【正文】 clr tr1 setb p26 acall delaa setb p27 ajmp 四 軟件抗干擾技術(shù) 提高玩具車智能控制的可靠性僅靠硬件抗干擾是不夠的需要進一步借助于軟件抗干擾技術(shù)來克服某些干擾 [6]在單片機控制系統(tǒng)中如能正確的采用軟件抗干擾技術(shù)與硬件干擾措施構(gòu)成雙道抗干擾防線無疑為了將大大提高控制系統(tǒng)的可靠性經(jīng)常采用的軟件抗干擾技術(shù)是數(shù)字濾波技術(shù)開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)指令冗余技術(shù)軟件陷阱技術(shù)等 1 數(shù)字濾波技術(shù) 一般單片機應(yīng)用系統(tǒng)的模擬輸入信 號中均含有種種噪音和干擾它們來自被測量本身傳感器外界干擾等為了進行準(zhǔn)確測量和控制必須消除被測信號中的噪音和干擾對于這類信號采用積分時間等于 20ms的整數(shù)倍的雙積分 AD轉(zhuǎn)換器可有效的消除其影響后者為隨機信號它不是周期信號對于隨機干擾我們可以用數(shù)字濾波方法予以削弱或濾除所謂數(shù)字濾波就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重故實質(zhì)上它是一種程序濾波數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足它與模擬濾波器相比 有以下幾個優(yōu)點 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的不需要增加硬設(shè)備所以可靠性高穩(wěn)定性好 數(shù)字濾波可以根據(jù)信號的不同采用 不同的濾波方法或濾波參數(shù)具有靈活方便功能強的特點 數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波克服了模擬濾波器的缺陷 數(shù)字濾波器具有以上優(yōu)點所以數(shù)字濾波在微機應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用 2 開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù) 干擾信號多呈毛刺狀作用時間短利用這一點我們在采集某一開關(guān)量信號時可多次重復(fù)采集直到連續(xù)兩次或兩次以上結(jié)果完全一致方為有效若多次采樣后信號總是變化不定可停止采集給出報警信號由于開關(guān)量信號主要是來自各類開關(guān)型狀態(tài)傳感器如限位開關(guān)操作按鈕電氣觸點等對這些信號的采集不能用多次平均的方法必須絕對一致才行如果開關(guān)量信號 超過 8個可按 8個一組進行分組處理也可定義多字節(jié)信息暫存區(qū)按類似方法處理在滿足實時性要求的前提下如果在各次采集數(shù)字信號之間接入一段延時效果會好一些就能對抗較寬的干擾 輸出設(shè)備是電位控制型還是同步鎖存型對干擾的敏感性相對較大前者有良好的抗毛刺干擾能力后者不耐干擾當(dāng)鎖存線上出現(xiàn)干擾時它就會盲目鎖存當(dāng)前的數(shù)據(jù)也不管此時數(shù)據(jù)是否有效輸出設(shè)備和慣性響應(yīng)速度與干擾的耐受能力也有很大關(guān)系慣性大的輸出設(shè)備如各類電磁執(zhí)行機構(gòu)對毛刺干擾有一定的耐受能力慣性小的輸出設(shè)備如通行口顯示設(shè)備耐受能力就小一些在軟件上最為有效的方法就是重復(fù) 輸出同一個數(shù)據(jù)只要有可能其重復(fù)周期盡可能短些外設(shè)設(shè)備接受到一個被干擾的錯誤信息后還來不及作出有效的反應(yīng)一個正確的信息又來了就可及時防止錯誤動作的產(chǎn)生另外各類數(shù)據(jù)鎖存器盡可能和 CPU 安裝在同一電路板上使傳輸線上傳送的都是鎖存好的電位控制信號對于重要的輸出設(shè)備最好建立檢測通道 CPU 可以檢測通道來確定輸出結(jié)果的正確性 3 指令冗余技術(shù) 當(dāng) CPU 受到干擾后往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行引起程序混亂當(dāng)程序彈飛到某一字節(jié)指令上時便自動納入正軌當(dāng)彈飛到某一雙字節(jié)指令上時有可能落到其操作數(shù)上從而繼續(xù)出錯當(dāng)程序彈飛到三字節(jié)指 令上時因它有兩個操作數(shù)繼續(xù)出錯的機會就更大因此我們應(yīng)多采用單字節(jié)指令 NOP 或?qū)巫止?jié)指令重復(fù)書寫這便是指令冗余指令冗余無疑會降低系統(tǒng)的效率但在絕大多數(shù)情況下CPU 還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程度故這種方法還是被廣泛采用 在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條 NOP 指令以保證彈飛的程序迅速納入正確軌道在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)重要的指令前也可插入兩條 