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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。
% [& ?7 i& i" m8 x 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。
, H0 e& s8 T0 j/ z* F/ F/ K' o 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。: s+ t; q) S" [4 B& L
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。
" t8 g, {$ u/ q, _$ k% D 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。
! j7 w; [2 O4 J 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。& t( m" f8 g4 c2 t- A
只有各项检查均正常,程序方能继续执行,否则应提示出错。
$ Y+ _2 } a$ x& `1 p: K% e 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;) a* F" N+ B: b" m
DSP:……;显示子程序
& x3 j/ h8 ~$ _/ m1 G2 c RET! d" K: e4 J, L4 Y: G. `! R! R
NOP;软件陷阱
( w& U8 H6 o( f* |2 P NOP! y7 c7 C, C, D0 v
NOP
, B: H: r# w, s& } LIMP FLY v) T7 V. n$ U1 k+ n
D10MS:MOV R0,#010H;延时子程序6 N5 V% S. A+ ~* Q8 ]1 _+ z
……
2 L% ~* y# q: A* y RET; G" t* m: {+ O P7 [
NOP ;软件陷阱9 i' }: x6 Z2 K `! r
NOP
6 k9 i+ A r, J7 ? NOP7 Q2 Z7 D' Z$ u- b6 `
LJMP FLY
9 ?: W. _4 Q, E; ] ……5 c; m3 K. r& N o" D+ q: g
FLY:…… ;“跑飞”处理子程序/ e8 B+ d" O4 ?$ x, Q
RET: q0 M" K; g# h8 z
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。& Q$ Y2 |4 F7 `
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。% }$ J5 M+ s( K0 C# ^1 q& n
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。4 }3 V. W1 ]9 w9 @% d. Y9 J5 y y
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。
6 g1 Y5 h) V. f/ g4 \9 d 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。1 W8 M" {: i2 g# D! O! |
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。7 N! j; a1 M; K/ W9 m$ r
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。9 Y7 W: _5 d% K
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。& v, q% a+ L0 H6 b( e
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。
. T! L4 i. ~* t) {1 H 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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