0 引言

　　經濟型數控系統(tǒng)通常追求高的性能/價格比，系統(tǒng)關鍵功能如插補功能的實現一般都是通過軟件來實現的。因此，在設計系統(tǒng)的時候，需要盡量降低硬件的成本。為了保證經濟性，不可能選用太好的電源濾波器和開關電源，也不可能采用成本過高的硬件冗余技術，CPU 芯片通常也只是選用商用級或民品級的8位單片機。但是，數控系統(tǒng)多數工作在環(huán)境惡劣、干擾嚴重的場合，竄入系統(tǒng)的干擾，其頻譜往往很寬，且具有隨機性。采用廉價的硬件抗干擾措施，只能抑制某些高頻段的干擾，而頻率較低的干擾信號仍會侵入系統(tǒng)。因此，除了采用硬件抗干擾設計以外，還要采取一定的軟件抗干擾技術，做到“軟硬兼施”。使用軟件抗干擾技術的優(yōu)點在于，不需要增加硬件投資，使用靈活，修改方便。

1 軟件抗干擾常用方法

　　軟件抗干擾技術所研究的主要內容，其一是采取軟件的方法抑制迭加在模擬輸入信號上的噪聲的影響，如數字濾波技術；其二是由于干擾而使運行程序發(fā)生混亂，導致程序“亂飛”或陷入“死循環(huán)”時所采取的使程序納入正軌的措施，如指令冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術等。在經濟型數控系統(tǒng)中，進、出信號多為數字信號，軟件抗干擾主要從以下幾方面來考慮：指令冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術、輸入信號的重復檢測、輸出信號的刷新、CPU的睡眠抗干擾、關鍵數據的恢復以及用戶數據的保護等。

2 經濟型數控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術

　　2.1 指令冗余技術

　　MCS-51 的指令由操作碼和操作數組成。單字節(jié)指令僅有操作碼；雙字節(jié)指令第一個字節(jié)是操作碼，第二個字節(jié)是操作數; 3字節(jié)指令第一個字節(jié)為操作碼，后兩個字節(jié)為操作數。CPU 取指時，先取操作碼，后取操作數。如何區(qū)別某個數據是操作碼還是操作數，這完全由取指的順序來決定。CPU 復位后，首先取出指令的操作碼，然后取出操作數。當一條指令執(zhí)行完畢，緊接著又去取下一條指令的操作碼與操作數。這些操作的時序完全由程序計數器PC 來控制。因此，一旦PC 因干擾而出現錯誤，程序便脫離正常的運行軌道，出現“亂飛”的現象，導致操作數的數值改變或者將操作數當成操作碼的錯誤產生。當程序“亂飛”到某個單字節(jié)指令上時，可以自動納入正軌；當“亂飛”到某雙字節(jié)指令上時，若恰恰在取指令的時刻落在操作數上，就會將該操作數當成操作碼，程序將出錯；當程序“亂飛”到某個3 字節(jié)指令上時，因為有兩個操作數，誤將操作數當成操作碼的幾率將會更大。用單字節(jié)指令，并在關鍵地方人為地插入一些單字節(jié)指令NOP，或將有效的單字節(jié)指令重復寫幾次。這種方式稱之為指令冗余。可在雙字節(jié)指令和3 字節(jié)指令之后插入兩個NOP，這可保證其后的指令不被拆散。因為“亂飛”的程序即使落到操作數上，由于NOP 的存在，不會將其后的指令當成操作數來執(zhí)行，從而使程序納入正軌。對程序流向起決定作用的指令（如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ 等）和某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)起重要作用的指令（如SETB EA 等），可在之前插入兩個NOP，以保證“亂飛”的程序迅速落入正軌；對于某些子程序必要時可以連續(xù)多次重復調用，某些狀態(tài)的查詢也可多次進行。

