隨著國內(nèi)電子信息的不斷發(fā)展，以及制造業(yè)生產(chǎn)水平的不斷推進，電子設備種類越來越豐富，電子設備運行的環(huán)境因為干擾問題變得越來越惡劣，各行各行的設備研發(fā)生產(chǎn)都面臨著同一個挑戰(zhàn)：抗干擾。
產(chǎn)業(yè)控制計算機（工控一體機）在這樣的環(huán)境里也面臨著同樣的考驗?？梢哉f我們研制的產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)能否正常運行，并且產(chǎn)生出應有的經(jīng)濟效益，其抗干擾能力是一個關(guān)鍵的因素。因此，除了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和每個具體的工控一體機都需要仔細設計硬件抗干擾措施之外，還需要注重軟件抗干擾措施的應用。我們在多年的產(chǎn)業(yè)控制研究中，深感產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場意外因素太多并且危害很大。有時一個偶然的人為或非人為干擾，例如并不很強烈的雷擊，就使得我們自以為無懈可擊的硬件抗干擾措施無能為力，工控一體機死機了（即程序跑飛了）或者控制出錯了（此時CPU內(nèi)部寄存器內(nèi)容被修改或者RAM和I/O口數(shù)據(jù)被修改）。這在某些重要的產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)上將造成巨大的事故。使用軟件抗干擾措施就可以在一定程度上避免和減輕這些意外事故的后果。軟件抗干擾技術(shù)就是利用軟件運行過程中對自己進行自監(jiān)視，和工控網(wǎng)絡中各機器間的互監(jiān)視，來監(jiān)視和判定工控一體機是否出錯或失效的一個方法。這是工控系統(tǒng)抗干擾的后一道屏障。
1 工控軟件的結(jié)構(gòu)特點及干擾途徑
在不同的產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)中，工控軟件固然完成的功能不同，但就其結(jié)構(gòu)來說，一般 具有如下特點：
＊ 實時性：產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)中有些事件的發(fā)生具有隨機性，要求工控軟件能夠及時地 處理隨機事件。
＊ 周期性：工控軟件在完成系統(tǒng)的初始化工作后，隨之進進主程序循環(huán)。在執(zhí)行主 程序過程中，如有中斷申請，則在執(zhí)行完相應的中斷服務程序后，繼續(xù)主程序循 環(huán)。
＊ 相關(guān)性：工控軟件由多個任務模塊組成，各模塊配合工作，相互關(guān)聯(lián)，相互依 存。
＊ 人為性：工控軟件答應操縱職員干預系統(tǒng)的運行，調(diào)整系統(tǒng)的工作參數(shù)。 在理想情況下，工控軟件可以正常執(zhí)行。但在產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的干擾下，工控軟件的 周期性、相關(guān)性及實時性受到破壞，程序無法正常執(zhí)行，導致產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)的失 控，其表現(xiàn)是：
＊ 程序計數(shù)器PC值發(fā)生變化，破壞了程序的正常運行。PC值被干擾后的數(shù)據(jù)是隨機 的，因此引起程序執(zhí)行混亂，在PC值的錯誤引導下，程序執(zhí)行一系列毫無意義的指 令，后經(jīng)常進進一個毫無意義的“死循環(huán)”中，使系統(tǒng)失往控制。
＊ 輸進/輸出接口狀態(tài)受到干擾，破壞了工控軟件的相關(guān)性和周期性，造成系統(tǒng)資源 被某個任務模塊獨占，使系統(tǒng)發(fā)生“死鎖”。
