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可靠性设计是一项系统工程,单片机系统的可靠性必须从软件、硬件以及结构设计等方面全面考虑。硬件系统的可靠性设计是单片机系统可靠性的根本,而软件系统的可靠性设计起到抑制外来干扰的作用。软件系统的可靠性设计的主要方法有:开机自检、软件陷阱(进行程序“跑飞”检测)、设置程序运行状态标记、输出端口刷新、输入多次采样、软件“看门狗”等。通过软件系统的可靠性设计,达到最大限度地降低干扰对系统工作的影响,确保单片机及时发现因干扰导致程序出现的错误,并使系统恢复到正常工作状态或及时报警的目的。
$ A! x* U+ O( S: ~8 ^ R- Z 一、开机自检 开机后首先对单片机系统的硬件及软件状态进行检测,一旦发现不正常,就进行相应的处理。开机自检程序通常包括对RAM、ROM、I/O口状态等的检测。- M( d. u: Y# @) L. s( s
1检测RAM 检查RAM读写是否正常,实际操作是向RAM单元写“00H”,读出也应为“00H”,再向其写“FFH”,读出也应为“FFH”。如果RAM单元读写出错,应给出RAM出错提示(声光或其它形式),等待处理。
: }* F5 |/ o4 a: R- n 2检查ROM单元的内容 对ROM单元的检测主要是检查ROM单元的内容的校验和。所谓ROM的校验和是将ROM的内容逐一相加后得到一个数值,该值便称校验和。ROM单元存储的是程序、常数和表格。一旦程序编写完成,ROM中的内容就确定了,其校验和也就是唯一的。若ROM校验和出错,应给出ROM出错提示(声光或其它形式),等待处理。: |+ A5 N9 s) w. Z/ W; b$ \5 z
3检查I/O口状态 首先确定系统的I/O口在待机状态应处的状态,然后检测单片机的I/O口在待机状态下的状态是否正常(如是否有短路或开路现象等)。若不正常,应给出出错提示(声光或其它形式),等待处理。2 Z6 p" a, ?) |! g9 X; _
4其它接口电路检测 除了对上述单片机内部资源进行检测外,对系统中的其它接口电路,比如扩展的E2PROM、A/D转换电路等,又如数字测温仪中的555单稳测温电路,均应通过软件进行检测,确定是否有故障。+ w: ^0 N5 T9 \; _* S) W
只有各项检查均正常,程序方能继续执行,否则应提示出错。6 V6 R2 L5 ^$ q& V3 l' E! z7 w
二、软件陷阱 在程序存储器中总会有一些区域未使用,如果因干扰导致单片机的指令计数器PC值被错置,程序跳到这些未用的程序存储空间,系统就会出错。软件陷阱是在程序存储器的未使用的区域中,加上若干条空操作和无条件跳转指令,无条件跳转指令指向程序“跑飞”处理子程序的入口地址。如果程序跳到这些未用区域,就会执行无条件跳转指令,转到相应的程序出错“跑飞”处理程序。除程序未用区域外,还可以在程序段之间(如子程序之间及一段处理程序完成后)及一页的末尾处插入软件陷阱,效果会更好。下面是一段带软件陷阱的程序;7 W- ^; B: [& t; o( }, X: \7 p
DSP:……;显示子程序
. \% W; {0 I0 l& F" Q. H: Y% r- @2 }0 j RET
' _5 ]: D2 T& q, Z! y NOP;软件陷阱
# Y2 ?; }3 W3 E4 f. W NOP( H8 d# X* K5 N- l: {
NOP- g E# Z: G/ x* ?3 _' C' W' N" g
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D10MS:MOV R0,#010H;延时子程序. B0 [. t `5 g2 g, U- ?