　　采用冗余技術使PC 納入正軌的條件是:跑飛的PC必須指向程序運行區(qū)，并且有可能執(zhí)行到冗余指令。

　　2.2 軟件陷阱技術

　　當“亂飛”的程序進入非程序區(qū)（如EPROM 未使用的空間）或表格區(qū)時，采用冗余指令使程序入軌的條件不滿足，此時可以設定軟件陷阱，攔截“亂飛”的程序，用引導指令強行將捕獲到的“亂飛”程序引向復位入口地址0000H，并在此處對出錯進行處理，使程序納入正軌。軟件陷阱可采用兩種形式。

　　形式之一的機器碼為：00 00 02 00 00

　　形式之二的機器碼為：02 02 02 02 00 00

　　根據“亂飛”程序落入陷阱區(qū)的位置不同，可選擇表1 中的一種方式，使程序納入正軌，指定運行到預定位置。軟件陷阱通常安排在未使用的中斷區(qū)、未使用的EPROM 區(qū)、非EPROM 區(qū)、運行程序區(qū)以及中斷服務程序區(qū)等。

　　2.3 “看門狗”技術

　　PC 受到干擾而失控，引起程序“亂飛”，也可能使程序陷入“死循環(huán)”。指令冗余技術、軟件陷阱技術都不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，本系統(tǒng)采用程序監(jiān)視技術，又稱“看門狗”（Watchdog）技術，使程序脫離“死循環(huán)”。數控系統(tǒng)的應用程序通常都采用循環(huán)運行的方式，循環(huán)周期基本固定。“看門狗”技術就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運行的時間，若發(fā)現時間超過已知的循環(huán)設定時間，則認為系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”，然后強迫程序返回到0000H入口，在此處安排一段出錯處理程序，使系統(tǒng)納入運行正軌。本系統(tǒng)設置了一個16 位的監(jiān)視定時器，定時器啟動后，每個機器周期自動加1，當計數器溢出時，復位器MAX708 就把CPU 的RESET 引腳拉成高電平，從而使CPU 復位。需要注意的是，使用監(jiān)視定時器時，系統(tǒng)軟件應在每次定時器溢出前將定時器清0。因此，一旦程序因干擾不能順利運行或死機時，定時器將會很快產生溢出，從而使得CPU 立即復位，不至于造成事故的發(fā)生。

　　2.4 輸入信號的重復檢測技術

　　輸入信號的干擾是迭加在有效電平信號上的一系列離散的尖脈沖，這些脈沖信號的作用時間很短。當數控系統(tǒng)面臨輸入干擾，又不能用硬件加以有效抑制時，可以采用軟件重復檢測的方法，達到“去偽存真”的目的。車床數控系統(tǒng)在工作時，需要接收一些外部的開關量輸入信號：如縱、橫向拖板的限位信號，自動回轉刀架的刀位信號與換刀回答信號，自動卡盤的夾緊回答信號，車床主軸的啟、?；卮鹦盘?，以及數控系統(tǒng)的緊急停止信號等。這些信號有效時，均以低電平形式經過光耦隔離后傳遞到CPU以及輸入接口芯片，有效電平均能保持200ms，甚至更長。而干擾信號多呈毛刺狀，作用時間短。利用這一特點，可多次重復采集某一輸入的開關量信號，直到連續(xù)幾次采集結果完全一致時方為有效。若多次采集后，信號總是變化不定的，可停止采集，并給出報警信號。

　　本系統(tǒng)中，開關量輸入信號的數據采集流程。采集總次數為10，只有連續(xù)3 次采集數據相同，才認為結果有效；延時時間可根據需要進行設定，在兩次采集之間插入此延時，能夠對付較寬的干擾。

　　2.5 輸出信號的刷新技術

　　對于開關量的輸出，軟件抗干擾主要是采取輸出信號的刷新技術，這是一種提高輸出接口抗干擾性能的有效措施。對于那些用鎖存器輸出的控制信號，這些措施很有必要。在條件允許的情況下，重復輸出的周期盡可能短一些。當輸出端口受到某種干擾而輸出錯誤信號時，外設還未來得及作出有效的反應，正確的信息又輸出了，這樣，就可以及時避免錯誤動作的發(fā)生。在執(zhí)行重復輸出功能時，對于可編程接口芯片，工作方式控制字與輸出狀態(tài)字一并重復設置，使輸出模塊可靠地工作。