＊ 數(shù)據(jù)采集誤差加大。干擾侵進系統(tǒng)的前向通道，疊加在信號上，導致數(shù)據(jù)采集誤 差加大。特別是當前向通道的傳感器接口是小電壓信號輸進時，此現(xiàn)象更加嚴重。
＊ RAM數(shù)據(jù)區(qū)受到干擾發(fā)生變化。根據(jù)干擾竄進渠道、受干擾數(shù)據(jù)性質(zhì)的不同，系統(tǒng) 受損壞的狀況不同，有的造成數(shù)值誤差，有的使控制失靈，有的改變程序狀態(tài)，有 的改變某些部件（如定時器／計數(shù)器、串行口等）的工作狀態(tài)等。
＊ 控制狀態(tài)失靈。在產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)中，控制狀態(tài)的輸出經(jīng)常是依據(jù)某些條件狀態(tài)的 輸進和條件狀態(tài)的邏輯處理結(jié)果而定。在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵進，會造成條 件狀態(tài)錯誤，致使輸出控制誤差加大，甚至控制變態(tài)。
2 工控計算機實時控制軟件運行過程中的自監(jiān)視法
自監(jiān)視法是產(chǎn)業(yè)控制計算機自己對自己的運行狀態(tài)的監(jiān)視。
一般的工控一體機CPU內(nèi)部具有Watchdog Timer，使用定時中斷來監(jiān)視程序運行狀態(tài)。定時器的定時時間稍大于主程序正常運行一個 循環(huán)的時間，在主程序運行過程中執(zhí)行一次定時器時間常數(shù)刷新操縱。這樣，只要 程序正常運行，定時器不會出現(xiàn)定時中斷。而當程序運行變態(tài)，不能及時刷新定時 器時間常數(shù)而導致定時中斷，利用定時中斷服務程序?qū)⑾到y(tǒng)復位。在8031應用系統(tǒng) 中作為軟件抗干擾的一個事例，具體做法是：
＊ 使用8155的定時器所產(chǎn)生的“溢出”信號作為8031的外部中斷源INT1。用555定時 器作為8155中定時器的外部時鐘輸進；
＊ 8155定時器的定時值稍大于主程序的正常循環(huán)時間；
＊ 在主程序中，每循環(huán)一次，對8155定時器的定時常數(shù)進行刷新；
＊ 在主控程序開始處，對硬件復位還是定時中斷產(chǎn)生的自動恢復進行分類判定處 理。
然而，這并不即是萬無一失。例如，① Watchdog電路本身失效；②設置Watchdog的指令正好在取指令時被干擾而讀錯；③ Watchdog“發(fā)現(xiàn)”程序跑飛之后，其產(chǎn)生的復位脈沖或者NMI申請信號正好被干擾而沒奏效等等。固然以上的導致Watchdog失效的因素的幾率很小，但總是存在的。另一個方面，還有相當數(shù)目的產(chǎn)業(yè)控制計算機沒有Watchdog電路。因此，以下重點討論的軟件自監(jiān)視法就勢在必行了。
2.1 隨時監(jiān)視檢查程序計數(shù)器PC的值是否超出程序區(qū)
計算機正常運行，其PC值一定在程序區(qū)內(nèi)。假如PC值跑出程序區(qū)，計算機肯定已發(fā)生了程序跑飛。檢查程序計數(shù)器PC值是否在程序區(qū)內(nèi)的方法，是在一個經(jīng)常要產(chǎn)生外部中斷的某個中斷服務程序中，讀取轉(zhuǎn)進該中斷時壓進堆棧的斷點地址。假如該地址在程序區(qū)內(nèi)，則以為PC值正常，否則一定是程序跑飛了。此時，程序跳轉(zhuǎn)到機器的重啟動進口或者復位進口，機器重新啟動。于是機器又自救活了。假如沒有一個這樣合適的中斷源，可以專門設置一個定時中斷或者幾個定時中斷，在中斷服務程序中檢查PC值是否正當，一旦發(fā)現(xiàn)不對就立即轉(zhuǎn)進機器的重啟動進口。定時器中斷的時間常數(shù)，可視機器的繁忙程度和重要性設定，一般從幾個毫秒到幾十毫秒都可以。
