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

　　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。

　　2.2 软件陷阱技术

　　当“乱飞”的程序进入非程序区（如EPROM 未使用的空间）或表格区时，采用冗余指令使程序入轨的条件不满足，此时可以设定软件陷阱，拦截“乱飞”的程序，用引导指令强行将捕获到的“乱飞”程序引向复位入口地址0000H，并在此处对出错进行处理，使程序纳入正轨。软件陷阱可采用两种形式。

　　形式之一的机器码为：00 00 02 00 00

　　形式之二的机器码为：02 02 02 02 00 00

　　根据“乱飞”程序落入陷阱区的位置不同，可选择表1 中的一种方式，使程序纳入正轨，指定运行到预定位置。软件陷阱通常安排在未使用的中断区、未使用的EPROM 区、非EPROM 区、运行程序区以及中断服务程序区等。

　　2.3 “看门狗”技术

　　PC 受到干扰而失控，引起程序“乱飞”，也可能使程序陷入“死循环”。指令冗余技术、软件陷阱技术都不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境，本系统采用程序监视技术，又称“看门狗”（Watchdog）技术，使程序脱离“死循环”。数控系统的应用程序通常都采用循环运行的方式，循环周期基本固定。“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行的时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序返回到0000H入口，在此处安排一段出错处理程序，使系统纳入运行正轨。本系统设置了一个16 位的监视定时器，定时器启动后，每个机器周期自动加1，当计数器溢出时，复位器MAX708 就把CPU 的RESET 引脚拉成高电平，从而使CPU 复位。需要注意的是，使用监视定时器时，系统软件应在每次定时器溢出前将定时器清0。因此，一旦程序因干扰不能顺利运行或死机时，定时器将会很快产生溢出，从而使得CPU 立即复位，不至于造成事故的发生。

　　2.4 输入信号的重复检测技术

　　输入信号的干扰是迭加在有效电平信号上的一系列离散的尖脉冲，这些脉冲信号的作用时间很短。当数控系统面临输入干扰，又不能用硬件加以有效抑制时，可以采用软件重复检测的方法，达到“去伪存真”的目的。车床数控系统在工作时，需要接收一些外部的开关量输入信号：如纵、横向拖板的限位信号，自动回转刀架的刀位信号与换刀回答信号，自动卡盘的夹紧回答信号，车床主轴的启、停回答信号，以及数控系统的紧急停止信号等。这些信号有效时，均以低电平形式经过光耦隔离后传递到CPU以及输入接口芯片，有效电平均能保持200ms，甚至更长。而干扰信号多呈毛刺状，作用时间短。利用这一特点，可多次重复采集某一输入的开关量信号，直到连续几次采集结果完全一致时方为有效。若多次采集后，信号总是变化不定的，可停止采集，并给出报警信号。

　　本系统中，开关量输入信号的数据采集流程。采集总次数为10，只有连续3 次采集数据相同，才认为结果有效；延时时间可根据需要进行设定，在两次采集之间插入此延时，能够对付较宽的干扰。

　　2.5 输出信号的刷新技术

　　对于开关量的输出，软件抗干扰主要是采取输出信号的刷新技术，这是一种提高输出接口抗干扰性能的有效措施。对于那些用锁存器输出的控制信号，这些措施很有必要。在条件允许的情况下，重复输出的周期尽可能短一些。当输出端口受到某种干扰而输出错误信号时，外设还未来得及作出有效的反应，正确的信息又输出了，这样，就可以及时避免错误动作的发生。在执行重复输出功能时，对于可编程接口芯片，工作方式控制字与输出状态字一并重复设置，使输出模块可靠地工作。

　　经济型车床控制系统的输出均为数字信号，如步进电机的控制信号、电动刀架的驱动信号、主轴电机的启停信号、冷却泵的启停信号、电动卡盘的夹紧信号等。CPU 给出正确的数据输出后，外部干扰有可能使输出装置得到错误的数据。这种错误的输出结果，如果不采取得力措施加以补救，有可能造成不良后果。

　　（1）重复输出同一个数据设计软件时，可将I/O 芯片的输出过程安排在系统的监控循环中，监控循环周期短，可以有效地防止输出设备的误动作。但要注意，输出功能是作为一个完整的模块来执行的（比如一个字节）。采取这种方式设计软件时，必须为每个I/O 外部设备建立一个8 位的输出暂存单元，输出功能模块将所有暂存区的数据一一输出，不论这个数据是刚算好的还是原先算好的。

　　在对步进电机进行输出控制时，车床数控系统采用软件算法来实现环形分配器的功能，计算机直接输出步进电机各相绕组的通电状态，经过光电隔离后，传送给功率放大器。编制软件时，采用重复输出的方式，对于防止步进电机的失步，具有一定的效果，在一个换相周期内可以重复输出2~3 次。

　　（2）输出芯片的重复初始化

　　在车床数控系统中，用8255芯片来扩展输出功能，外设通过8255 芯片来获得单片机的控制信息，8255芯片在初始化时应明确规定各端口的职能。为了保证输出正确，输出功能模块每次在执行具体的数据输出之前，应该先执行8255的初始化命令，即，先对8255 写入工作方式控制字，再输出有关数据。

　　对于管理LED 显示器的8279 芯片，也采用同样的措施。每当调用显示子程序进行显示器的刷新时，首先对8279 进行一次初始化，重新设定其工作方式，然后再输出新的显示数据。

