單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾應(yīng)用實(shí)例

近年來(lái)，單片機(jī)以其體積小、價(jià)格廉、面向控制等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在各種工業(yè)控制、儀器儀表、設(shè)備、產(chǎn)品的自動(dòng)化、智能化方面獲得了廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性成為人們?cè)絹?lái)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(diǎn)

·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(dú)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?/p>

·1.25 V門限值檢測(cè)器，用于電源故障報(bào)警、電池低電壓檢測(cè)或＋5 V以外的電源監(jiān)控。

·低電平有效的手動(dòng)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(jiàn)圖1—1

1．2．2　各引腳功能及工作原理

（1）手動(dòng)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(hào).該輸入端的最小輸入脈寬要求可以有效地消除開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)。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(shí)，5號(hào)引腳輸出端的信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

（5）電源故障輸出端

電源正常時(shí)，保持高電平，電源電壓變低或掉電時(shí)，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

（6）看門狗信號(hào)輸入端（WDI）

程序正常運(yùn)行時(shí)，必須在小于1．6 s的時(shí)間間隔內(nèi)向該輸入端發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時(shí)器。若超過(guò)1．6 s該輸入端收不到脈沖信號(hào)，則內(nèi)部定時(shí)器溢出，8號(hào)引腳由高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

（7）復(fù)位信號(hào)輸出端（RST）

上電時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生200 ms的復(fù)位脈沖；手動(dòng)復(fù)位端輸入低電平時(shí)，該端也產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)輸出。

（8）看門狗信號(hào)輸出端

正常工作時(shí)輸出保持高電平，看門狗輸出時(shí)，該端輸出信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

2　電路設(shè)計(jì)

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(jī)系統(tǒng)故障的多數(shù)現(xiàn)象為“死機(jī)”。究其原因是CPU在執(zhí)行某條指令時(shí)，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(cuò)。這時(shí)，CPU執(zhí)行隨機(jī)拼寫(xiě)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(dòng)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(yùn)行。若程序發(fā)生“死機(jī)”，則看門狗產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，引導(dǎo)單片機(jī)程序重新進(jìn)入正常運(yùn)行。

此外，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)由于諸多大型用電設(shè)備的投入或撤出電網(wǎng)運(yùn)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(shí)，會(huì)造成重要的數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。若設(shè)法在電源電壓降至一定的限值之前，單片機(jī)快速地保存重要數(shù)據(jù)，將會(huì)最大限度地減少損失。

單片機(jī)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(shí)，激活掉電方式，與非門輸出為低電平，時(shí)鐘發(fā)生器停止工作，單片機(jī)內(nèi)所有運(yùn)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(lái)。在單片機(jī)系統(tǒng)中可借助于一定的外部附加電路監(jiān)測(cè)電源電壓，并在電源發(fā)生故障時(shí)及時(shí)通知單片機(jī)（如通過(guò)引發(fā)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)）快速保存重要數(shù)據(jù)，且斷開(kāi)外圍設(shè)備用電電源，使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的功耗降到最少。當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí)，取消掉電工作方式，通過(guò)復(fù)位單片機(jī)，使系統(tǒng)重新正常工作。

2．2　硬件實(shí)現(xiàn)電路圖

圖2—2給出了MAX813L在單片機(jī)系統(tǒng)中的典型應(yīng)用線路圖。此電路可以實(shí)現(xiàn)上電、瞬時(shí)掉電以及程序運(yùn)行出現(xiàn)“死機(jī)”時(shí)的自動(dòng)復(fù)位和隨時(shí)的手動(dòng)復(fù)位；并且可以實(shí)時(shí)地監(jiān)視電源故障，以便及時(shí)地保存數(shù)據(jù)。

本電路巧妙地利用了MAX813L的手動(dòng)復(fù)位輸入端。只要程序一旦跑飛引起程序“死機(jī)”，端電平由高到低，當(dāng)變低超過(guò)140 ms，將引起MAX813L產(chǎn)生一個(gè)200 ms的復(fù)位脈沖。同時(shí)使看門狗定時(shí)器清0和使引腳變成高電平。也可以隨時(shí)使用手動(dòng)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(kāi)關(guān)抖動(dòng)。