這個方法的局限性是不能查出PC值在程序區(qū)內(nèi)的亂跳，即此時PC值雖受干擾卻并沒有超出程序區(qū)，而是錯位亂拼指令而構(gòu)成一些莫名其妙的操縱，或者死循環(huán)。
2.2 主循環(huán)程序和中斷服務程序相互監(jiān)視
每個工控一體機的主循環(huán)程序和中斷服務程序都有一定的運行規(guī)律可循。因此可以設計出主循環(huán)程序與各中斷服務程序、各中斷服務程序之間的相互監(jiān)視。每個監(jiān)視對要定義一個RAM單元，依靠對其計數(shù)/清零的方法表達相互監(jiān)視信息。例如，某工控一體機的主循環(huán)程序循環(huán)一次長時間為80 ms，它的一個定時中斷時間常數(shù)為10 ms，當我們安排該定時中斷監(jiān)視主循環(huán)程序運行時，可以每次10 ms中斷對該RAM單元加1計數(shù)，而主循環(huán)程序每循環(huán)一次對該RAM單元清零。因此，正常運行時，這個監(jiān)視計數(shù)RAM單元的計數(shù)值不可能≥9，假如10 ms定時中斷服務程序發(fā)現(xiàn)其計數(shù)值≥9，就知道主循環(huán)程序已經(jīng)被干擾跑飛或出現(xiàn)死循環(huán)，于是就跳轉(zhuǎn)到機器的重啟動進口，重新恢復運行。使用這個方法，假如設計得當?shù)脑?，是非常有效的。我們多年的?jīng)驗是：主循環(huán)程序被干擾跑飛可能性大，中斷服務程序越短小越不易跑飛。主循環(huán)程序和中斷服務程序以及中斷服務程序之間的相互監(jiān)視，應當多設計幾個監(jiān)視對會更好。
2.3 隨時校驗程序代碼的正確性
產(chǎn)業(yè)控制計算機的實時控制程序代碼通常都采用EPROM固化運行，一般不易發(fā)生被改寫的情況。但成年累月運行，我們有時也會發(fā)現(xiàn)個別的單元出錯。其原因可能是芯片質(zhì)量題目或者因靜電、雷擊干擾等造成的改寫。程序出錯了，將直接造成運行錯誤或者無法運行。校驗的方式可以采用累加和校驗或者BCH校驗（一種CRC校驗方法）。當采用BCH校驗時，其分組附加的冗余字節(jié)可以集中在程序區(qū)之外的某個EPROM區(qū)域里。校驗方法是在某個短小而且經(jīng)常發(fā)生的中斷服務程序內(nèi)安排一個校驗模塊，可以設計成每次循環(huán)校驗一部分程序代碼，分若干次校驗完成；或者當代碼少，任務輕松時也可以一次校驗完。假如發(fā)現(xiàn)校驗錯，應當立即向工控網(wǎng)絡主站報告或者以自身報警的辦法告知操縱職員，以便及時處理。這個方法的局限性是被損壞的程序代碼不是校驗程序塊，而且以該中斷還可以正常響應為條件。由于該中斷服務程序短小，通常還是有很大的概率自監(jiān)視程序代碼的正確性。
2.4 隨時校驗RAM的正確性
在實時控制過程中，干擾造成比較嚴重的危害之一就是沖垮RAM中的數(shù)據(jù)，由于RAM中保存的是各種原始數(shù)據(jù)、標志、變量等，假如被破壞，會造成系統(tǒng)出錯或無法運行，根據(jù)數(shù)據(jù)被沖垮的程度，一般可分為三類：
＊ 整個RAM數(shù)據(jù)被沖垮；
＊ RAM中某片數(shù)據(jù)被沖垮；
＊ 個別數(shù)據(jù)被沖垮。因此需要經(jīng)常監(jiān)視RAM的正確性。在產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)中，RAM的大部分內(nèi)容是為了進行分析、比較而臨時存放的，不答應丟失的數(shù)據(jù)只占少部分。在這種情況下，除了這些不答應丟失的數(shù)據(jù)外，其余大部分內(nèi)容答應短時間被破壞，多只引起系統(tǒng)的一個很短時間的波動，很快能自動恢復正常。因此，在工控軟件中，只要留意對少數(shù)不答應丟失的數(shù)據(jù)保護，一般常用的方法有“校驗法” 和“設標法”。這兩種方法各有千秋，校驗法比較繁鎖，但查錯的可信度高。設標法簡單，但對數(shù)據(jù)表中個別數(shù)據(jù)沖垮的情況，查錯則無難為力。在編程中一般應綜合使用，其具體做法為：
