1、B1分别为内RAM　30H、31H、32H，Q=5，60H、61H为暂存单元，则T0中断监视程序如下：

PUSH　　　PSW　　　　　;保护现场

PUSH ACC

MOV TH0，#0F8H ;设T0初值

MOV TL0，#30H

INC 30H ;A0加1

MOV A，31H ;A1单元判0

JZ loop1

CLR A　　　　 ;清A1、B1单元

MOV 31H，A

MOV 32H，A

loop0：POP ACC ;恢复现场

POP PSW

RETI　 ;返回

loop1：INC 32H ;B1加1

CLR C

MOV A　 ，32H;B1≥Q?

SUBB A，#05H

JC loop0

POP　 ACC　　　 ;恢复现场

POP PSW

POP 60H ;原断点弹出

POP 61H

MOV 60H，#00H ;修改断点0000H

MOV 61H，#00H

PUSH 60H

PUSH 61H

RETI

当系统受到干扰后，主程序可能发生“死循环”，中断服务程序也可能陷入“死循环”，或因中断方式字的破坏而关闭中断。主程序的“死循环”可由T1中断服务程序监视;T1中断服务程序的“死循环”和中断关闭故障由T0中断服务程序监视;T0的中断故障可由主程序监视。由于采取了三重软件监测方法，大大提高了系统运行的可靠性。