MAX813L在51單片機系統(tǒng)抗干擾中的應(yīng)用及工作原理

本文在分析MAX813L工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實踐給出了其在51單片機系統(tǒng)中的具體抗干擾應(yīng)用實例。詳細(xì)介紹了硬件電路的工作原理和相應(yīng)的系統(tǒng)程序抗干擾編程方法。
[摘　要]　文章介紹了MAX813L的性能特點和工作原理，并給出了在51單片機系統(tǒng)抗干擾中的具體應(yīng)用實例，詳細(xì)介紹了硬件連接電路和相應(yīng)的軟件抗干擾編程技巧。
[關(guān)鍵詞]　MAX813L；抗干擾；單片機
　　近年來，單片機以其體積小、價格廉、面向控制等獨特優(yōu)點，在各種工業(yè)控制、儀器儀表、設(shè)備、產(chǎn)品的自動化、智能化方面獲得了廣泛的應(yīng)用。與此同時，單片機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性成為人們越來越關(guān)注的重要課題。影響可靠性的因素是多方面的，如構(gòu)成系統(tǒng)的元器件本身的可靠性、系統(tǒng)本身各部分之間的相互耦合因素等。其中系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。

1　MAX813L芯片及其工作原理
1．1　芯片特點　　
· 加電、掉電以及供電電壓下降情況下的復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度典型值為200 ms。
· 獨立的看門狗輸出，如果看門狗輸入在1．6 s內(nèi)未被觸發(fā)，其輸出將變?yōu)楦唠娖健?br />· 1.25 V門限值檢測器，用于電源故障報警、電池低電壓檢測或＋5 V以外的電源監(jiān)控。
· 低電平有效的手動復(fù)位輸入。
　　· 8引腳DIP封裝。
1．2　MAX813L的引腳及功能　　
1．2．1　MAX813L芯片引腳排列見圖1—1

1．2．2　各引腳功能及工作原理
（1）手動復(fù)位輸入端
　　當(dāng)該端輸入低電平保持140 ms以上，MAX813L就輸出復(fù)位信號.該輸入端的最小輸入脈寬要求可以有效地消除開關(guān)的抖動。與TTL/CMOS兼容。
（2）工作電源端（VCC）：接+5V電源。
（3）電源接地端（GND）：接0 V參考電平。
（4）電源故障輸入端（PFI）
　　當(dāng)該端輸入電壓低于1．25 V時，5號引腳輸出端的信號由高電平變?yōu)榈碗娖健?br />　?。?）電源故障輸出端
　　電源正常時，保持高電平，電源電壓變低或掉電時，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖健?br />（6）看門狗信號輸入端（WDI）
　　程序正常運行時，必須在小于1．6 s的時間間隔內(nèi)向該輸入端發(fā)送一個脈沖信號，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時器。若超過1．6 s該輸入端收不到脈沖信號，則內(nèi)部定時器溢出，8號引腳由高電平變?yōu)榈碗娖健?br />（7）復(fù)位信號輸出端（RST）
　　上電時，自動產(chǎn)生200 ms的復(fù)位脈沖；手動復(fù)位端輸入低電平時，該端也產(chǎn)生復(fù)位信號輸出。
（8）看門狗信號輸出端
　　正常工作時輸出保持高電平，看門狗輸出時，該端輸出信號由高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

2　電路設(shè)計
2．1　基本工作原理　　
　　工業(yè)環(huán)境中的干擾大多是以窄脈沖的形式出現(xiàn)，而最終造成微機系統(tǒng)故障的多數(shù)現(xiàn)象為“死機”。究其原因是CPU在執(zhí)行某條指令時，受干擾的沖擊，使它的操作碼或地址碼發(fā)生改變，致使該條指令出錯。這時，CPU執(zhí)行隨機拼寫的指令，甚至將操作數(shù)作為操作碼執(zhí)行，導(dǎo)致程序“跑飛”或進(jìn)入“死循環(huán)”。為使這種“跑飛”或進(jìn)入“死循環(huán)”的程序自動恢復(fù)，重新正常工作，一種有效的辦法是采用硬件“看門狗”技術(shù)。用看門狗監(jiān)視程序的運行。若程序發(fā)生“死機”，則看門狗產(chǎn)生復(fù)位信號，引導(dǎo)單片機程序重新進(jìn)入正常運行。

