软件抗干扰的设计

软件抗干扰经验之一：用“软件陷阱+程序口令”对付PC指针的弹飞

当CPU受到外界干扰,有时PC指针会飞到另一段程序中,或跳到空白段去。

其实,如果PC指针飞到空白段去，倒也好处理。只要在空白段设立软件陷阱(拦截指令),

将程序拦截到初始化段或程序错误处理段。

但是,如果PC指针飞到另一段程序中去了，系统如何办?小匠在这里推荐一种方法——程序口令，

思路如下：

1、首先，程序必须模块化。每个模块（子程序）执行一个功能。每个模块只有一个出口（RET）。

2、设立一个模块（子程序）ID寄存器。

3、为每个子程序配置一个唯一的ID号码。

4、每当子程序执行完毕，要返回（RET）之前，先将本子程序的ID号送入 ID寄存器

5、返回到上级程序后，先判断ID寄存器中的ID号。如果正确，则继续执行；如果不正确，

则表示PC指针有可能已经跳错了，子程序没有按预计的出口返回，

这时将程序拦截到初始化段或程序错误处理段。

这种方法，如同在程序中设立了若干个岗哨，每次调用子程序返回后，都要对口令（ID号），

验明正身后再放行。再配合软件陷阱，基本上可以将大多数PC指针弹飞的现象检测到。

到了程序错误处理段，要杀要剐（冷启动还是热启动）就由您了。

MAIN:MOV R1,#01H

CJNE R1,#01H,MAIN

LCALL ZI1

INC R1

CJNE R1,#02H,MAIN

LCALL ZI2

INC R1

CJNE R1,#03H,MAIN

LCALL ZI3

INC R1

CJNE R1,#04H,MAIN

LCALL ZI4

LCALL MAIN

END

软件抗干扰经验之二、不要轻信软件狗

关于软件狗的讨论，论坛上多矣。

匠人也曾经查阅过许多关于软件狗的文章。有些大师确实提出了一些比较有技巧性的方法。

但是，匠人的忠告是：不要轻信软件狗！

其实，软件狗相当于软件的一种自律行为。一般的思路都是通过设立一个计数器，在计时中断中对其+1，

在主程序的适当地方对其清零。如果程序失控了，清零指令未被执行，但中断造常发生，则计数器溢出（狗狗叫了）。

但是这里有个问题：万一干扰导致中断被屏蔽了，那软件狗就永远不会叫了！——针对这种可能，

有人提出在主程序中反复刷新中断使能标志，保证不让中断被屏蔽。——但万一程序飞到某个死循环中去了，

不再执行“刷新中断使能标志”这一功能了，还是有可能把狗狗活活饿死。

所以，匠人的观点是：看门狗必须拥有独立的计数器。（即硬件看门狗）

好在现在好多芯片都提供了内部WDT。这种狗都是自带计数器的。即使干扰导致程序失控，WDT还是会造常计数直到溢出。

所谓的RAM冗余，就是：

1、将重要的数据信息备份2份（或以上）并存放在RAM中不同的区域（指地址不相连）。

2、当平时对这些数据进行修改时，同时也更新备份

3、当干扰发生并被拦截到“程序错误处理段”中时，将数据与备份做比较，采用表决方式（少数服从多数）选出正确（或可能正确？）

的那个。

4、备份越多，效果越好。（当然，你得有足够的存储空间）

5、只备份最最原始的数据。中间变量（指那些可以从原始数据重新推导出来的数据）不必备份

注：

1、这种思路的理论依据，据说是源于一种“概率论”，即一个人被老婆打肿脸的概率是很大的，

但如果他捂着脸去上班却发现全公司每个已婚男人的脸都青了，这种概率是很小的。同理，一个RAM寄存器数据被冲毁的概率是很大的，

但地址不相连的多个RAM同时被冲毁的概率是很小的。

2、前两年，小匠学徒时，用过一次这种方法，但效果不太理想。当时感觉可能是概率论在我这失效了？

现在回想起来，可能是备份的时机选的不好。结果将已经冲毁的数据又备份进去了。这样以来，恢复出来的数据自然也就不对了

软件抗干扰经验之四、话说指令冗余技术

举个例子，你要在某个输出口上输出一个高电平去驱动一个外部器件，你如果只送一次“1”，那么，当干扰来临时，

这个“1”就有可能变成“0”了。正确的处理方式是，你定期刷新这个“1”。那么，即使偶然受了干扰，它也能恢复回来。

除了I/O口动作的冗余，匠人强烈建议大家在下面各方面也采用这种方法：

1、LCD的显示。有时，也许你会用一些LCD的专用驱动芯片（如HT1621），这种芯片有个好处，即你只要将显示数据传送给它，

它就会不断的自动扫描LCD。但是，你千万不要以为这样就没你啥事了。正确的处理方式是，要记得定期刷新送显数据

（即使显示内容没有改变）。对于CPU中自带LCD DRIVER 的，也要定期刷新LCD RAM。

2、中断使能标志的设置。不要以为你在程序初始化段将中断设置好就OK了。应该在主程序中适当的地方定期刷新一下，

以免你的中断被挂起来。

3、其它一些标志字和参数寄存器（包括你自己定义的），也要记得常常刷新。

4、其它一些你认为有必要反复刷新的地方。

一家之言，欢迎补充和纠正！

10种软件滤波方法

下面奉献——

匠人呕心沥血搜肠刮肚冥思苦想东拼西凑整理出来的10种软件滤波方法

1、限幅滤波法（又称程序判断滤波法）

A、方法：

根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A）

每次检测到新值时判断：

如果本次值与上次值之差<=A,则本次值有效

如果本次值与上次值之差>A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值

B、优点：

能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰

C、缺点

无法抑制那种周期性的干扰

平滑度差

2、中位值滤波法

A、方法：

连续采样N次（N取奇数）

把N次采样值按大小排列

取中间值为本次有效值

B、优点：