　　2.6 CPU的睡眠抗干扰技术

　　当干扰作用到CPU 本身时，CPU 不能按正常状态执行程序，将引起混乱。本系统选用AT89C52 芯片作为CPU，它通过执行ORL PCON，#01 指令可以使得CPU 进入睡眠状态。此时，只有定时/ 计数系统和中断系统处于工作状态，CPU 对系统三总线上的干扰没有反应，大大降低了系统对干扰的敏感性。

　　系统工作时，需要用交流接触器去驱动主轴电机和电动刀架电机。由于负载的工作电流大，启动电流更大，因此，在交流接触器动作的瞬间，将会产生很强的电磁干扰，并通过各种途径传到CPU，使计算机不能正常工作。尽管已经把计算机跟外部的连接信号都加了光电隔离，在用示波器观察计算机电源的地线和一些信号线时，仍然发现有干扰信号叠加在上面，持续时间大约在20ms 左右。这些干扰信号常常造成控制系统失灵、机床拖板乱跑、刀架乱转、用户程序丢失或者系统死机等故障。为了解决这一问题，给交流接触器的线圈两端加了RC灭弧阻容，把计算机跟外部的连接线换成了屏蔽线，但是，在电动刀架开始转位或在主轴电机突然启停时，上述的干扰现象仍然出现。最后采用CPU 睡眠抗干扰法解决了此问题。

　　2.7 关键数据的恢复技术

　　车床控制系统需要接受用户从操作面板键入的ISO 代码，将其转换成HEX 码，并送到外部数据存贮器62256RAM 中存储。每送完一个程序段，最后一个数据字节在62256 中的存贮地址（在此简称STAD），就是一个关键数据。STAD 在系统掉电时，需要进行保护，为此，必须将其也写入62256RAM中，并在硬件上建立一个掉电保护电路，使得62256RAM 中的数据在系统掉电后不会丢失。掉电保护电路虽然比较可靠，但是系统在上电或掉电的瞬间，62256 中的数据仍然有可能遭到破坏，STAD就有可能被改写，那么下次用户再输入程序时，在62256 中存贮数据的起始地址就会改变，原有的程序就有可能被破坏。一旦被写入的地址变成8255芯片的输出口地址的时候，步进电机的选通信号、驱动电源的高压开启信号，均有可能被置成有效，电动刀架和主轴也有可能旋转，将有可能引发事故。因此，在系统上电初始化的时候，需要首先检查一下STAD 有没有遭到破坏，如果遭到破坏，应在数据写入62256 之前，将STAD 尽快恢复。为此，采取以下措施。

　　用户每输入完一个程序段，编辑软件将程序数据最后一个字节在62256 中的存贮地址（是一个16位的地址，需要两个字节存放），同时送到外部RAM的（00FAH）（00FBH）、（00FCH）（00FDH）以及（00FEH）（00FFH）三组单元中，即将关键数据STAD建立三重备份数据（数据副本）。系统每次上电进行初始化时，通过表决程序恢复STAD 的原值。若三对存放单元中，有两对不一致，则表决失败；若三对存放单元中，有两对相一致，则表决成功。将S T A D 的三重备份建立在片外R A M ，是因为片外R A M 只有MOVX 指令才能修改，相比之下，片内RAM 中的数据可以被各种M O V 指令、算术指令、逻辑指令所修改，安全性差一些。

　　2.8 用户数据区的保护技术

　　上面提到，用户设定的参数以及编制的零件加工程序均要存贮在片外RAM62256 中，这些数据的写入均由CPU 通过执行指令“MOVX @DPTR,A”来实现。当CPU 受到干扰而非法执行该指令时，就会改写62256 中的数据，导致用户数据丢失。为了减小用户RAM 中数据丢失的可能性，可在对62256进行写操作之前加入条件陷阱，不满足条件时，不允许写入，并进行报警。程序格式如下：

　　2.9 设计软件的其他注意事项

　　提高数控系统的可靠性，除了采取上述软件措施以外，还应注意以下两点：①慎重使用堆栈。程序运行中经常与堆栈打交道，但堆栈操作因干扰而出错的几率较大，堆栈操作的次数越多，出错的概率就越大。因此，在使用堆栈操作时，级数不要使用太多，应尽量减少子程序的个数，特别注意不要使子程序嵌套太深。从抗干扰的角度考虑，堆栈区的设置应远离程序区和数据区，最好应单独设置，避免影响程序的其他部分。②数控系统在“自动运行”状态下，CPU的外部中断最好处于关闭状态。至于急停和限位这两个信号，在不影响系统运行速度的前提下，最好采用查询的方式，不用中断。这样，系统在自动运行时，关闭了所有中断，大大降低了外部干扰信号对系统的侵扰。而当系统工作在“编辑”状态或“参数设定”状态时，再将键盘中断放开，用户即可输入数据。

3 结语

　　本文提出的几种软件抗干扰技术，简单易行，不需要硬件投资，修改方便，通用性强，可靠性高。在笔者研制的多种经济型数控系统上使用，抗干扰效果显著。从单轴控制到4 轴联动，多个品种的数控系统，连续多次通过国家技术监督局机床质量监督检验中心的抗干扰测试。目前，3000余台经济型数控系统投入工厂稳定运行已有十年之久。实践证明，本文提出的软件抗干扰技术具有一定的推广应用价值。