　　此外，工業(yè)現(xiàn)場由于諸多大型用電設(shè)備的投入或撤出電網(wǎng)運行，往往造成系統(tǒng)的電源電壓不穩(wěn)，當(dāng)電源電壓降低或掉電時，會造成重要的數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)不能正常運行。若設(shè)法在電源電壓降至一定的限值之前，單片機快速地保存重要數(shù)據(jù)，將會最大限度地減少損失。
　　單片機的掉電工作方式電路原理圖如圖2—1所示：當(dāng)PD設(shè)置為1時，激活掉電方式，與非門輸出為低電平，時鐘發(fā)生器停止工作，單片機內(nèi)所有運行狀態(tài)均被停止，只有片內(nèi)RAM和SFR中的數(shù)據(jù)被保存起來。在單片機系統(tǒng)中可借助于一定的外部附加電路監(jiān)測電源電壓，并在電源發(fā)生故障時及時通知單片機（如通過引發(fā)中斷來實現(xiàn)）快速保存重要數(shù)據(jù)，且斷開外圍設(shè)備用電電源，使整個應(yīng)用系統(tǒng)的功耗降到最少。當(dāng)電源恢復(fù)正常時，取消掉電工作方式，通過復(fù)位單片機，使系統(tǒng)重新正常工作。

2．2　硬件實現(xiàn)電路圖
　　圖2—2給出了MAX813L在單片機系統(tǒng)中的典型應(yīng)用線路圖。此電路可以實現(xiàn)上電、瞬時掉電以及程序運行出現(xiàn)“死機”時的自動復(fù)位和隨時的手動復(fù)位；并且可以實時地監(jiān)視電源故障，以便及時地保存數(shù)據(jù)。
　　本電路巧妙地利用了MAX813L的手動復(fù)位輸入端。只要程序一旦跑飛引起程序“死機”，端電平由高到低，當(dāng)變低超過140 ms，將引起MAX813L產(chǎn)生一個200 ms的復(fù)位脈沖。同時使看門狗定時器清0和使引腳變成高電平。也可以隨時使用手動復(fù)位按鈕使MAX813L產(chǎn)生復(fù)位脈沖，由于為產(chǎn)生復(fù)位脈沖端要求低電平至少保持140ms以上，故可以有效地消除開關(guān)抖動。
　　該電路可以實時地監(jiān)視電源故障（掉電、電壓降低等）。圖2—2中R1的一端接未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電源。電源正常時，確保R2上的電壓高于1．26 V，即保證MAX813L的PFI輸入端電平高于1.26 V。當(dāng)電源發(fā)生故障，PFI輸入端的電平低于1．25 V時，電源故障輸出端電平由高變低，引起單片機中斷，CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，保護(hù)數(shù)據(jù)，斷開外部用電電路等。

3　抗干擾程序設(shè)計
3．1　程序運行“死機”及相應(yīng)對策
程序正常運行時，由主程序在小于1．6 s的時間間隔內(nèi)周期性地從P1．7端向MAX813L的WDI輸入端發(fā)送一個脈沖信號，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時器。實現(xiàn)指令為：
RST－PRG：SETB　P1．7
NOP　　　　　
CLR　P1．7
若超過1．6 s該輸入端收不到脈沖信號，則內(nèi)部看門狗定時器溢出，8號引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?。引起MAX813L產(chǎn)生一個200 ms的復(fù)位脈沖。同時使看門狗定時器清0和使引腳變成高電平。
　　需要引起注意的是，整個單片機系統(tǒng)完成復(fù)位后，在PC指針的指引下整個程序?qū)?000H地址處重新開始初始化運行，而這在很多情況下是不允許的（如連續(xù)的工藝流程），為此必須采取相應(yīng)的措施。首先在對單片機系統(tǒng)完成復(fù)位后，程序應(yīng)該先判斷是開機運行（冷啟動）還是運行過程中“死機”之后的重新加載運行（熱啟動）。因為一般情況下在這兩種啟動方式下，系統(tǒng)程序在進(jìn)入主流程前所要做的工作往往不同。如冷啟動后，系統(tǒng)程序在初始化程序中往往要進(jìn)行系統(tǒng)資源的自檢以及將各外圍設(shè)備設(shè)置為相應(yīng)的待機狀態(tài)等。而熱啟動后往往不再對系統(tǒng)的資源自檢，同時應(yīng)盡量避免對各外圍設(shè)備修改設(shè)置，只是對單片機系統(tǒng)本身的一些資源進(jìn)行必要的設(shè)置工作。其次，在大多數(shù)情況下，我們總可以把一個連續(xù)的過程分解開來，把它變成一個個獨立的子過程（狀態(tài)）組成的連續(xù)過程。在主程序運行過程中，適時保存相應(yīng)狀態(tài)和該狀態(tài)下的相關(guān)參數(shù)。這樣當(dāng)程序運行出現(xiàn)“死機”，在MAX813L作用下系統(tǒng)復(fù)位和初始化后，將首先查詢事先保存的狀態(tài)參數(shù)，然后根據(jù)此參數(shù)決定程序的流向。同時把該狀態(tài)下事先保存的參數(shù)取出，對系統(tǒng)外圍設(shè)備進(jìn)行必要的恢復(fù)設(shè)置工作和引導(dǎo)程序繼續(xù)運行。根據(jù)這一思想設(shè)計的系統(tǒng)程序流程圖如圖3—1所示。
3．2　電源故障及相應(yīng)對策　　
　　當(dāng)電源發(fā)生故障時，引起單片機中斷，CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，保護(hù)數(shù)據(jù)，斷開外部用電電路等。為了做到這一點，必須把中斷優(yōu)先級（PX0）設(shè)為最高，特別是系統(tǒng)中還有其它中斷時，更應(yīng)如此。中斷優(yōu)先級的設(shè)置可通過中斷優(yōu)先寄存器IP實現(xiàn)，此外還要設(shè)置中斷允許寄存器IE的總允許位（EA）及外部中斷0中斷允許位（EX0）。實現(xiàn)指令為：

