單片機系統(tǒng)在測控領(lǐng)域的穩(wěn)定性探討

　　近年來單片機系統(tǒng)在工業(yè)測控領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而對于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，這種新型的微控制器的可靠性，安全性就成為了一個大的問題。在實驗室運行正常的程序到了工業(yè)現(xiàn)場卻不能運行，或者出現(xiàn)運行不穩(wěn)定經(jīng)常死機等。在這里我們主要討論一下如何通過軟件技術(shù)來增強系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

　　當(dāng)系統(tǒng)的CPU部位受到干擾信號的作用時，將使系統(tǒng)失控。最典型的故障是破壞程序計數(shù)器PC的狀態(tài)值。導(dǎo)致程序在地址空間內(nèi)“亂飛”，或者陷入死循環(huán)。而我們對這種情況的處理主要有這么幾種方法：

　　1、  指令冗余技術(shù)；

　　2、  軟件陷阱技術(shù)；

　　3、  看門狗技術(shù)。

　　我們以MCS-51單片機來做以說明。

一、指令冗余技術(shù)

　　我們知道，指令由操作碼和操作數(shù)組成，操作碼指明CPU要完成什么樣的操作，而操作數(shù)是操作碼的對象。單字節(jié)指令只有操作碼，隱含操作數(shù)；雙字節(jié)指令，第一個字節(jié)是操作碼，第二個字節(jié)是操作數(shù)；三字節(jié)指令第一個字節(jié)是操作碼，后二個字節(jié)是操作數(shù)。CPU在取指令的時候是先取操作碼再取操作數(shù)，如何判斷是操作碼還是操作數(shù)就是通過取指令的順序。而取指令的順序完全由指令計數(shù)器PC來控制，因此，一旦PC受干擾出現(xiàn)錯誤程序便會脫離正常軌道，出現(xiàn)“亂飛”，這樣就會使得把操作數(shù)當(dāng)作操作碼，或者把操作碼當(dāng)作操作數(shù)的情況。但只要PC指針落在單字節(jié)指令上程序就可納入正軌，所以為了快速的將程序納入正軌，我們應(yīng)該多用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方人為的插入一些單字節(jié)指令NOP，或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重寫，這就稱之為指令冗余。

　　常用的方法就是在一些雙字節(jié)，三字節(jié)指令后面插入兩個單字節(jié)指令NOP，或在一些對程序的流向起決定作用的指令前面插入兩條NOP指令。還可對一些重要的指令進行重復(fù)放置。

　　但采用指令冗余技術(shù)將程序納入正軌的條件是：亂飛的PC必須指向程序運行區(qū)。

二、軟件陷阱技術(shù)

　　當(dāng)亂飛的程序進入非程序區(qū)的時候， 我們就可設(shè)定軟件陷阱對亂飛的程序進行攔截從而將程序引向一個固定的位置。這樣我們就可將捕獲的程序重新納入正軌。

　　軟件陷阱主要就是把程序從新引入它的復(fù)位入口處，也就是說我們在適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置這樣的指令：

　　NOP

　　NOP

　　LJMP  0000H

　　對于軟件陷阱的安排，我們主要安排在這樣一些區(qū)域，未使用的中斷區(qū)，未使用的EPROM空間及非EPROM空間。程序運行區(qū)，及中斷服務(wù)程序區(qū)。在這里我們主要來看前三種：

1、未使用的中斷區(qū)

　　如果對于未使用的中斷因干擾而開放的話，我們可以把中斷服務(wù)程序這樣來寫：

　　NOP

　　NOP

　　POP   D1    ；將原來的錯誤斷點彈出

　　POP   D2    ；將原來的錯誤斷點彈出

　　PUSH  00H

　　PUSH  00H    ；將斷點地址重寫為0000H

　　RETI

2、 未使用的EPROM區(qū)

　　假設(shè)我們用了一片2764，但并沒有用完整個存儲區(qū)。這時候就可在未用的區(qū)域里填充上020000數(shù)據(jù)，這樣當(dāng)程序飛入其中時就會很快的走入正軌。這條指令其實是“LJMP  0000H”的機器碼。

3、 非EPROM空間

　　單片機系統(tǒng)的程序空間是64K，正常情況下我們所使用的EPROM不會占用所有的空間，假設(shè)我們現(xiàn)在的EPROM占用16K的空間那么剩下的48K空間就被閑置不用了。當(dāng)亂飛的PC落入這些空間時，讀入的數(shù)據(jù)將為FFH，這是 ：MOV   R7，A  指令的機器碼，將修改R7的內(nèi)容。因此，當(dāng)程序亂飛入非EPROM芯片區(qū)后，不僅無法導(dǎo)入正規(guī)，面且破壞了R7的內(nèi)容。

　　我們知道，當(dāng)CPU讀程序存儲器的時候，伴隨著會產(chǎn)生一個PSEN信號，我們就可利用這個信號，再加上一個非EPROM區(qū)的地址譯碼信號，構(gòu)成一個選通信號來起動一個空閑的中斷，再用軟件陷井的方法從中斷程序中把程序?qū)胝?guī)。我們可看下面的一個圖：

　　INT0
 
　　PSEN
 
　　非EPROM地址選通信號

　　我們也可通過硬件的方法用一個緩沖器直接給數(shù)據(jù)線寫一個值，其原理與上述方法相同。

三、 軟件看門狗技術(shù)

　　我們知道看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。硬件看門狗是利用了一個定時器，來監(jiān)控主程序的運行，也就是說在主程序的運行過程中，我們要在定時時間到之前對定時器進行復(fù)位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說PC指針不能回來。那么定時時間到后就會使單片機復(fù)位。

　　軟件看門狗技術(shù)的原理和這差不多，只不過是用軟件的方法實現(xiàn)，我們還是以51系列來講，我們知道在51單片機中有兩個定時器，我們就可以用這兩個定時器來對主程序的運行進行監(jiān)控。我們可以對T0設(shè)定一定的定時時間，當(dāng)產(chǎn)生定時中斷的時候?qū)σ粋€變量進行賦值，而這個變量在主程序運行的開始已經(jīng)有了一個初值，在這里我們要設(shè)定的定時值要小于主程序的運行時間，這樣在主程序的尾部對變量的值進行判斷，如果值發(fā)生了預(yù)期的變化，就說明T0中斷正常，如果沒有發(fā)生變化則使程序復(fù)位。

　　對于T1我們用來監(jiān)控主程序的運行，我們給T1設(shè)定一定的定時時間，在主程序中對其進行復(fù)位，如果不能在一定的時間里對其進行復(fù)位，T1 的定時中斷就會使單片機復(fù)位。在這里T1的定時時間要設(shè)的大于主程序的運行時間，給主程序留有一定的的裕量。而T1的中斷正常與否我們再由T0定時中斷子程序來監(jiān)視。這樣就夠成了一個循環(huán)，T0監(jiān)視T1，T1監(jiān)視主程序，主程序又來監(jiān)視T0，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。