基于32位單片機(jī)的高可靠性系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對單片機(jī)控制的要求也越來越高，需要單片機(jī)具備更高的反應(yīng)速度和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，各種高性能的新型單片機(jī)得到了迅猛的發(fā)展和應(yīng)用。單片機(jī)上主要是高速的數(shù)字信號，弱信號很容易受到外界的電磁干擾，同時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)也會發(fā)生掉電、死循環(huán)等問題。在工業(yè)控制場合，一旦控制發(fā)生錯(cuò)誤，將會造成難以估計(jì)的損失。因此，如何提高控制的可靠性是長期以來的一個(gè)重要問題。本文介紹了應(yīng)用32位高性能單片機(jī)mc68hc376的一種實(shí)際開發(fā)方案，同時(shí)重點(diǎn)討論了提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。 mc68hc376 是motorola 公司推出的一種新型的32 位高性能單片機(jī)，具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算和信息存儲能力，且支持bdm(background debug mode)模式。通過簡易的專用電纜接口，可以直接對微控制器系統(tǒng)進(jìn)行仿真開發(fā)和燒錄程序。此外，由于mc68hc376 內(nèi)部集成度高，外部擴(kuò)展工作少，因此本身具有較強(qiáng)的抗干擾能力；同時(shí)通過外 部硬件電路以及軟件的抗干擾設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的可靠性。

1 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

mc68hc376 的集成度高，其主要功能模塊包括32位cpu；系統(tǒng)集成模塊(sim)；4k備用ram；8k 片內(nèi)rom；10位隊(duì)列式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(qadc)；隊(duì)列式串行通信模塊(qsm)；可構(gòu)造時(shí)鐘模塊(ctm4)；時(shí)間處理單元(tpu)；3.5k靜態(tài)tpuram；can 控制模塊(toucan)。其基本性能如下：

(1) 24位地址總線、16位數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，支持32位數(shù)據(jù)操作。

(2) 2個(gè)8位雙功能i/o，1個(gè)7位雙功能i/o，16~44個(gè)模擬量輸入通道。

(3) 具有系統(tǒng)保護(hù)邏輯，同時(shí)可進(jìn)行時(shí)鐘監(jiān)視和總線監(jiān)視。

(4) 速度快，在4.194mhz的晶振下系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)20.97mhz。

(5) 功耗低，具備低功率休眠功能。

(6) 支持高級語言和背景調(diào)試。 系統(tǒng)擴(kuò)展的基本結(jié)構(gòu) mc68hc376 內(nèi)部集成度較高，因而其所需的外圍擴(kuò)展工作較少?；窘Y(jié)構(gòu)包括外部flash rom、ram、模擬量輸入通道、數(shù)字量輸入通道、鍵盤、液晶顯示、rs-232電平轉(zhuǎn)換器max232和can 控制器can250等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。本文重點(diǎn)討論系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

微處理器硬件監(jiān)控電路

本文采用監(jiān)控器max705 芯片構(gòu)成外部監(jiān)控電路，電路外部接線如圖2 所示。該電路具有看門狗定時(shí)器、自動和手動復(fù)位功能，以及電壓門限監(jiān)測功能。 由于在系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓不足時(shí)， cpu 和總線邏輯狀態(tài)不確定，因此應(yīng)該將微控制器維持在復(fù)位的狀態(tài)，以避免控制錯(cuò)誤。對于max705，復(fù)位門限電壓為4.65v，故當(dāng)vcc低于4.65v時(shí)，系統(tǒng)保持在復(fù)位狀態(tài)。同時(shí)，將vcc 與pfi 引腳相連，當(dāng)vcc低于1.25v時(shí)，由pfo 引腳輸出示警信號，若較長時(shí)間處于電源示警狀態(tài)，則可能出現(xiàn)電源故障，應(yīng)該加以處理。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由mc68hc376 的ctm4 模塊的ctd4通道以小于1.6s 的間隔定時(shí)向max705的wdi 引腳提供脈沖；一旦系統(tǒng)不能正常運(yùn)行而導(dǎo)致max705的wdi 引腳失去脈沖時(shí)，看門狗定時(shí)溢出使得/wdo為低，由于/wdo與手動復(fù)位引腳/mr相連，因此/reset腳向mc68hc376發(fā)出低有效的復(fù)位信號，使系統(tǒng)恢復(fù)到復(fù)位狀態(tài)。
外部濾波電路 由于系統(tǒng)采用外部參考頻率源，為了提高系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性和可靠性，所以需要在mc68hc376 的xfc 腳上接入濾波電路。該電路應(yīng)盡可能降低xfc 腳的泄露電流，以提高時(shí)鐘的穩(wěn)定性和內(nèi)部鎖相環(huán)的性能。圖3所示為高穩(wěn)定的濾波電路。

輸出驅(qū)動電路可靠性設(shè)計(jì)

控制裝置通過對系統(tǒng)狀況進(jìn)行監(jiān)測和分析后，向控制和調(diào)節(jié)的動作單元提供控制信號。如果輸出信號受到干擾或者由于裝置故障而發(fā)出錯(cuò)誤的控制信號，那么會因產(chǎn)生錯(cuò)誤的調(diào)節(jié)控制動作而使系統(tǒng)受到危害。因此，對于輸出驅(qū)動電路應(yīng)該加以相應(yīng)的閉鎖控制和抗干擾設(shè)計(jì)，以提高控制的可靠性。

(1) 閉鎖控制電路 這里采用可再觸發(fā)雙/單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74ls123 來構(gòu)成輸出閉鎖電路，電路接線如圖4 所示。 將74ls123 的a 腳與mc68hc376 的ctm4 模塊的ctd4通道相連，由于在正常情況下ctd4定時(shí)提供脈沖，使得振蕩電路不能發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此時(shí)，/q保持為1；如果裝置故障，使得ctd4 失去脈沖，則振蕩電路使得/q翻轉(zhuǎn)變?yōu)?，因此閉鎖信號變?yōu)? 對輸出控制信號閉鎖。同時(shí)，與門40