本文探討研究了工業(yè)控制軟件的抗干擾設(shè)計相關(guān)內(nèi)容。

　　本文闡述了工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中干擾的特點，并詳細介紹了工控軟件抗干擾設(shè)計的方法。

　　The Anti-interference Design of Industrial Control Software

　　People''s Liberation Army Institute of Grand Force,Foundation

　　Department,Niu HongTao

　　Abstract: The characteristic of interference in industrial enviroment has been introduced in this paper.The method of industrial control software anti-interence design has also been discussed in detail.

　　Keyword:industrial control software,anti-interference,reliability

　　計算機系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場使用時，大量的干擾源雖不能造成硬件系統(tǒng)的損壞，但常常使計算機系統(tǒng)不能正常運行，致使控制失靈，造成重大事故。計算機系統(tǒng)的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，因此，軟件抗干擾問題的研究愈來愈引起人們的重視。

　　一、工控軟件的結(jié)構(gòu)特點及干擾途徑

　　在不同的工業(yè)控制系統(tǒng)中，工控軟件雖然完成的功能不同，但就其結(jié)構(gòu)來說，一般具有如下特點：

　　實時性：工業(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，隨之進入主程序循環(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(yīng)的中斷服務(wù)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(wù)模塊組成，各模塊配合工作，相互關(guān)聯(lián)，相互依存。

　　人為性：工控軟件允許操作人員干預(yù)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。但在工業(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(dǎo)致工業(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(dǎo)下，程序執(zhí)行一系列毫無意義的指令，最后常常進入一個毫無意義的“死循環(huán)”中，使系統(tǒng)失去控制。

　　輸入/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(wù)模塊獨占，使系統(tǒng)發(fā)生“死鎖”。

　　數(shù)據(jù)采集誤差加大。干擾侵入系統(tǒng)的前向通道，疊加在信號上，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集誤差加大。特別是當(dāng)前向通道的傳感器接口是小電壓信號輸入時，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)干擾竄入渠道、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。筆者在研制電力遠程抄表系統(tǒng)時就曾遇到因現(xiàn)場強電磁干擾而造成RAM數(shù)據(jù)經(jīng)常性被破壞的情況。

　　控制狀態(tài)失靈。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，控制狀態(tài)的輸出常常是依據(jù)某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結(jié)果而定。在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵入，會造成條件狀態(tài)錯誤，致使輸出控制誤差加大，甚至控制失常。

　　二、程序運行失常的軟件對策

　　系統(tǒng)受到干擾侵害致使PC值改變，造成程序運行失常。對于程序運行失常的軟件對策主要是發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后及時引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)。

　　1.設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時器

　　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)刷新操作。這樣，只要程序正常運行，定時器不會出現(xiàn)定時中斷。而當(dāng)程序運行失常，不能及時刷新定時器時間常數(shù)而導(dǎo)致定時中斷，利用定時中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)復(fù)位。在8031應(yīng)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入;

　　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(fù)位還是定時中斷產(chǎn)生的自動恢復(fù)進行分類判斷處理。

　　2.設(shè)置軟件陷井

　　當(dāng)PC失控，造成程序“亂飛”而不斷進入非程序區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進入陷井，然后強迫使程序進入初始狀態(tài)。例如Z80指令系統(tǒng)中數(shù)據(jù)FFH正好對應(yīng)為重新起動指令RST 56，該指令使程序自動轉(zhuǎn)入0038H入口地址。因此，在Z80 CPU構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，只要將所有非程序區(qū)全部置成FFH用以攔截失控程序。并在0038H處設(shè)置轉(zhuǎn)移指令，使程序轉(zhuǎn)至抗干擾處理程序。

　　三、系統(tǒng)“死鎖”的軟件對策

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，A/D、D/A，顯示等輸入/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(shè)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(dǎo)致CPU誤認為該接口有輸入/輸出請求而停止現(xiàn)行工作，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的輸入/輸出服務(wù)程序。但由于該接口本身并沒有輸入/輸出數(shù)據(jù)，從而使CPU資源被該服務(wù)程序長期占用，而不釋放，其它任務(wù)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”問題，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)不同的輸入/輸出外設(shè)對時間的要求，分配相應(yīng)的最大正常的輸入/輸出時間。

　　在每一輸入/輸出的任務(wù)模塊中，加入相應(yīng)的超時判斷程序。這樣當(dāng)干擾破壞了接口的狀態(tài)造成CPU誤操作后，由于該外設(shè)準備好信息長期無效，經(jīng)一定時間后，系統(tǒng)會從該外設(shè)的服務(wù)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。