NOP指令以保證正確執(zhí)行指令冗余技術(shù)可以減少程序彈飛的次數(shù)使其很快進入程序軌道但這并不能保證在失控期間不干壞事更不能保證程序納入正常軌道后就太平無事了解決這 個問題必須采用軟件容錯技術(shù) 軟件陷阱技術(shù) 指令冗余使彈飛的程序安定下來是有條件的首先彈飛的程序必須落到程序區(qū)其次必須執(zhí)行到冗余指令所謂軟件陷阱就是一套引導(dǎo)指令強行將捕獲的程序引向一個指定的地址在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序如果我們把這段程序的入口標(biāo)號記為 ERR 的話軟件陷阱即為一條無條件轉(zhuǎn)移指令為了加強其捕捉效果一般還在它前面加兩條 NOP 指令因此真正的軟件陷阱由 3 條指令構(gòu)成 NOP NOP ERR 軟件陷阱安排在以下四種地方 1 未使用的中斷向量區(qū) 2 未使用的大片 ROM 空間 3 表格 5 程序區(qū) 由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方故不影響程序執(zhí)行效率在當(dāng)前 EPROM 容量不成問題的條件下還是多多益善 五 看門狗技術(shù) PC 受到干擾而失控引起程序亂飛也可能使程序陷入死循環(huán) [6]指令技術(shù)軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫死循環(huán)的困境這時系統(tǒng)完全癱瘓如果操作者在場就可以按下人工復(fù)位安鈕強制系統(tǒng)復(fù)位但操作者不能一直監(jiān)視著系統(tǒng)也往往是在引起不 良后果之后才進行人工復(fù)位為使程序脫離死循環(huán)通常采用看門狗技術(shù)看門狗技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運行時間若發(fā)現(xiàn)時間超過已知的循環(huán)設(shè)定時間則認為系統(tǒng)陷入了死循環(huán)然后強迫程序返回到 0000H入口在 0000H處安排一段出錯處理程序使系統(tǒng)運行納入正規(guī) 看門狗技術(shù)可由硬件實現(xiàn)可由軟件實現(xiàn)也可由兩者結(jié)合實現(xiàn)本系統(tǒng)采用硬件看門狗電路 實現(xiàn)硬件看門狗電路方案較多目前采用較多的方案有以下幾種 采用微處理器監(jiān)控器 采用單穩(wěn)態(tài)電路來實現(xiàn)看門狗單穩(wěn)定電路可采用 74LS123 采用內(nèi)帶震蕩器的記數(shù)芯片 本設(shè)計采用第三種方案實現(xiàn)看門狗電路下 面就對該方案作以介紹 1 基本原理 CD4060 是帶震蕩器的 14 位計數(shù)器由該芯片構(gòu)成的看門狗電路如圖 42 看門狗電路圖所示 4060 記數(shù)頻率由 RT 和 CT 決定設(shè)實際的程序所需工作周期為 T 分頻器記滿時間為 T 當(dāng) T T 且系統(tǒng)正常工作時程序每隔 T 對 4060 進行掃描一次分頻且永無記滿輸出信號如系統(tǒng)工作不正常如程序跑飛死循環(huán)等程序?qū)?4060 發(fā)不出掃描信號分頻器記滿輸出一脈沖號使 CPU 復(fù)位 2 參數(shù)選擇 4060 的振蕩頻率 f 由 RT CT 決定 Rs 用于改善振蕩器的穩(wěn)定性 Rs 要大于 RT一般取 Rs 10RT 且 RT 1kΩ CT≥ 100pF 如果 Rs 450Ω RT 45Ω CT 1uF 則 f 10HZ4060的振蕩頻率和 Qi i 678910121314 的選擇要根據(jù)情況確定 3 幾個原則 看門狗電路必須由硬件邏輯組成不宜由可編程計數(shù)器充當(dāng)因為 CPU 失控后可能會修改可編程器件參數(shù)使看門狗失效 4060 的 RST 線上阻容組成的微分電路很重要因為掃描輸入信號是 CPU 產(chǎn)生的正脈沖若此信號變 1 后由于干擾程序亂飛微分電路只能讓上跳沿通過不會封死 4060 看門狗仍能計數(shù)起作用若沒有微分電路掃描輸入信號上的 1 狀態(tài)封死4060 使之不能記數(shù)看門狗不起作 用 圖 42 看門狗電路圖 CPU 必須在正確完成所有工作后才能發(fā)掃描輸入信號且程序中發(fā)掃描信號的地方不能太多否則正好在哪里有死循環(huán)看門狗就不產(chǎn)生記滿輸出信號不能重新啟動 CPU 4060的記滿輸出信號不但要接到 MCS51 的 RST腳而且還應(yīng)接到其它芯片的RST 腳因為程序亂飛后其它具有 RST 腳的芯片也混亂了必須全部復(fù)位 六 可編程邏輯器件 可編程邏輯器件 GAL16V8是 LATTICE公司研制的一種電可擦除的可重復(fù)編程的低密度 PLD器件它采用更為靈活的可編 IO結(jié)構(gòu)并采用了先進的 EECOMS工藝數(shù)秒內(nèi)即可完成芯片的擦除 和編程過程并可反復(fù)改寫是產(chǎn)品開發(fā)研制的理想器件之一 GAL16V8 技術(shù)特性 1 電可擦除工藝 可重編程單元 