＊ 將RAM工作區(qū)重要區(qū)域的始端和尾端各設置一個標志碼“0” 或“1”；
＊ 對RAM中固定不變的數(shù)據(jù)表格設置校驗字。在程序的執(zhí)行過程中，每隔一定的時間通過事先設計的查錯程序來檢查其各標志碼是否正常，假如不正常，則利用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)通過抗干擾處理程序來進行修正；冗余數(shù)據(jù)表的一般設計原則是：
＊ 各數(shù)據(jù)表應相互闊別分散設置，減少冗余數(shù)據(jù)同時被沖垮的概率。
＊ 數(shù)據(jù)表應盡可能闊別棧區(qū)，減少由于操縱錯誤造堆棧被成數(shù)據(jù)沖的可能 。上述對RAM區(qū)域的恢復處理方法，在不同的應用系統(tǒng)中應根據(jù)的具體情況進行取舍
3 實時控制系統(tǒng)的互監(jiān)視法
在實時控制系統(tǒng)中，人們關(guān)注的題目是能否確保正常的控制狀態(tài)。假如干擾進進系統(tǒng)，會影響各種控制條件、造成控制輸出失誤。為了確保系統(tǒng)安全可以采取下述軟件抗干擾措施：
3.1.軟件冗余對于條件控制系統(tǒng)，將控制條件的一次采樣、處理控制輸出，改為循環(huán)采樣、處理控制輸出。這種方法具有良好的抗偶然因素干擾作用。
3.2.設置當前輸出狀態(tài)寄存單元當干擾侵進輸出通道造成輸出狀態(tài)破壞時，系統(tǒng)可以及時查詢當前輸出狀態(tài)寄存單元的輸出狀態(tài)信息，及時糾正錯誤的輸出狀態(tài)。
3.3.設置自檢程序在計算機系統(tǒng)內(nèi)的特定部位或某些內(nèi)存單元設狀態(tài)標志，在運行中不斷循環(huán)測試，以保證系統(tǒng)中信息存儲、傳輸、運算的高可靠性。
4 其它常采用的軟件抗干擾方法
4.1 陷井法
有時意想不到的干擾，破壞了中斷和所有程序的正常運行。此時PC值可能在程序區(qū)內(nèi)，也可能在程序區(qū)之外，要使其能夠自恢復正常運行，只有依靠于廣布“陷井”的盡招了。 這里所謂的“陷井”，是指某些類型的CPU提供給用戶使用的軟中斷指令或者復位指令。例如，Z80指令RST 38H，其機器碼為FFH。CPU執(zhí)行該指令時，則將當前程序計數(shù)器PC的值壓進堆棧，然后轉(zhuǎn)到0038H地址執(zhí)行程序。假如把0038H作為一個重啟動進口，則機器就可以恢復新的工作了。再例如，INTEL8098、80198系列的復位指令RST，機器碼也為FFH。CPU執(zhí)行該指令時，其內(nèi)部進行復位操縱，然后從2080H開始執(zhí)行程序。當然，80198系列還有更多的非法操縱碼可作為陷井指令使用，這時只需要在2012H的一個字的中斷矢量單元里安排中斷進口，并且編制一個處理非法操縱碼的中斷服務程序，一遇非法操縱碼就能進行故障處理。作者多年的經(jīng)驗表明，陷井不但需要在ROM的全部非內(nèi)容區(qū)、RAM的全部非數(shù)據(jù)區(qū)設置，而且在程序區(qū)內(nèi)的模塊之間廣泛布置。一旦機器程序跑飛，總會碰上陷井，立即就可以救活機器了。
4.2 重復功能設定法