SETB　IP．0　　　　；設(shè)置PX0＝1
SETB　IE．7　　　　；設(shè)置EA＝1　　
SETB　IE．0　　　??；設(shè)置EX0＝1

　
　　至于中斷源的觸發(fā)方式。如果選擇電平觸發(fā)，則中斷擦除時必須外加輔助電路，否則中斷不能正常執(zhí)行；如果選擇跳變觸發(fā)，當(dāng)端出現(xiàn)負(fù)跳變時，CPU內(nèi)部硬件自動置位中斷標(biāo)志IE0，CPU響應(yīng)中斷，通過向量地址轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序時IE0被硬件清0。所以基于上述分析，必須選用跳變觸發(fā)方式。觸發(fā)方式由定時器控制寄存器TCON中的IT0位決定。實現(xiàn)指令為：
SETB　TCON．0
　　設(shè)計好中斷服務(wù)程序?qū)τ谙到y(tǒng)的連續(xù)可靠運行具有重要意義。在中斷服務(wù)程序中，先保存重要數(shù)據(jù)到片內(nèi)RAM（掉電時由備用電源供電，相應(yīng)實現(xiàn)電路未畫出）。發(fā)出控制信號斷開外圍設(shè)備，最后把電源控制寄存器PCON的PD位置1，激活掉電工作方式，中斷返回。中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)如下（其中R0代表保存的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的緩沖區(qū)首址，DPTR代表要保存的數(shù)據(jù)在外部RAM中的緩沖區(qū)首址，R1代表要保存的數(shù)據(jù)字節(jié)量）：
INT0：MOVX　A，＠DPTR　 ；保存數(shù)據(jù)
MOV?。繰0，A
INC　R0　　　　　　　??；內(nèi)存緩沖區(qū)指針加1
INC　DPTR　　　　　　?。煌獯婢彌_區(qū)指針加1
DJNZ　R1，INT0　　　 ?。槐４嫱?？沒完，繼續(xù)保存
SETB　PCON．1　　　　?。患せ畹綦姺绞?br />RET1　　　　

4　結(jié)束語
本系統(tǒng)巧妙地利用MAX813L芯片，實現(xiàn)了單片機系統(tǒng)的看門狗電路、電源故障監(jiān)視電路和手動、自動復(fù)位電路，電路結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計合理。結(jié)合本文給出的程序抗干擾設(shè)計方案，可有效地解決程序運行中出現(xiàn)的“死機”現(xiàn)象和電源故障帶來的不利影響。在我們設(shè)計氮化鎵半導(dǎo)體薄膜生長工藝流程實時監(jiān)控系統(tǒng)中實際運行表明：該方案設(shè)計合理，運行可靠，抗干擾能力強，達(dá)到了滿意的使用效果，并且可推廣應(yīng)用到其它的單片機控制系統(tǒng)中去。