能有效克服因偶然因素引起的波动干扰

对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果

C、缺点：

对流量、速度等快速变化的参数不宜

3、算术平均滤波法

A、方法：

连续取N个采样值进行算术平均运算

N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低

N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高

N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4

B、优点：

适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波

这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动

C、缺点：

对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用

比较浪费RAM

4、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）

A、方法：

把连续取N个采样值看成一个队列

队列的长度固定为N

每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则)

把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果

N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=4~12；温度，N=1~4

B、优点：

对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高

适用于高频振荡的系统

C、缺点：

灵敏度低

对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差

不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差

不适用于脉冲干扰比较严重的场合

比较浪费RAM

5、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）

A、方法：

相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”

连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值

然后计算N-2个数据的算术平均值

N值的选取：3~14

B、优点：

融合了两种滤波法的优点

对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差

C、缺点：

测量速度较慢，和算术平均滤波法一样

比较浪费RAM

6、限幅平均滤波法

A、方法：

相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法”

每次采样到的新数据先进行限幅处理，

再送入队列进行递推平均滤波处理

B、优点：

融合了两种滤波法的优点

对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差

C、缺点：

比较浪费RAM

7、一阶滞后滤波法

A、方法：

取a=0~1

本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果

B、优点：

对周期性干扰具有良好的抑制作用

适用于波动频率较高的场合

C、缺点：

相位滞后，灵敏度低

滞后程度取决于a值大小

不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号

8、加权递推平均滤波法

A、方法：

是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权

通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。

给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低

B、优点：

适用于有较大纯滞后时间常数的对象

和采样周期较短的系统

C、缺点：

对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号

不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差

9、消抖滤波法

A、方法：

设置一个滤波计数器

将每次采样值与当前有效值比较：

如果采样值＝当前有效值，则计数器清零

如果采样值<>当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否>=上限N(溢出)

如果计数器溢出,则将本次值替换当前有效值,并清计数器

B、优点：

对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果,

可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动

C、缺点：

对于快速变化的参数不宜

如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有效值导入系统

10、限幅消抖滤波法

A、方法：

相当于“限幅滤波法”+“消抖滤波法”