……4 ]* h0 G9 g, j8 q. X& i5 C
RET
+ ^7 d2 |' ~' p" z1 v NOP ;软件陷阱$ q1 j1 \$ _- V& p
NOP9 V) \4 I- S7 ]# y7 ~
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LJMP FLY
# t7 P4 ]- a& b) q+ ]6 ` ……3 q: V. A+ a, v, v8 ~
FLY:…… ;“跑飞”处理子程序# R, `" S# Q6 y' |% b( f
RET# r9 Z! T6 w$ Y" Y
三、程序“跑飞”处理 要进行程序“跑飞”处理,就要分清程序“跑飞”所造成的影响,以及程序“跑飞”前运行的进程,这就需要的设置相应的标志。
" a( }) P, N5 N" b* q RAM数据正常标志 RAM数据正常标志是检测RAM区的数据是否已经因程序“跑飞”或其它干扰而改变。如果RAM区的数据确因程序“跑飞”或其它干扰而改变,则系统无法自行恢复到原来的出错地点,只能由人工或由软件复位从头开始执行。要进行RAM区数据正常检测,首先应在初始化程序中,对RAM的若干单元设置RAM数据正常标志。通常是在RAM区中选数个单元,在初始化程序中将其置成固定的数,如“55H”或“0AAH”,只要程序正常运行,这些单元的内容是不会被修改的,若因程序“跑飞”或其它干扰导致这些RAM单元中的任何单元的数据发生变化,说明其它RAM单元的内容也可能发生变化,无法反映程序运行的结果和状态,不能根据RAM区中的标志去恢复程序运行现场。
) ]3 @ F1 Q0 B7 } 程序运行标记 程序运行状态标记是在RAM区中设立一些标志位,这些标志位分别代表程序运行的不同阶段及运行后的状态。在初始化程序中,首先对这些单元置初值,在程序运行的不同阶段,这些单元的内容将被改变成特定值,标记程序运行的阶段和运行后的状态。这些标志除了在程序正常运行中起到条件转移的作用外,还能在程序“跑飞”,而RAM区数据正常时起到恢复程序运行现场的作用。
! D6 S$ {: Q0 \& N5 \3 f 程序“跑飞”处理 程序“跑飞”处理就是在程序由软件陷阱检测到“跑飞”后,转入“跑飞”处理程序。“跑飞”处理程序判断“跑飞”影响的程度,根据影响程度的不同,决定是报警复位还是自动恢复现场。如自动恢复现场,则需根据程序运行状态标记进行。具体如何进行程序“跑飞”处理,要根据控制系统的设计要求进行。
3 F/ H( S1 s9 w 四、输出端口刷新 由于单片机的I/O口很容易受到外部信号的干扰,输出口的状态也可能因此而改变。在程序中周期性地添加输出端刷新指令,可以降低干扰对输出口状态的影响。在程序中指定RAM单元存储输出口当时应处的状态,在程序运行过程中根据这些RAM单元的内容去刷新I/O口。
8 t% e% P+ v; ^9 ~" z& X2 X 五、输入多次采样 干扰对单片机的输入,会造成输入信号瞬间采样的误差或误读。要排除干扰的影响,通常采取重复采样、加权平均的方法。
6 Q& |* T1 D4 k! m7 @) _ 比如对于外部电平采样(如按键),采取软件每隔10ms读一次键盘或连续读若干次,每次读出的数据都相同或者采取表决的方法确认输入的键值。又如在用单稳电路检测温度的系统中(参《电子报》1999年第51期第九版)采取对单稳电路的脉冲宽度计数,然后查表求温度值的方法。为排除干扰的影响,可以采取三次采样求平均值,也可以采取两次采样、差值小于设定值为有效,然后求平均值的方法(又称软件滤波)。总之,对输入信号进行多次采样,其后如何进行处理是要根据具体对象实际处理的效果来优选的,读者可通过实验室调试时施加干扰及现场环境调试时的效果来确定。0 ? O1 c$ g; O) K, ~% M
六、软件“看门狗” 软件陷阱是在程序运行到ROM的非法区域时检测程序出错的方法。而“看门狗”是根据程序在运行指定时间间隔内未进行相应的操作,即未按时复位看门狗定时器,来判断程序运行出错的。
( A1 j2 t5 K# p5 K G 在系统成本允许的情况下,应选择专门的看门狗电路芯片或片内带看门狗定时器的单片机。如果条件不允许,应加软件“看门狗”。关于软件“看门狗”的编制方法,请参考《电子报》2000年第8期第十二版。
W3 I6 A8 b+ P$ L W: P 单片机软件系统的可靠性设计的方法很多,相信所有从事单片机系统软件设计的同仁都有自己的经验和体会。本文给出的只是笔者常用的方法,希望对读者有所帮助。 |
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