经济型数控系统的软件抗干扰技术

0 引言

　　经济型数控系统通常追求高的性能/价格比，系统关键功能如插补功能的实现一般都是通过软件来实现的。因此，在设计系统的时候，需要尽量降低硬件的成本。为了保证经济性，不可能选用太好的电源滤波器和开关电源，也不可能采用成本过高的硬件冗余技术，CPU 芯片通常也只是选用商用级或民品级的8位单片机。但是，数控系统多数工作在环境恶劣、干扰严重的场合，窜入系统的干扰，其频谱往往很宽，且具有随机性。采用廉价的硬件抗干扰措施，只能抑制某些高频段的干扰，而频率较低的干扰信号仍会侵入系统。因此，除了采用硬件抗干扰设计以外，还要采取一定的软件抗干扰技术，做到“软硬兼施”。使用软件抗干扰技术的优点在于，不需要增加硬件投资，使用灵活，修改方便。

1 软件抗干扰常用方法

　　软件抗干扰技术所研究的主要内容，其一是采取软件的方法抑制迭加在模拟输入信号上的噪声的影响，如数字滤波技术；其二是由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序“乱飞”或陷入“死循环”时所采取的使程序纳入正轨的措施，如指令冗余、软件陷阱、“看门狗”技术等。在经济型数控系统中，进、出信号多为数字信号，软件抗干扰主要从以下几方面来考虑：指令冗余、软件陷阱、“看门狗”技术、输入信号的重复检测、输出信号的刷新、CPU的睡眠抗干扰、关键数据的恢复以及用户数据的保护等。

2 经济型数控系统的软件抗干扰技术

　　图1 为一台经济型车床闭环控制系统的硬件结构框图，该系统基于MCS-51 系列的商用级8 位单片机AT89C52。本节详细论述该系统所采用的软件抗干扰技术。

　　2.1 指令冗余技术

　　MCS-51 的指令由操作码和操作数组成。单字节指令仅有操作码；双字节指令第一个字节是操作码，第二个字节是操作数; 3字节指令第一个字节为操作码，后两个字节为操作数。CPU 取指时，先取操作码，后取操作数。如何区别某个数据是操作码还是操作数，这完全由取指的顺序来决定。CPU 复位后，首先取出指令的操作码，然后取出操作数。当一条指令执行完毕，紧接着又去取下一条指令的操作码与操作数。这些操作的时序完全由程序计数器PC 来控制。因此，一旦PC 因干扰而出现错误，程序便脱离正常的运行轨道，出现“乱飞”的现象，导致操作数的数值改变或者将操作数当成操作码的错误产生。当程序“乱飞”到某个单字节指令上时，可以自动纳入正轨；当“乱飞”到某双字节指令上时，若恰恰在取指令的时刻落在操作数上，就会将该操作数当成操作码，程序将出错；当程序“乱飞”到某个3 字节指令上时，因为有两个操作数，误将操作数当成操作码的几率将会更大。用单字节指令，并在关键地方人为地插入一些单字节指令NOP，或将有效的单字节指令重复写几次。这种方式称之为指令冗余。可在双字节指令和3 字节指令之后插入两个NOP，这可保证其后的指令不被拆散。因为“乱飞”的程序即使落到操作数上，由于NOP 的存在，不会将其后的指令当成操作数来执行，从而使程序纳入正轨。对程序流向起决定作用的指令（如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ 等）和某些对系统工作状态起重要作用的指令（如SETB EA 等），可在之前插入两个NOP，以保证“乱飞”的程序迅速落入正轨；对于某些子程序必要时可以连续多次重复调用，某些状态的查询也可多次进行。

　　采用冗余技术使PC 纳入正轨的条件是:跑飞的PC必须指向程序运行区，并且有可能执行到冗余指令。