软件抗干扰设计

soso · 发表于 2009-12-16 22:10

软件抗干扰设计 [复制链接]

作者：东南大学电工电子实验中心赵良法

尽管采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因很复杂，且具有很大的随机性，难免系统完全不受干扰。因此，在硬件抗干扰措施的基础上，采取软件抗干扰技术加以补充，作为硬件措施的辅助手段。由于软件抗干扰方法具有简单、灵活方便、节省硬件资源的特点，成为系统抗干扰设计中不可缺少的组成部分。

常用的软件抗干扰技术有：数字滤波、指令冗余、软件陷阱、“看门狗”技术等

数字滤波
–平均值法
–去最大最小值法
–算术平均滤波法

指令冗余技术
–由于CPU取指令过程是先取操作码，后取操作数。对多字节指令来说，如何区分某个字节为操作码还是操作数，完全由取指令顺序决定。CPU复位后，这些操作时序完全由程序计数器PC控制。因此，一旦PC因干扰而出现错误，程序便会出现“乱飞”现象
重要指令冗余
对于程序流向起决定作用的指令（如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、DJNZ、JC、JB等）和某些对系统工作状态有重要作用的指令（如SETB、CLR等）的后面，可重复写上这些指令，以确保这些指令的正确执行。

NOP的使用
在双字节指令和三字节指令之后插入两个单字节NOP指令，这可保证其后的指令不被拆散。因为“乱飞”的程序即使落到操作数上，由于两个空操作指令NOP的存在，不会将其后的指令当操作数执行，从而使程序纳入正规。
对程序流向起决定作用的指令（如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、DJNZ、JC、JB等）和某些对系统工作状态起重要作用的指令（如SETB、CLR等）之前插入两条NOP指令，可保证“乱飞”程序迅速纳入正规，确保这些指令的正确执行。

软件陷阱技术
当“乱飞”程序进入非程序区（如EPROM未用的空间）或表格区时，采用冗余指令使程序入规的条件便不能满足，此时可采用软件陷阱技术，拦截“乱飞”程序，将其迅速引向一个指定位置，使程序纳入正规。

软件陷阱的形式
–软件陷阱就是用引导指令强行将捕获到的“乱飞”程序引向复位入口地址0000H，使程序纳入正规。软件陷阱可采用如下两种形式 :

soso

软件陷阱的布置

1. 未使用的中断区 l当未使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，就能及时捕获到未使用的中断。中断返回指令用RETI，也可用LJMP。
中断服务程序的形式为：
NOP
NOP
POP direct1 ；将断点弹出堆栈区
POP direct2
LJMP 0000H
中断服务程序也可为如下形式：
NOP
  NOP
  POP direct1 ；将原先断点弹出
  POP direct2
  PUSH 00H ；断点地址改为0000H
  PUSH 00H
  RETI

未使用的EPROM空间
–由于使用的2764等芯片，很少能全部用完。这些非程序使用区可用软件陷阱（两种形式之一）的机器码填满。注意，最后一条填入020000。当程序进入此区后，便会迅速纳入正规。

非EPROM芯片空间
–由于单片机系统地址空间为64K，一般地，系统中除了EPROM芯片占用的地址空间外，还余下大量空间。如本系统中只使用一片2764，其地址空间为0000H～1FFFH，还有2000H～FFFFH地址空间未用。当PC“乱飞”进入这些空间时，读入数据为FFH，这是“MOV  R7，A”指令的机器码，将修改R7的内容。此时，程序不仅无法纳入正规，且破坏了R7的内容。为此，可采用如下两种方法处理：

利用A13、A14、A15及PSEN引脚，通过硬件实现：当A13、A14、A15地址电平不全为低、PSEN为低电平时，产生一低电平，触发CPU中断。在中断服务程序中设置软件陷阱，可将“乱飞”程序纳入正规

利用A13、A14、A15及PSEN引脚，通过硬件实现：当A13、A14、A15地址电平不全为低、PSEN为低电平时，读入数据020202H，这是一条转移指令，将PC转入0202H入口，在主程序0202H处设置出错处理

运行程序区
“乱飞”的程序在用户程序内部可用指令冗余技术加以解决，但同时设置一些软件陷阱，可以更有效地抑制程序“乱飞”。由于程序设计采用模块化结构，按照程序要求从一个模块到另一个模块运行。因此，可将陷阱指令组分散放置在各模块之间的空余单元里。这样，在程序正常运行时不执行这些陷阱指令，但一旦程序“乱飞”落入这些陷阱区，就可迅速将程序引入正规。这个方法很有效，陷阱的多少依程序大小而定，一般每1K字节有几个陷阱就够了

soso

“看门狗”技术

–PC受到干扰而失控，引起程序“乱飞”，也可能使程序陷入“死循环”。指令冗余技术、软件陷阱技术不能解决“死循环”的问题。“看门狗”技术可以解决这一困扰
“看门狗”技术在“看门狗”软件设计时，应注意“看门狗”触发脉冲的设置方式。不是按高—低—高脉冲方式设置，而是在程序的不同位置分别设置高、低电平。一般在主程序的开始处设置高电平，在每一个子程序或子循环的开始处设置低电平，然后当程序返回开始处再设置高电平。这样，当程序运行在子程序或子循环处发生超时或“死循环”时，就会引起“看门狗”电路复位