寧丹丹

摘要:本文介紹一種用休眠-復(fù)位運(yùn)行方式提高單片機(jī)抗干擾能力的方法;分析其適用范圍,給出具體應(yīng)用電路;結(jié)合實(shí)例,分析這種運(yùn)行方式下硬件和軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:單片機(jī);復(fù)位/休眠抗干擾

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,單片機(jī)的性能迅速提高,在運(yùn)算、邏輯控制、智能化方面顯示出非凡的優(yōu)勢(shì),在很大程度上取代了原來(lái)由數(shù)字邏輯電路、運(yùn)算放大電路組成的檢測(cè)、控制電路,應(yīng)用非常廣泛。但由于它存在著死機(jī)、程序跑飛等致命缺陷,使它在許多重要場(chǎng)合的應(yīng)用受到限制。在抗干擾方面的許多技術(shù),比如設(shè)軟件陷阱、加硬件看門狗電路等,可使這一問題有較好的解決,但仍然存在問題:看門狗動(dòng)作時(shí),意味著已經(jīng)出現(xiàn)了錯(cuò)誤,且運(yùn)行了一段時(shí)間,這在有些場(chǎng)合是不允許的;有時(shí)程序出現(xiàn)死循環(huán)錯(cuò)誤,但是剛好把看門狗控制環(huán)節(jié)包含進(jìn)去,對(duì)于這樣的錯(cuò)誤采用看門狗無(wú)法識(shí)別;在檢測(cè)控制周期比較長(zhǎng)的系統(tǒng)中,單片機(jī)花大量時(shí)間等待外設(shè),執(zhí)行等待命令時(shí)同樣會(huì)受到干擾。針對(duì)這些情況,我們?cè)趯?shí)踐中嘗試了主動(dòng)復(fù)位的辦法,采用等間隔的脈沖或根據(jù)外部條件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位喚醒。每次復(fù)位后,單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序,執(zhí)行完任務(wù)后及時(shí)進(jìn)入休眠,等待下次復(fù)位。用此方法較好地解決了上述問題,并在農(nóng)用變壓器綜合保護(hù)器實(shí)驗(yàn)中得到了較好的效果。下面以51系列單片機(jī)為例探討原理與實(shí)現(xiàn)方法,復(fù)位信號(hào)為高電平。

1 原理與實(shí)現(xiàn)方法

1.1 無(wú)條件定時(shí)復(fù)位法。用定時(shí)器、專用時(shí)鐘芯片或其它脈沖產(chǎn)生器,按照設(shè)定的間隔定時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。這種方法特別適合監(jiān)測(cè)儀表。在實(shí)際運(yùn)行中,往往是用A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸入的模擬量,然后進(jìn)行存儲(chǔ)顯示。這一過程很快,但為了讀數(shù)穩(wěn)定,每秒數(shù)據(jù)更新不過1～2次,CPU的大量時(shí)間用于等待。如果讓CPU執(zhí)行完任務(wù)后直接進(jìn)入休眠,然后由外界復(fù)位喚醒它去執(zhí)行下一次操作,這就是定時(shí)復(fù)位法。這樣會(huì)使抗干擾能力大大增強(qiáng),主要有2點(diǎn):①休眠時(shí),程序停止運(yùn)行,不會(huì)出現(xiàn)PC指針紊亂引起的程序跑飛。如果工作與休眠的時(shí)間比例為1:9,也就是說(shuō),1s內(nèi)有0.1s的時(shí)間用來(lái)檢測(cè)、送顯示,有0.9s的時(shí)間休眠,程序受干擾的概率是全速運(yùn)行時(shí)的1/10,整體抗干擾能力提高了10倍。②由于每1s無(wú)條件復(fù)位1次,一旦某次工作期間出現(xiàn)死機(jī),在下次復(fù)位時(shí)肯定得以恢復(fù)。對(duì)于只是顯示的儀表,某1s偶然出現(xiàn)的讀數(shù)錯(cuò)誤對(duì)下一次測(cè)量并沒有記憶,是可以承受的,屬“一過性”錯(cuò)誤。這種定時(shí)復(fù)位相對(duì)于看門狗電路的優(yōu)點(diǎn),一是把等待時(shí)間改為休眠狀態(tài),縮短可能受干擾的時(shí)間;二是避免了恰好包含看門狗控制環(huán)節(jié)的死循環(huán)。