　　經濟型車床控制系統(tǒng)的輸出均為數字信號，如步進電機的控制信號、電動刀架的驅動信號、主軸電機的啟停信號、冷卻泵的啟停信號、電動卡盤的夾緊信號等。CPU 給出正確的數據輸出后，外部干擾有可能使輸出裝置得到錯誤的數據。這種錯誤的輸出結果，如果不采取得力措施加以補救，有可能造成不良后果。

　　（1）重復輸出同一個數據設計軟件時，可將I/O 芯片的輸出過程安排在系統(tǒng)的監(jiān)控循環(huán)中，監(jiān)控循環(huán)周期短，可以有效地防止輸出設備的誤動作。但要注意，輸出功能是作為一個完整的模塊來執(zhí)行的（比如一個字節(jié)）。采取這種方式設計軟件時，必須為每個I/O 外部設備建立一個8 位的輸出暫存單元，輸出功能模塊將所有暫存區(qū)的數據一一輸出，不論這個數據是剛算好的還是原先算好的。

　　在對步進電機進行輸出控制時，車床數控系統(tǒng)采用軟件算法來實現環(huán)形分配器的功能，計算機直接輸出步進電機各相繞組的通電狀態(tài)，經過光電隔離后，傳送給功率放大器。編制軟件時，采用重復輸出的方式，對于防止步進電機的失步，具有一定的效果，在一個換相周期內可以重復輸出2~3 次。

　　（2）輸出芯片的重復初始化

　　在車床數控系統(tǒng)中，用8255芯片來擴展輸出功能，外設通過8255 芯片來獲得單片機的控制信息，8255芯片在初始化時應明確規(guī)定各端口的職能。為了保證輸出正確，輸出功能模塊每次在執(zhí)行具體的數據輸出之前，應該先執(zhí)行8255的初始化命令，即，先對8255 寫入工作方式控制字，再輸出有關數據。

　　對于管理LED 顯示器的8279 芯片，也采用同樣的措施。每當調用顯示子程序進行顯示器的刷新時，首先對8279 進行一次初始化，重新設定其工作方式，然后再輸出新的顯示數據。

　　2.6 CPU的睡眠抗干擾技術

　　當干擾作用到CPU 本身時，CPU 不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，將引起混亂。本系統(tǒng)選用AT89C52 芯片作為CPU，它通過執(zhí)行ORL PCON，#01 指令可以使得CPU 進入睡眠狀態(tài)。此時，只有定時/ 計數系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，CPU 對系統(tǒng)三總線上的干擾沒有反應，大大降低了系統(tǒng)對干擾的敏感性。

　　系統(tǒng)工作時，需要用交流接觸器去驅動主軸電機和電動刀架電機。由于負載的工作電流大，啟動電流更大，因此，在交流接觸器動作的瞬間，將會產生很強的電磁干擾，并通過各種途徑傳到CPU，使計算機不能正常工作。盡管已經把計算機跟外部的連接信號都加了光電隔離，在用示波器觀察計算機電源的地線和一些信號線時，仍然發(fā)現有干擾信號疊加在上面，持續(xù)時間大約在20ms 左右。這些干擾信號常常造成控制系統(tǒng)失靈、機床拖板亂跑、刀架亂轉、用戶程序丟失或者系統(tǒng)死機等故障。為了解決這一問題，給交流接觸器的線圈兩端加了RC滅弧阻容，把計算機跟外部的連接線換成了屏蔽線，但是，在電動刀架開始轉位或在主軸電機突然啟停時，上述的干擾現象仍然出現。最后采用CPU 睡眠抗干擾法解決了此問題。

