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　　

主程序流程如图1—1所示。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中断程序流程如图2—1所示。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

若图1—1中主程序的最大循环时间为200ms，则图2—1中的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中断程序流程如图3—1所示。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。图3—1中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，如图2—1所示。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。

［参考文献］
［1］　何立民．单片机应用技术选编［M］．北京航空航天大学出版社，1998，8．
［2］　王幸之．8051／8098单片机原理及接口设计［M］．兵器工业出版社，1998，1．