單片機(jī)休眠-復(fù)位運(yùn)行方式提高抗干擾能力

    關(guān)鍵詞：單片機(jī) 復(fù)位/休眠抗干擾

引 言

??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，在很大程度上取代了原來由數(shù)字邏輯電路、運(yùn)算放大電路組成的檢測、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：① 看門狗動作時，意味著已經(jīng)出現(xiàn)了錯誤，且運(yùn)行了一段時間，這在有些場合是不允許的；② 有時程序出現(xiàn)死循環(huán)錯誤，但是剛好把看門狗控制環(huán)節(jié)包含進(jìn)去，對于這樣的錯誤采用看門狗無法識別；③ 在檢測控制周期比較長的系統(tǒng)中，單片機(jī)花大量時間等待外設(shè)，執(zhí)行等待命令時同樣會受到干擾。針對這些情況，我們在實(shí)踐中嘗試了主動復(fù)位的辦法，采用等間隔的脈沖或根據(jù)外部條件對單片機(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)為例探討具體原理與實(shí)現(xiàn)方法，復(fù)位信號為高電平。

1 原理與實(shí)現(xiàn)方法

    1.1 無條件定時復(fù)位法

??用定時器、專用時鐘芯片或其它脈沖產(chǎn)生器，按照設(shè)定的間隔定時產(chǎn)生復(fù)位信號。這種方法特別適合監(jiān)測儀表。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，這就是定時復(fù)位法。這樣會使抗干擾能力大大增強(qiáng)，主要有2點(diǎn)：① 休眠時，程序停止運(yùn)行，不會出現(xiàn)PC指針紊亂引起的程序跑飛。如果工作與休眠的時間比例為1:9，也就是說，1s內(nèi)有0.1s的時間用來檢測、送顯示，有0.9s的時間休眠，程序受干擾的概率是全速運(yùn)行時的1/10，整體抗干擾能力提高了10倍。② 由于每1s無條件復(fù)位1次，一旦某次工作期間出現(xiàn)死機(jī)，在下次復(fù)位時肯定得以恢復(fù)。對于只是顯示的儀表，某1s偶然出現(xiàn)的讀數(shù)錯誤對下一次測量并沒有記憶，是可以承受的，屬“一過性”錯誤。這種定時復(fù)位相對于看門狗電路的優(yōu)點(diǎn)，一是把等待時間改為休眠狀態(tài) ，縮短可能受干擾的時間；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

??有些輸出或測量的啟動是由外部控制的。如暖氣熱表，靠熱水水輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖計算熱量，沒有熱水流動，就沒有熱量輸出，CPU只要保持原來數(shù)值即可，不需要計數(shù)。可以想象，停暖時熱水水輪不轉(zhuǎn)，CPU在春夏秋三季則無事可做；如果讓其休眠，而不是時刻檢測有無水輪脈沖，抗干擾能力會大大增強(qiáng)。因此，只要把水輪脈沖與CPU的復(fù)位聯(lián)系起來，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周時才進(jìn)行1個計數(shù)，用戶不用電，CPU會一直休眠。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。在有些場合，休眠的時間會很長，對提高抗干擾能力非常有效。

2 硬件實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

    2.1 無條件定時復(fù)位

??一般有2種方法。① 使用定時器或?qū)Ｓ脮r鐘芯片復(fù)位。圖1為使用555電路組成的定時電路；也可以使用X1126之類的時鐘芯片，設(shè)置報警時間后用報警信號喚醒CPU。這種方法適用于長間隔定時，還可以根據(jù)本次運(yùn)算的結(jié)果，臨時決定下一次的報警喚醒時間，非常靈活方便。② 使用系統(tǒng)固有的信號作為定時復(fù)位脈沖。例如使用50Hz工頻電源整形后作復(fù)位，既省略了定時器，同時又為檢測電流信號的相位采集了相應(yīng)的信號，如圖2所示。