該電路可以實(shí)時(shí)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(shí)，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(shí)，電源故障輸出端電平由高變低，引起單片機(jī)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(kāi)外部用電電路等。

3　抗干擾程序設(shè)計(jì)

3．1　程序運(yùn)行“死機(jī)”及相應(yīng)對(duì)策

程序正常運(yùn)行時(shí)，由主程序在小于1．6 s的時(shí)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(gè)脈沖信號(hào)，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時(shí)器。實(shí)現(xiàn)指令為：

RST－PRG：SETB　P1．7

NOP　

CLR　P1．7

若超過(guò)1．6 s該輸入端收不到脈沖信號(hào)，則內(nèi)部看門狗定時(shí)器溢出，8號(hào)引腳由高電平變?yōu)榈碗娖健Ｒ餗AX813L產(chǎn)生一個(gè)200 ms的復(fù)位脈沖。同時(shí)使看門狗定時(shí)器清0和使引腳變成高電平。

需要引起注意的是，整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)完成復(fù)位后，在PC指針的指引下整個(gè)程序?qū)?000H地址處重新開(kāi)始初始化運(yùn)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(duì)單片機(jī)系統(tǒng)完成復(fù)位后，程序應(yīng)該先判斷是開(kāi)機(jī)運(yùn)行（冷啟動(dòng)）還是運(yùn)行過(guò)程中“死機(jī)”之后的重新加載運(yùn)行（熱啟動(dòng)）。因?yàn)橐话闱闆r下在這兩種啟動(dòng)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(dòng)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(jī)狀態(tài)等。而熱啟動(dòng)后往往不再對(duì)系統(tǒng)的資源自檢，同時(shí)應(yīng)盡量避免對(duì)各外圍設(shè)備修改設(shè)置，只是對(duì)單片機(jī)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(gè)連續(xù)的過(guò)程分解開(kāi)來(lái)，把它變成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的子過(guò)程（狀態(tài)）組成的連續(xù)過(guò)程。在主程序運(yùn)行過(guò)程中，適時(shí)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(yùn)行出現(xiàn)“死機(jī)”，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(shí)把該狀態(tài)下事先保存的參數(shù)取出，對(duì)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(yùn)行。根據(jù)這一思想設(shè)計(jì)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(duì)策

當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)，引起單片機(jī)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(kāi)外部用電電路等。為了做到這一點(diǎn)，必須把中斷優(yōu)先級(jí)（PX0）設(shè)為最高，特別是系統(tǒng)中還有其它中斷時(shí)，更應(yīng)如此。中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)置可通過(guò)中斷優(yōu)先寄存器IP實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，CPU內(nèi)部硬件自動(dòng)置位中斷標(biāo)志IE0，CPU響應(yīng)中斷，通過(guò)向量地址轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序時(shí)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(shí)器控制寄存器TCON中的IT0位決定。實(shí)現(xiàn)指令為：

SETB　TCON．0

設(shè)計(jì)好中斷服務(wù)程序?qū)τ谙到y(tǒng)的連續(xù)可靠運(yùn)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(shí)由備用電源供電，相應(yīng)實(shí)現(xiàn)電路未畫(huà)出）。發(fā)出控制信號(hào)斷開(kāi)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　＠R0，A

INC　R0；內(nèi)存緩沖區(qū)指針加1

INC　DPTR　；外存緩沖區(qū)指針加1

DJNZ　R1，INT0；保存完？沒(méi)完，繼續(xù)保存

SETB　PCON．1　；激活掉電方式

RET1

4　結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)巧妙地利用MAX813L芯片，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)的看門狗電路、電源故障監(jiān)視電路和手動(dòng)、自動(dòng)復(fù)位電路，電路結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)合理。結(jié)合本文給出的程序抗干擾設(shè)計(jì)方案，可有效地解決程序運(yùn)行中出現(xiàn)的“死機(jī)”現(xiàn)象和電源故障帶來(lái)的不利影響。在我們?cè)O(shè)計(jì)氮化鎵半導(dǎo)體薄膜生長(zhǎng)工藝流程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行表明：該方案設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)，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(jī)控制系統(tǒng)中去。