　　四、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(luò)，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。在許多數(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提高，數(shù)字濾波在實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)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。下面介紹幾種常用的方法。

　　1.算術(shù)平均值法

　　對于一點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計算其算術(shù)平均值，以其平均值作為該點采樣結(jié)果。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對采集結(jié)果的影響。一般3～5次平均即可。

　　2.比較取舍法

　　當(dāng)控制系統(tǒng)測量結(jié)果的個別數(shù)據(jù)存在偏差時，為了剔除個別錯誤數(shù)據(jù)，可采用比較取舍法，即對每個采樣點連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定取舍，從而剔除偏差數(shù)據(jù)。例如,“采三取二”即對每個采樣點連續(xù)采樣三次，取兩次相同的數(shù)據(jù)為采樣結(jié)果。

　　3.中值法

　　根據(jù)干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏大或偏小的情況，對一個采樣點連續(xù)采集多個信號，并對這些采樣值進行比較，取中值作為該點的采樣結(jié)果。

　　4.一階遞推數(shù)字濾波法

　　這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，實現(xiàn)用軟件方法代替硬件RC濾波器。一階遞推數(shù)字濾波公式為Yn=QXn+(1-Q)Yn-1式中Q -數(shù)字濾波器時間常數(shù);Xn-第n次采樣時的濾波器輸入;Yn-第n次采樣時的濾波器輸出。采用軟件濾波器對消除數(shù)據(jù)采集中的誤差可以獲得滿意的效果。但應(yīng)注意，選取何種方法應(yīng)根據(jù)信號的變化規(guī)律選擇。

　　五、RAM數(shù)據(jù)出錯的軟件對策

　　在實時控制過程中，干擾造成比較嚴重的危害之一就是沖毀RAM中的數(shù)據(jù)，由于RAM中保存的是各種原始數(shù)據(jù)、標(biāo)志、變量等，如果被破壞，會造成系統(tǒng)出錯或無法運行，根據(jù)數(shù)據(jù)被沖毀的程度，一般可分為三類：

　　* 整個RAM數(shù)據(jù)被沖毀;

　　* RAM中某片數(shù)據(jù)被沖毀;

　　* 個別數(shù)據(jù)被沖毀。

　　在工業(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，不允許丟失的數(shù)據(jù)只占極少部分。在這種情況下，除了這些不允許丟失的數(shù)據(jù)外，其余大部分內(nèi)容允許短時間被破壞，最多只引起系統(tǒng)的一個很短時間的波動，很快能自動恢復(fù)正常。因此，在工控軟件中，只要注意對少數(shù)不允許丟失的數(shù)據(jù)保護，一般常用的方法有“校驗法”和“設(shè)標(biāo)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(shè)標(biāo)法簡單，但對數(shù)據(jù)表中個別數(shù)據(jù)沖毀的情況，查錯則無難為力。在編程中一般應(yīng)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(shè)置一個標(biāo)志碼“0” 或“1”;

　　* 對RAM中固定不變的數(shù)據(jù)表格設(shè)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(shè)計的查錯程序來檢查其各標(biāo)志碼是否正常，如果不正常，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(shè)計原則是：

　　* 各數(shù)據(jù)表應(yīng)相互遠離分散設(shè)置，減少冗余數(shù)據(jù)同時被沖毀的概率。

　　* 數(shù)據(jù)表應(yīng)盡可能遠離棧區(qū)，減少由于操作錯誤造堆棧被成數(shù)據(jù)沖的可能 。

　　上述對RAM區(qū)域的恢復(fù)處理方法，在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)根據(jù)的具體情況進行取舍。

　　六、控制狀態(tài)失常的軟件對策

　　在條件控制系統(tǒng)中，人們關(guān)注的問題是能否確保正常的控制狀態(tài)。如果干擾進入系統(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：

　　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。

　　2.設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元

　　當(dāng)干擾侵入輸出通道造成輸出狀態(tài)破壞時，系統(tǒng)可以及時查詢當(dāng)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.設(shè)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(shè)狀態(tài)標(biāo)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。

　　上述介紹的幾種有關(guān)工控軟件的抗干擾編程方法是筆者在工作實踐中的體會。在設(shè)計工控軟件的過程中只要采取相應(yīng)的抗干擾措施，就可獲得較好的抗干擾效果。如果結(jié)合各種硬件抗干擾措施一起使用，將會大大提高系統(tǒng)的可靠性。