工控一體機的很多功能的設定，通常都是在主程序開始時的初始化程序里設定的，以后再也不往設定了。這在正常情況下本無題目。但偶然的干擾會改變CPU內(nèi)部的這些寄存器或者接口芯片的功能寄存器，例如，把中斷的類型、中斷的優(yōu)先級別、串行口、并行口的設定修改了，機器的運行肯定會出錯，因此，只要重復設定功能操縱不影響其當前連續(xù)工作的性能，都應當納進主程序的循環(huán)圈里。每個循環(huán)就可以刷新一次設定，避免了偶然不測發(fā)生。對于那些重復設定功能操縱會影響當前連續(xù)工作性能的，要盡量想法找機會重新設定。例如串行口，假如接收完某幀信息或者發(fā)送完某幀信息之后，串口會有一個短暫的空閑時，就應作出判定并且安排重新設定一次的操縱。
4.3 重要數(shù)據(jù)備份法
工控一體機中的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，應當有至少有兩個以上的備份副本，當操縱這些數(shù)據(jù)時，可以把主、副本進行比較，如其改變，就要分析原因，采取預先設計好的方法處理。還可以把重要數(shù)據(jù)采用校驗和或者分組BCH校驗的方法進行校驗。這兩種方法一并使用則更可靠。
4.4 系統(tǒng)“死鎖”的軟件對策
在產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)中，A/D、D/A，顯示等輸進/輸出接口電路是必不可少的。這些接口 與CPU之間采用查詢或中斷方式工作，而這些設備或接口對干擾很敏感，干擾信號一 旦破壞了某一接口的狀態(tài)字后，就會導致CPU誤以為該接口有輸進/輸出請求而停止 現(xiàn)行工作，轉(zhuǎn)往執(zhí)行相應的輸進/輸出服務程序。但由于該接口本身并沒有輸進/輸 出數(shù)據(jù)，從而使CPU資源被該服務程序長期占用，而不開釋，其它任務程序無法執(zhí) 行，使整個系統(tǒng)出現(xiàn)“死鎖”。對這種干擾造成的“死鎖”題目，在軟件編程中， 可采用“時間片”的方法來解決。其具體步驟為：
＊ 根據(jù)不同的輸進/輸出外設對時間的要求，分配相應的大正常的輸進/輸出時 間。
＊ 在每一輸進/輸出的任務模塊中，加進相應的超時判定程序。這樣當干擾破壞了接 口的狀態(tài)造成CPU誤操縱后，由于該外設預備好信息長期無效，經(jīng)一定時間后，系統(tǒng) 會從該外設的服務程序中自動返回，保證整個軟件的周期性不受影響，從而避免 “死鎖”情況的發(fā)生。
4.5 數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對策根據(jù)數(shù)據(jù)受干擾性質(zhì)及干擾后果的不同，采取的軟件對策各不相同，沒有固定的模式。對于實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除傳感器通道中的干擾信號，在硬件措施上常采取有源或無源RLC網(wǎng)絡，構(gòu)成模擬濾波器對信號實現(xiàn)頻率濾波。同樣，運用CPU的運算、控制功能也可以實現(xiàn)頻率濾波，完成模擬濾波器類似的功能，這就是數(shù)字濾波。在很多數(shù)字信號處理專著中都有專門論述，可以參考。隨著計算機運算速度的進步，數(shù)字濾波在實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用將愈來愈廣。在一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可以采用一些簡單的數(shù)值、邏輯運算處理來達到濾波的效果。用的方法有算術(shù)均勻值法、比較取舍法、中值法、一階遞推數(shù)字濾波法等。具體見本版的有關(guān)文章。
5 結(jié)束語
軟件抗干擾的內(nèi)容還有很多，例如，檢丈量的數(shù)字濾波、壞值剔除；人工控制指令的正當性和輸進設定值的正當性判別等等，這些都是一個完善的產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)必不可少的。
