單片機(jī)休眠-復(fù)位運(yùn)行方式提高抗干擾能力

　　摘要：介紹一種用休眠-復(fù)位運(yùn)行方式提高單片機(jī)抗干擾能力的方法；分析其適用范圍，給出具體應(yīng)用電路；結(jié)合實(shí)例，分析這種運(yùn)行方式下硬件和軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

　　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(shì)，在很大程度上取代了原來(lái)由數(shù)字邏輯電路、運(yùn)算放大電路組成的檢測(cè)、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(chǎng)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(mén)狗電路等，可使這一問(wèn)題有較好的解決，但仍然存在問(wèn)題：① 看門(mén)狗動(dòng)作時(shí)，意味著已經(jīng)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，且運(yùn)行了一段時(shí)間，這在有些場(chǎng)合是不允許的；② 有時(shí)程序出現(xiàn)死循環(huán)錯(cuò)誤，但是剛好把看門(mén)狗控制環(huán)節(jié)包含進(jìn)去，對(duì)于這樣的錯(cuò)誤采用看門(mén)狗無(wú)法識(shí)別；③ 在檢測(cè)控制周期比較長(zhǎng)的系統(tǒng)中，單片機(jī)花大量時(shí)間等待外設(shè)，執(zhí)行等待命令時(shí)同樣會(huì)受到干擾。針對(duì)這些情況，我們?cè)趯?shí)踐中嘗試了主動(dòng)復(fù)位的辦法，采用等間隔的脈沖或根據(jù)外部條件對(duì)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(shí)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(wèn)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(hào)為高電平。

1 原理與實(shí)現(xiàn)方法

    1.1 無(wú)條件定時(shí)復(fù)位法

用定時(shí)器、專(zhuān)用時(shí)鐘芯片或其它脈沖產(chǎn)生器，按照設(shè)定的間隔定時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。這種方法特別適合監(jiān)測(cè)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(chǔ)顯示。這一過(guò)程很快，但為了讀數(shù)穩(wěn)定，每秒數(shù)據(jù)更新不過(guò)1～2次，CPU的大量時(shí)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(shí)復(fù)位法。這樣會(huì)使抗干擾能力大大增強(qiáng)，主要有2點(diǎn)：① 休眠時(shí)，程序停止運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)PC指針紊亂引起的程序跑飛。如果工作與休眠的時(shí)間比例為1:9，也就是說(shuō)，1s內(nèi)有0.1s的時(shí)間用來(lái)檢測(cè)、送顯示，有0.9s的時(shí)間休眠，程序受干擾的概率是全速運(yùn)行時(shí)的1/10，整體抗干擾能力提高了10倍。② 由于每1s無(wú)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(shí)肯定得以恢復(fù)。對(duì)于只是顯示的儀表，某1s偶然出現(xiàn)的讀數(shù)錯(cuò)誤對(duì)下一次測(cè)量并沒(méi)有記憶，是可以承受的，屬“一過(guò)性”錯(cuò)誤。這種定時(shí)復(fù)位相對(duì)于看門(mén)狗電路的優(yōu)點(diǎn)，一是把等待時(shí)間改為休眠狀態(tài) ，縮短可能受干擾的時(shí)間；二是避免了恰好包含看門(mén)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(cè)量的啟動(dòng)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(jì)算熱量，沒(méi)有熱水流動(dòng)，就沒(méi)有熱量輸出，CPU只要保持原來(lái)數(shù)值即可，不需要計(jì)數(shù)。可以想象，停暖時(shí)熱水水輪不轉(zhuǎn)，CPU在春夏秋三季則無(wú)事可做；如果讓其休眠，而不是時(shí)刻檢測(cè)有無(wú)水輪脈沖，抗干擾能力會(huì)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(lái)，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(lèi)似的應(yīng)用還有半電子式電度表，當(dāng)機(jī)械度盤(pán)旋轉(zhuǎn)1周時(shí)才進(jìn)行1個(gè)計(jì)數(shù)，用戶(hù)不用電，CPU會(huì)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(chǎng)合，休眠的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，對(duì)提高抗干擾能力非常有效。

2 硬件實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

    2.1 無(wú)條件定時(shí)復(fù)位

一般有2種方法。① 使用定時(shí)器或?qū)Ｓ脮r(shí)鐘芯片復(fù)位。圖1為使用555電路組成的定時(shí)電路；也可以使用X1126之類(lèi)的時(shí)鐘芯片，設(shè)置報(bào)警時(shí)間后用報(bào)警信號(hào)喚醒CPU。這種方法適用于長(zhǎng)間隔定時(shí)，還可以根據(jù)本次運(yùn)算的結(jié)果，臨時(shí)決定下一次的報(bào)警喚醒時(shí)間，非常靈活方便。② 使用系統(tǒng)固有的信號(hào)作為定時(shí)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(shí)器，同時(shí)又為檢測(cè)電流信號(hào)的相位采集了相應(yīng)的信號(hào)，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(duì)于上述水輪或電表度盤(pán)產(chǎn)生的脈沖，可以使用施密特觸發(fā)器整形；對(duì)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(shí)間