1.2 外部條件復(fù)位法。有些輸出或測(cè)量的啟動(dòng)是由外部控制的。如暖氣熱表,靠熱水水輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖計(jì)算熱量,沒有熱水流動(dòng),就沒有熱量輸出,CPU只要保持原來(lái)數(shù)值即可,不需要計(jì)數(shù)?？梢韵胂?停暖時(shí)熱水水輪不轉(zhuǎn),CPU在春夏秋三季則無(wú)事可做;如果讓其休眠,而不是時(shí)刻檢測(cè)有無(wú)水輪脈沖,抗干擾能力會(huì)大大增強(qiáng)。因此,只要把水輪脈沖與CPU的復(fù)位聯(lián)系起來(lái),水輪每旋轉(zhuǎn)1周,CPU復(fù)位1次,熱表就可以正常工作了,這就是外部條件復(fù)位法。類似的應(yīng)用還有半電子式電度表,當(dāng)機(jī)械度盤旋轉(zhuǎn)1周時(shí)才進(jìn)行1個(gè)計(jì)數(shù),用戶不用電,CPU會(huì)一直休眠。這種方法的復(fù)位間隔不是固定的,而是根據(jù)外部條件確定的。在有些場(chǎng)合,休眠的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng),對(duì)提高抗干擾能力非常有效。

2 硬件實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

2.1 無(wú)條件定時(shí)復(fù)位。一般有2種方法。①使用定時(shí)器或?qū)Ｓ脮r(shí)鐘芯片復(fù)位;也可以使用X1126之類的時(shí)鐘芯片,設(shè)置報(bào)警時(shí)間后用報(bào)警信號(hào)喚醒CPU。這種方法適用于長(zhǎng)間隔定時(shí),還可以根據(jù)本次運(yùn)算的結(jié)果,臨時(shí)決定下一次的報(bào)警喚醒時(shí)間,非常靈活方便。②使用系統(tǒng)固有的信號(hào)作為定時(shí)復(fù)位脈沖。例如使用50Hz工頻電源整形后作復(fù)位,既省略了定時(shí)器,同時(shí)又為檢測(cè)電流信號(hào)的相位采集了相應(yīng)的信號(hào)。

2.2 外部條件復(fù)位。把外部條件脈沖整形后送到復(fù)位端子。對(duì)于上述水輪或電表度盤產(chǎn)生的脈沖,可以使用施密特觸發(fā)器整形;對(duì)于記錄最大或最小值的儀器,可使用窗口比較器。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的電子化,可以使用電子電位器,用單片機(jī)指令設(shè)定上下限。

2.3 復(fù)位周期與復(fù)位高電平時(shí)間。復(fù)位信號(hào)在高電平TR期間,單片機(jī)處在復(fù)位狀態(tài),程序不運(yùn)行,抗干擾能力最強(qiáng);高電平過后,單片機(jī)開始執(zhí)行程序。也就是說(shuō),復(fù)位信號(hào)的低電平TD期間是可供程序執(zhí)行的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間要大于每次程序的執(zhí)行周期。合理選擇復(fù)位周期和復(fù)位信號(hào)的高電平占空比非常重要。對(duì)于單純顯示儀表,復(fù)位周期決定數(shù)據(jù)刷新周期,低電平時(shí)間要大于檢測(cè)、送顯示的全部時(shí)間;否則,會(huì)出現(xiàn)永遠(yuǎn)不能完整執(zhí)行程序的錯(cuò)誤。單片機(jī)在TS和TR期間都能有效地抗干擾,但是最好還是把多余時(shí)間安排在TR內(nèi)。

2.4 輸出端子的處理。復(fù)位期間的正脈沖。復(fù)位期間單片機(jī)的全部I/O口變成高電平。也就是說(shuō),正常輸出為低的引腳,會(huì)按照復(fù)位周期出現(xiàn)寬度為TR的正脈沖。這個(gè)正脈沖會(huì)影響正常的輸出,有2個(gè)辦法處理:①在端子上并聯(lián)電容加以抑制,容量根據(jù)復(fù)位的TR時(shí)間確定。減小TR可以減小并聯(lián)電容。②把外圍電路設(shè)計(jì)成高電平無(wú)效。容錯(cuò)。適當(dāng)選取輸出端并聯(lián)電容的容量,可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。在某個(gè)復(fù)位周期,因干擾輸出了錯(cuò)誤電平。由于電容的保持作用,在本周期內(nèi)尚不能使輸出變化到有效的電平;在下個(gè)周期,錯(cuò)誤被糾正。因此,只要不是連續(xù)2個(gè)周期出錯(cuò),輸出是可容錯(cuò)的。當(dāng)然,這種方法會(huì)使正常的輸出變化滯后一個(gè)周期,才真正反映到輸出端子。