100％成品率 可重配置邏輯 2 高性能 E2CMOS 工藝 低功耗 45mA 最大運行功耗 35mA 最大維持功耗 高速度 15～ 25us 最快存取速度 38 個輸出邏輯單元 對于復(fù)雜邏輯設(shè)計具有最大靈活性 GAL16V8可仿真 20條引腳的 PAL器件具有功能 熔絲圖 參數(shù)的完全兼容性 4 預(yù)置加電復(fù)位全部寄存器 5 具有保密單元電子標(biāo)簽 6 數(shù)據(jù)保持超過 20 年 80C51按鍵電路直接由 80C51接口電路 查詢消抖 延時 20ms 由軟件延時完成 第五章 測試數(shù)據(jù)測試結(jié)果分析及結(jié)論 測試方法與儀器 測試儀器 測試儀器包括秒表數(shù)字萬用表信號發(fā)生器示波器 MCS51 仿真機直流穩(wěn)壓電源等 2 測試方法 數(shù)字萬用表主要用來測試分立元件的電阻壓降漏電流截止導(dǎo)通狀態(tài)等參數(shù) 信號發(fā)生器與示波器用于測試各光電傳感器信號的接收與傳輸 MCS51 仿真機用于測試軟件 直流穩(wěn)壓電源在測試期間為各待測系統(tǒng)供電 秒表用于產(chǎn)品測試按照任務(wù)書的基本要求對制成的電動車進行產(chǎn)品測試 測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析 ⑴ 計時精度分析 計時系統(tǒng)采用了新型顯示芯片理論上的誤差不到 1 秒年 ⑵ 測距精度分析 測速系統(tǒng)采用了電機軸光電碼盤檢測技術(shù)電機軸與車輪軸之間采用了齒輪箱二級減速變比 116車輪周長 135mm光電碼盤與電機軸安裝在一起電機軸每一轉(zhuǎn)產(chǎn)生 2 個脈沖車輪每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 32 個脈沖理論測量精度可達135mm32 422mm 45mm ⑶ 定位精度分析 本設(shè)計采用實際測量與軟件補償技術(shù)理論上可使定位精度提高到誤差 10mm 3 結(jié)論 歷時三個月的設(shè)計過程中我首先邊查資料邊在實驗室焊接小車的線路板在焊接過程中我感 覺到即使是一個簡單的電路要想很輕松的焊好也不是很容易的事情有時是虛焊的原因有時可能是阻值選錯在焊接顯示電路時我就錯將 680 歐的電阻焊成了 68 千歐這使我深深感受到理論與實際間的差距通過這樣的設(shè)計提高了我的動手能力每天在實驗室除了焊接線路板還可以上機編程使我軟件調(diào)試知識也提高了 本設(shè)計采用的是 80C51 單片機這主要是因為該單片機的穩(wěn)定性比較好還可以采用其它系列的單片機比如采用陵陽單片機就可以簡化編程但其穩(wěn)定性不是很好 致 謝 歷時三個月的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)告一段落經(jīng)過自 己不斷的搜索努力以及白老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助本設(shè)計已經(jīng)基本完成在這段時間里白老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和熱忱的工作作風(fēng)令我十分欽佩他的指導(dǎo)使我受益非淺同時本系 120 實驗室的開放也為我的設(shè)計提供了實習(xí)場地在此對白文峰老師和牛曉升老師表示深深的感謝 通過這次畢業(yè)設(shè)計使我深刻地認識到學(xué)好專業(yè)知識的重要性也理解了理論聯(lián)系實際的含義并且檢驗了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果雖然在這次設(shè)計中對于知識的運用和銜接還不夠熟練但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力不斷完善這三個月的設(shè)計是對過去所學(xué)知識的系統(tǒng)提高和擴充的過程為今后的發(fā)展打下了良好的 基礎(chǔ) 由于自身水平有限設(shè)計中一定存在很多不足之處敬請各位老師批評指正 參 考 文 獻 1 何立民單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計北京航天航空大學(xué)出版社 2～ 546～ 50 2 李廣弟單片機基礎(chǔ)北京北京航空航天大學(xué)出版社 202056～ 64 3 何希才新型實用電子電路 400 例電子工業(yè)出版社 2020 年 60～ 65 4 趙負圖傳感器集成電路手冊第一版化學(xué)工業(yè)出版社 2020590～ 591 5 陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)第二版北京機械工業(yè)出版社 2020 年 6 月127～ 130 6 張毅剛彭喜元新編 MCS51 單片機應(yīng)用設(shè)計第一版哈爾濱工業(yè)大學(xué) 出版社202025～ 27411～ 417 附錄 A 程序清單 limiw equ 30h 厘米位 miao equ 31h 秒位 fenmi equ 32h 分米位 fmiao equ