用現(xiàn)場電磁兼容性理論剖析單片機系統(tǒng)設(shè)計解析方案

單片機系統(tǒng)在軍事、工業(yè)、民用產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣。它將許多以往用硬件實現(xiàn)的功能由軟件來完成，體積小巧、功能豐富、智能化程序度，但在可靠性方面也面臨許多新問題。用現(xiàn)場電磁兼容性(EMC)理論剖析單片機系統(tǒng)設(shè)計中的某些傳統(tǒng)觀念，會發(fā)現(xiàn)許多誤區(qū)，并且有些誤區(qū)至今還在工程界廣為存在。

1 誤區(qū)之一：有了看門狗就不會死機

死機是指CPU的程序指針進入一個死循環(huán)，無法執(zhí)行正常的程序流程。其外在表現(xiàn)常常是：正常功能喪失，按鍵無響應(yīng)，顯示凝固。單片機死機后，只有復(fù)全才能走出死循環(huán)，執(zhí)行正常的程序流程。眾所屬知，克服死機的最有效手段是加看門狗(WatchDog)。

目前用得最廣泛的看門狗實際上是一個特殊的定時器DogTimer。DogTimer按固定速率計時，計滿預(yù)定時間就發(fā)出溢出脈沖使單片機復(fù)位。如果每次在 DogTimer溢出前強行讓DogTimer清零，就不會發(fā)出溢出脈沖。清零脈沖由CPU發(fā)出，在單片機程序中每隔一段語句放一個清DogTimer的語句——FeedDog語句，以保證程序正常運行時DogTimer不會溢出。一旦程序進入一個不含F(xiàn)eedDog語句的死循環(huán)，DogTimer將溢出，導(dǎo)致單片機復(fù)位，跳出這個死循環(huán)。本文稱這種看門狗為典型看門狗，典型看門狗已被集成比，如MAX706、MAX791等[1];還有許多單片機本身集成了這種看門狗，如PIC16C57、MC68HC705等，具體電路可參閱這些芯片的技術(shù)資料[2]。

有一個錯誤觀點：加了看門狗，單片機就不會死機。實際上，看門狗有時間會完全失效。當程序進入某個死循環(huán)，而這個死循環(huán)中又包含F(xiàn)eedDog語句，這時 DogTimer始終不會溢出，單片機始終得不到復(fù)位信號，程序也就始終跳不出這個死循環(huán)。針對這一弊端，筆者設(shè)計了雙對限看門狗和定時復(fù)位看門狗。

雙時限看門狗有兩個定時器;一個為短定時器，一個為長定時器。短定時器定時為T1，長定時器定時為 T2，0

這樣，當程序進入某個死循環(huán)，如果這個死循環(huán)包含短定時器FeedDog語句而不包含長定時器 FeedDog語句，那么長定時順終將溢出，使單片機復(fù)位。巧妙安排長定時器FeedDog語句的位置，可保證出現(xiàn)死機的概率根低。在水輪發(fā)電機組微機控制裝置中的對比應(yīng)用證明了這一點[3]。

目前幾乎所有的看門狗都是依賴于CPU(依賴于CPU FeedDog)。這可以比作：一個保險設(shè)備能否起到保險作用還依賴于被它保護的對象的行為。顯然，依賴于CPU的看門狗是不能保證單片機在分之百不死機的。

在絕對不允許死機的裝置中，筆者設(shè)計了一種完全不依賴于CPU的看門狗——定時復(fù)位看門狗。定時復(fù)位看門狗的主體也是一個定時器，到預(yù)定時間就發(fā)出溢出脈沖，此溢出脈沖使單片機強行復(fù)位。定時復(fù)位看門狗不需要CPU FeedDog。

簡言之，定時復(fù)位看門狗就是定時地讓單片機強行復(fù)位。這樣，即使裝置死機，其最大死機時間也不會大于定時器定時時間。顯然，只要硬件完好，這種看門狗百分之百地保證了單片機不會長時間死機。在智能電表(包括IC卡電能表、復(fù)費率電能表、多功能電能表 [4])中采用了定時復(fù)位看門狗，每1秒讓CPU強行復(fù)位，迄今數(shù)十萬電表運行了近五年，無一例死機報告。

必須指出，采用這種看門狗，CPU的編程要適應(yīng)定時復(fù)位的環(huán)境，保證定時復(fù)位不打斷那些不能打斷的程序，不造成任何誤動作。

2 誤區(qū)之二：加電源濾波器能提高EMC性能

在單片機系統(tǒng)中，為了抑制電磁干擾(EMI)，常常在交流電源進線與電源變壓器之間加電磁濾波器。常用電源濾波器如圖1。

圖1都是雙II型LC濾波器，其中C0專用于旁路差模干擾。兩者的不同之處在于：圖1(b)兩個電容接大地。設(shè)電感的電阻為R，它們的隔頻特性分別是：

當R很小時，上述兩個濾波器的諧振頻率分別為：