先限幅,后消抖

B、优点：

继承了“限幅”和“消抖”的优点

改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷,避免将干扰值导入系统

C、缺点：

对于快速变化的参数不宜

如果你的‘芯’是一座作坊，我愿做那不知疲倦的程序匠……

回复:10种软件滤波方法的示例程序

cxjr发表评论于2005-9-3 9:25:00 个人主页 | 引用 | 返回

匠人注:<10种软件滤波方法>一文由匠人原创,并曾经发表在21ICBSS的[侃单片机]栏目,后被多方转载,但大多数没有注明原作者,郁闷啊~~~~~~~~,以下这程序是他人根据匠人文中汇总的方法用C语言实现的程序范例:

10种软件滤波方法的示例程序

OurWay 发表于 2005-9-2 22:24:00

10种软件滤波方法的示例程序(JKRL)

假定从8位AD中读取数据（如果是更高位的AD可定义数据类型为int),子程序为get_ad();

1、限副滤波

/* A值可根据实际情况调整

value为有效值，new_value为当前采样值

滤波程序返回有效的实际值 */

#define A 10

char value;

char filter()

{

char new_value;

new_value = get_ad();

if ( ( new_value - value > A ) || ( value - new_value > A )

return value;

return new_value;

}

2、中位值滤波法

/* N值可根据实际情况调整

排序采用冒泡法*/

#define N 11

char filter()

{

char value_buf[N];

char count,i,j,temp;

for ( count=0;count<N;count++)

{

value_buf[count] = get_ad();

delay();

}

for (j=0;j<N-1;j++)

{

for (i=0;i<N-j;i++)

{

if ( value_buf[i]>value_buf[i+1] )

{

temp = value_buf[i];

value_buf[i] = value_buf[i+1];

value_buf[i+1] = temp;

}

}

}

return value_buf[(N-1)/2];

}

3、算术平均滤波法

#define N 12

char filter()

{

int sum = 0;

for ( count=0;count<N;count++)

{

sum + = get_ad();

delay();

}

return (char)(sum/N);

}

4、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）

#define N 12

char value_buf[N];

char i=0;

char filter()

{

char count;

int sum=0;

value_buf[i++] = get_ad();

if ( i == N ) i = 0;

for ( count=0;count<N,count++)

sum = value_buf[count];

return (char)(sum/N);

}

5、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）

#define N 12

char filter()

{

char count,i,j;

char value_buf[N];

int sum=0;

for (count=0;count<N;count++)

{

value_buf[count] = get_ad();

delay();

}

for (j=0;j<N-1;j++)

{

for (i=0;i<N-j;i++)

{

if ( value_buf[i]>value_buf[i+1] )

{

temp = value_buf[i];

value_buf[i] = value_buf[i+1];

value_buf[i+1] = temp;

}

}

}

for(count=1;count<N-1;count++)

sum += value[count];

return (char)(sum/(N-2));

}

6、限幅平均滤波法

/*

*/

略 参考子程序1、3

7、一阶滞后滤波法

/* 为加快程序处理速度假定基数为100，a=0~100 */

#define a 50

char value;

char filter()

{

char new_value;

new_value = get_ad();

return (100-a)*value + a*new_value;

}

8、加权递推平均滤波法

/* coe数组为加权系数表，存在程序存储区。*/

#define N 12

char code coe[N] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12};

char code sum_coe = 1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;

char filter()

{

char count;

char value_buf[N];

int sum=0;

for (count=0,count<N;count++)

{

value_buf[count] = get_ad();

delay();

}

for (count=0,count<N;count++)

sum += value_buf[count]*coe[count];

return (char)(sum/sum_coe);

}

9、消抖滤波法

#define N 12

char filter()

{

char count=0;

char new_value;

new_value = get_ad();

while (value !=new_value);

{

count++;

if (count>=N) return new_value;

delay();

new_value = get_ad();

}

return value;

}

10、限幅消抖滤波法

/*

*/

略 参考子程序1、9

单片机系统常用软件抗干扰措施

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。

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。

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。

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。

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。

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。

只有各项检查均正常，程序方能继续执行，否则应提示出错。

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；

DSP：……；显示子程序

RET

NOP；软件陷阱

NOP

NOP

LIMP FLY

D10MS：MOV R0，＃010H；延时子程序

……

RET

NOP ；软件陷阱

NOP

NOP

LJMP FLY

……

FLY：…… ；“跑飞”处理子程序

RET

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。