圖3中，復(fù)位信號(hào)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(guò)后，單片機(jī)開(kāi)始執(zhí)行程序。也就是說(shuō)，復(fù)位信號(hào)的低電平Td期間是可供程序執(zhí)行的時(shí)間，這個(gè)時(shí)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(hào)的高電平占空比非常重要。對(duì)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(shí)間要大于檢測(cè)、送顯示的全部時(shí)間；否則，會(huì)出現(xiàn)永遠(yuǎn)不能完整執(zhí)行程序的錯(cuò)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(shí)間安排在Tr內(nèi)。當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，要求盡量縮短Tr時(shí)，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(shuō)，正常輸出為低的引腳，會(huì)按照復(fù)位周期出現(xiàn)寬度為T(mén)r的正脈沖。這個(gè)正脈沖會(huì)影響正常的輸出，有2個(gè)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(shí)間確定。減小Tr可以減小并聯(lián)電容。② 把外圍電路設(shè)計(jì)成高電平無(wú)效。

(2)容 錯(cuò)

適當(dāng)選取輸出端并聯(lián)電容的容量，可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。在某個(gè)復(fù)位周期，因干擾輸出了錯(cuò)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(gè)周期，錯(cuò)誤被糾正。因此，只要不是連續(xù)2個(gè)周期出錯(cuò)，輸出是可容錯(cuò)的。當(dāng)然，這種方法會(huì)使正常的輸出變化滯后一個(gè)周期，才真正反映到輸出端子。

    2.5 上電檢測(cè)與手動(dòng)復(fù)位

有些系統(tǒng)在初上電時(shí)要做一些初始化操作。采用復(fù)位方式運(yùn)行時(shí)，每次復(fù)位已經(jīng)成為正常運(yùn)行的開(kāi)始條件，無(wú)法辨別是否初上電。在某引腳對(duì)地接一個(gè)1μF的電容，復(fù)位后檢測(cè)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(gè)復(fù)位按鈕，也就是常見(jiàn)的手動(dòng)復(fù)位，這個(gè)按鈕不是連接在復(fù)位端，而是并聯(lián)在上述引腳對(duì)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(shí)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(lái)的狀態(tài)，這些RAM在定時(shí)復(fù)位時(shí)是不能清零的；而在初上電或手動(dòng)復(fù)位按下時(shí)應(yīng)清零，在軟件編制時(shí)要體現(xiàn)出來(lái)。如果計(jì)算時(shí)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(jì)算出錯(cuò)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(shí)復(fù)位間隔的時(shí)序控制

現(xiàn)在用復(fù)位方式工作，每次從頭開(kāi)始反復(fù)執(zhí)行同一程序?？煞譃?種情況：① 對(duì)于單純顯示儀表，每次復(fù)位后進(jìn)行測(cè)量、送顯示，兩次復(fù)位之間沒(méi)有因果關(guān)系，只需把原來(lái)的等待改為休眠即可。要注意的是，測(cè)量、送顯示用的總時(shí)間要小于復(fù)位低電平時(shí)間，否則會(huì)出現(xiàn)永遠(yuǎn)不能完整執(zhí)行程序的錯(cuò)誤。② 對(duì)于有時(shí)序控制的應(yīng)用，每次復(fù)位后，先要查看上個(gè)周期留下的標(biāo)志，以決定本周期做什么。也就是說(shuō)，凡是跨過(guò)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(shí)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(shí)復(fù)位。它在上電后，經(jīng)過(guò)一定的動(dòng)作順序達(dá)到正常工作狀態(tài)，如圖4；根據(jù)這個(gè)動(dòng)作編寫(xiě)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(shí)，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(dòng)時(shí)間，不進(jìn)行過(guò)電流檢測(cè)。啟動(dòng)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(gè)復(fù)位周期進(jìn)入正常運(yùn)行。試送電的0.5s延時(shí)是對(duì)復(fù)位進(jìn)行25次計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槊看螐?fù)位時(shí)間是20ms。初上電時(shí)，對(duì)內(nèi)部RAM做全部清零，令試送電計(jì)時(shí)Ts=25后休眠。下一次被復(fù)位后，再檢測(cè)上電引腳已不是初上電，于是進(jìn)行到試送電計(jì)時(shí)Ts的檢測(cè)。如果Ts≠0，說(shuō)明在送電延時(shí)期間，把Ts減1后進(jìn)入休眠。當(dāng)Ts-1=0時(shí)，應(yīng)該進(jìn)入停電等待30s的過(guò)程了。就在Ts遞減到0的時(shí)候，令停電等待標(biāo)志Td=1500。當(dāng)程序再次由復(fù)位開(kāi)始時(shí)，檢測(cè)到Ts=0但是Td≠0，表明已經(jīng)越過(guò)了試送電，現(xiàn)在正處于停電等待30s的過(guò)程中。這樣，整個(gè)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。

結(jié) 語(yǔ)

抗干擾是電子設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)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(cuò)誤或非法動(dòng)作，使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生致命性錯(cuò)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(xiǎn)，以及出錯(cuò)后如何能夠容錯(cuò)。本文力圖從這兩方面作些探索，希望這些粗淺見(jiàn)解能夠起些拋磚引玉的作用，對(duì)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(jì)水平。