2.5 上電檢測(cè)與手動(dòng)復(fù)位。有些系統(tǒng)在初上電時(shí)要做一些初始化操作。采用復(fù)位方式運(yùn)行時(shí),每次復(fù)位已經(jīng)成為正常運(yùn)行的開始條件,無(wú)法辨別是否初上電。在某引腳對(duì)地接一個(gè)1ΜF(xiàn)的電容,復(fù)位后檢測(cè)該引腳,如果是低電平就是初上電。如果給系統(tǒng)設(shè)立一個(gè)復(fù)位按鈕,也就是常見的手動(dòng)復(fù)位,這個(gè)按鈕不是連接在復(fù)位端,而是并聯(lián)在上述引腳對(duì)地的電容兩端。

3 軟件實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

3.1 輸出恢復(fù)與不清零RAM。定時(shí)復(fù)位后全部引腳變成高電平,使得本應(yīng)為低的引腳發(fā)生了不應(yīng)有的變化,因此,復(fù)位后要立即恢復(fù)所有引腳的狀態(tài)。有2種方法:本次復(fù)位后立即進(jìn)行分析判斷,根據(jù)需要給出引腳狀態(tài);根據(jù)RAM中上一次留存下來(lái)的狀態(tài),這些RAM在定時(shí)復(fù)位時(shí)是不能清零的;而在初上電或手動(dòng)復(fù)位按下時(shí)應(yīng)清零,在軟件編制時(shí)要體現(xiàn)出來(lái)。如果計(jì)算時(shí)間允許,盡量采取方法1。因?yàn)檫B續(xù)2次復(fù)位周期都計(jì)算出錯(cuò)的概率很小,按照2.4敘述的輸出端子并聯(lián)電容的處理方法,可以達(dá)到很好的抗干擾效果。

3.2 實(shí)現(xiàn)跨越定時(shí)復(fù)位間隔的時(shí)序控制?，F(xiàn)在用復(fù)位方式工作,每次從頭開始反復(fù)執(zhí)行同一程序?？煞譃?種情況:①對(duì)于單純顯示儀表,每次復(fù)位后進(jìn)行測(cè)量、送顯示,兩次復(fù)位之間沒有因果關(guān)系,只需把原來(lái)的等待改為休眠即可。要注意的是,測(cè)量、送顯示用的總時(shí)間要小于復(fù)位低電平時(shí)間,否則會(huì)出現(xiàn)永遠(yuǎn)不能完整執(zhí)行程序的錯(cuò)誤。②對(duì)于有時(shí)序控制的應(yīng)用,每次復(fù)位后,先要查看上個(gè)周期留下的標(biāo)志,以決定本周期做什么。也就是說(shuō),凡是跨過復(fù)位周期的操作,都是靠標(biāo)志傳遞的,這些標(biāo)志存放在內(nèi)部RAM中,只有初上電時(shí)才清零。例如,前面提到的變壓器綜合保護(hù)器,按照20MS的間隔定時(shí)復(fù)位。

結(jié)語(yǔ)?？垢蓴_是電子設(shè)計(jì)中的重要問題,在單片機(jī)中尤其重要。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)有程序跑飛的特殊性,它受到干擾的后果可能是死機(jī),也可能在死機(jī)前發(fā)出各種錯(cuò)誤或非法動(dòng)作,使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生致命性錯(cuò)誤。因此,僅僅保證單片機(jī)不死機(jī)還不夠,還要研究如何減少受干擾的風(fēng)險(xiǎn),以及出錯(cuò)后如何能夠容錯(cuò)。本文力圖從這兩方面作些探索,希望這些粗淺見解能夠起些拋磚引玉的作用,對(duì)大家有所幫助;也希望各位同仁一起探索,共同提高我們的設(shè)計(jì)水平。