　　2.7 關鍵數據的恢復技術

　　車床控制系統(tǒng)需要接受用戶從操作面板鍵入的ISO 代碼，將其轉換成HEX 碼，并送到外部數據存貯器62256RAM 中存儲。每送完一個程序段，最后一個數據字節(jié)在62256 中的存貯地址（在此簡稱STAD），就是一個關鍵數據。STAD 在系統(tǒng)掉電時，需要進行保護，為此，必須將其也寫入62256RAM中，并在硬件上建立一個掉電保護電路，使得62256RAM 中的數據在系統(tǒng)掉電后不會丟失。掉電保護電路雖然比較可靠，但是系統(tǒng)在上電或掉電的瞬間，62256 中的數據仍然有可能遭到破壞，STAD就有可能被改寫，那么下次用戶再輸入程序時，在62256 中存貯數據的起始地址就會改變，原有的程序就有可能被破壞。一旦被寫入的地址變成8255芯片的輸出口地址的時候，步進電機的選通信號、驅動電源的高壓開啟信號，均有可能被置成有效，電動刀架和主軸也有可能旋轉，將有可能引發(fā)事故。因此，在系統(tǒng)上電初始化的時候，需要首先檢查一下STAD 有沒有遭到破壞，如果遭到破壞，應在數據寫入62256 之前，將STAD 盡快恢復。為此，采取以下措施。

　　用戶每輸入完一個程序段，編輯軟件將程序數據最后一個字節(jié)在62256 中的存貯地址（是一個16位的地址，需要兩個字節(jié)存放），同時送到外部RAM的（00FAH）（00FBH）、（00FCH）（00FDH）以及（00FEH）（00FFH）三組單元中，即將關鍵數據STAD建立三重備份數據（數據副本）。系統(tǒng)每次上電進行初始化時，通過表決程序恢復STAD 的原值。若三對存放單元中，有兩對不一致，則表決失敗；若三對存放單元中，有兩對相一致，則表決成功。將S T A D 的三重備份建立在片外R A M ，是因為片外R A M 只有MOVX 指令才能修改，相比之下，片內RAM 中的數據可以被各種M O V 指令、算術指令、邏輯指令所修改，安全性差一些。

　　2.8 用戶數據區(qū)的保護技術

　　上面提到，用戶設定的參數以及編制的零件加工程序均要存貯在片外RAM62256 中，這些數據的寫入均由CPU 通過執(zhí)行指令“MOVX @DPTR,A”來實現。當CPU 受到干擾而非法執(zhí)行該指令時，就會改寫62256 中的數據，導致用戶數據丟失。為了減小用戶RAM 中數據丟失的可能性，可在對62256進行寫操作之前加入條件陷阱，不滿足條件時，不允許寫入，并進行報警。程序格式如下：

　　2.9 設計軟件的其他注意事項

　　提高數控系統(tǒng)的可靠性，除了采取上述軟件措施以外，還應注意以下兩點：①慎重使用堆棧。程序運行中經常與堆棧打交道，但堆棧操作因干擾而出錯的幾率較大，堆棧操作的次數越多，出錯的概率就越大。因此，在使用堆棧操作時，級數不要使用太多，應盡量減少子程序的個數，特別注意不要使子程序嵌套太深。從抗干擾的角度考慮，堆棧區(qū)的設置應遠離程序區(qū)和數據區(qū)，最好應單獨設置，避免影響程序的其他部分。②數控系統(tǒng)在“自動運行”狀態(tài)下，CPU的外部中斷最好處于關閉狀態(tài)。至于急停和限位這兩個信號，在不影響系統(tǒng)運行速度的前提下，最好采用查詢的方式，不用中斷。這樣，系統(tǒng)在自動運行時，關閉了所有中斷，大大降低了外部干擾信號對系統(tǒng)的侵擾。而當系統(tǒng)工作在“編輯”狀態(tài)或“參數設定”狀態(tài)時，再將鍵盤中斷放開，用戶即可輸入數據。

3 結語

　　本文提出的幾種軟件抗干擾技術，簡單易行，不需要硬件投資，修改方便，通用性強，可靠性高。在筆者研制的多種經濟型數控系統(tǒng)上使用，抗干擾效果顯著。從單軸控制到4 軸聯動，多個品種的數控系統(tǒng)，連續(xù)多次通過國家技術監(jiān)督局機床質量監(jiān)督檢驗中心的抗干擾測試。目前，3000余臺經濟型數控系統(tǒng)投入工廠穩(wěn)定運行已有十年之久。實踐證明，本文提出的軟件抗干擾技術具有一定的推廣應用價值。