    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)位高電平時間

??圖3中，復(fù)位信號在高電平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，復(fù)位信號的低電平Td期間是可供程序執(zhí)行的時間，這個時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)位信號的高電平占空比非常重要。對于單純顯示儀表，復(fù)位周期決定數(shù)據(jù)刷新周期，低電平時間要大于檢測、送顯示的全部時間；否則，會出現(xiàn)永遠(yuǎn)不能完整執(zhí)行程序的錯誤。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間安排在Tr內(nèi)。當(dāng)程序執(zhí)行時間較長，要求盡量縮短Tr時，可加入微分電路，如圖1中的C30、R26、D9。

    2.4 輸出端子的處理

??(1)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，正常輸出為低的引腳，會按照復(fù)位周期出現(xiàn)寬度為Tr的正脈沖。這個正脈沖會影響正常的輸出，有2個辦法處理：① 在端子上并聯(lián)電容加以抑制，容量根據(jù)復(fù)位的Tr時間確定。減小Tr可以減小并聯(lián)電容。② 把外圍電路設(shè)計成高電平無效。

??(2)容 錯

??適當(dāng)選取輸出端并聯(lián)電容的容量，可以實(shí)現(xiàn)容錯控制。在某個復(fù)位周期，因干擾輸出了錯誤電平。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；在下個周期，錯誤被糾正。因此，只要不是連續(xù)2個周期出錯，輸出是可容錯的。當(dāng)然，這種方法會使正常的輸出變化滯后一個周期，才真正反映到輸出端子。

    2.5 上電檢測與手動復(fù)位

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

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：① 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)；② 根據(jù)RAM中上一次留存下來的狀態(tài)，這些RAM在定時復(fù)位時是不能清零的；而在初上電或手動復(fù)位按下時應(yīng)清零，在軟件編制時要體現(xiàn)出來。如果計算時間允許，盡量采取方法1。因?yàn)檫B續(xù)2次復(fù)位周期都計算出錯的概率很小，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)跨越定時復(fù)位間隔的時序控制

??現(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 對于單純顯示儀表，每次復(fù)位后進(jìn)行測量、送顯示，兩次復(fù)位之間沒有因果關(guān)系，只需把原來的等待改為休眠即可。要注意的是，測量、送顯示用的總時間要小于復(fù)位低電平時間，否則會出現(xiàn)永遠(yuǎn)不能完整執(zhí)行程序的錯誤。② 對于有時序控制的應(yīng)用，每次復(fù)位后，先要查看上個周期留下的標(biāo)志，以決定本周期做什么。也就是說，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的間隔定時復(fù)位。它在上電后，經(jīng)過一定的動作順序達(dá)到正常工作狀態(tài)，如圖4；根據(jù)這個動作編寫軟件流程的一部分，如圖5。

??在圖4中，當(dāng)保護(hù)器初上電時，首先試送電0.5s，提示馬上就要送電；等待30s后正式送電。送電后的1s內(nèi)為啟動時間，不進(jìn)行過電流檢測。啟動完成后，如果一切正常，則把“正常標(biāo)志”置位，保護(hù)器在下一個復(fù)位周期進(jìn)入正常運(yùn)行。試送電的0.5s延時是對復(fù)位進(jìn)行25次計數(shù)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槊看螐?fù)位時間是20ms。初上電時，對內(nèi)部RAM做全部清零，令試送電計時Ts=25后休眠。下一次被復(fù)位后，再檢測上電引腳已不是初上電，于是進(jìn)行到試送電計時Ts的檢測。如果Ts≠0，說明在送電延時期間，把Ts減1后進(jìn)入休眠。當(dāng)Ts-1=0時，應(yīng)該進(jìn)入停電等待30s的過程了。就在Ts遞減到0的時候，令停電等待標(biāo)志Td=1500。當(dāng)程序再次由復(fù)位開始時，檢測到Ts=0但是Td≠0，表明已經(jīng)越過了試送電，現(xiàn)在正處于停電等待30s的過程中。這樣，整個進(jìn)程由Tr、Td、Ts等這些參數(shù)相互傳遞著，一步步進(jìn)行下去。

圖5 變壓器保護(hù)器部分程序流程

結(jié) 語

??抗干擾是電子設(shè)計中的重要問題，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)出各種錯誤或非法動作，使整個系統(tǒng)產(chǎn)生致命性錯誤。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，以及出錯后如何能夠容錯。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)計水平。