單片機休眠-復位運行方式提高抗干擾能力

    關鍵詞：單片機 復位/休眠抗干擾

引 言

??隨著微電子技術的飛速發展，單片機的性能迅速提高，在運算、邏輯控制、智能化方面顯示出非凡的優勢，在很大程度上取代了原來由數字邏輯電路、運算放大電路組成的檢測、控制電路，應用非常廣泛。但由于它存在著死機、程序跑飛等致命缺陷，使它在許多重要場合的應用受到限制。在抗干擾方面的許多技術，比如設軟件陷阱、加硬件看門狗電路等，可使這一問題有較好的解決，但仍然存在問題：① 看門狗動作時，意味著已經出現了錯誤，且運行了一段時間，這在有些場合是不允許的；② 有時程序出現死循環錯誤，但是剛好把看門狗控制環節包含進去，對于這樣的錯誤采用看門狗無法識別；③ 在檢測控制周期比較長的系統中，單片機花大量時間等待外設，執行等待命令時同樣會受到干擾。針對這些情況，我們在實踐中嘗試了主動復位的辦法，采用等間隔的脈沖或根據外部條件對單片機進行復位喚醒。每次復位后，單片機執行相應的程序，執行完任務后及時進入休眠，等待下次復位。用此方法較好地解決了上述問題，并在農用變壓器綜合保護器實驗中得到了較好的效果。下面以51系列單片機為例探討具體原理與實現方法，復位信號為高電平。

1 原理與實現方法

    1.1 無條件定時復位法

??用定時器、專用時鐘芯片或其它脈沖產生器，按照設定的間隔定時產生復位信號。這種方法特別適合監測儀表。在實際運行中，往往是用A/D轉換器采樣輸入的模擬量，然后進行存儲顯示。這一過程很快，但為了讀數穩定，每秒數據更新不過1～2次，CPU的大量時間用于等待。如果讓CPU執行完任務后直接進入休眠，然后由外界復位喚醒它去執行下一次操作，這就是定時復位法。這樣會使抗干擾能力大大增強，主要有2點：① 休眠時，程序停止運行，不會出現PC指針紊亂引起的程序跑飛。如果工作與休眠的時間比例為1:9，也就是說，1s內有0.1s的時間用來檢測、送顯示，有0.9s的時間休眠，程序受干擾的概率是全速運行時的1/10，整體抗干擾能力提高了10倍。② 由于每1s無條件復位1次，一旦某次工作期間出現死機，在下次復位時肯定得以恢復。對于只是顯示的儀表，某1s偶然出現的讀數錯誤對下一次測量并沒有記憶，是可以承受的，屬“一過性”錯誤。這種定時復位相對于看門狗電路的優點，一是把等待時間改為休眠狀態 ，縮短可能受干擾的時間；二是避免了恰好包含看門狗控制環節的死循環。

    1.2 外部條件復位法

??有些輸出或測量的啟動是由外部控制的。如暖氣熱表，靠熱水水輪旋轉產生的脈沖計算熱量，沒有熱水流動，就沒有熱量輸出，CPU只要保持原來數值即可，不需要計數?？梢韵胂?，停暖時熱水水輪不轉，CPU在春夏秋三季則無事可做；如果讓其休眠，而不是時刻檢測有無水輪脈沖，抗干擾能力會大大增強。因此，只要把水輪脈沖與CPU的復位聯系起來，水輪每旋轉1周，CPU復位1次，熱表就可以正常工作了，這就是外部條件復位法。類似的應用還有半電子式電度表，當機械度盤旋轉1周時才進行1個計數，用戶不用電，CPU會一直休眠。這種方法的復位間隔不是固定的，而是根據外部條件確定的。在有些場合，休眠的時間會很長，對提高抗干擾能力非常有效。

2 硬件實現要點

    2.1 無條件定時復位

??一般有2種方法。① 使用定時器或專用時鐘芯片復位。圖1為使用555電路組成的定時電路；也可以使用X1126之類的時鐘芯片，設置報警時間后用報警信號喚醒CPU。這種方法適用于長間隔定時，還可以根據本次運算的結果，臨時決定下一次的報警喚醒時間，非常靈活方便。② 使用系統固有的信號作為定時復位脈沖。例如使用50Hz工頻電源整形后作復位，既省略了定時器，同時又為檢測電流信號的相位采集了相應的信號，如圖2所示。

    2.2 外部條件復位

??把外部條件脈沖整形后送到復位端子。對于上述水輪或電表度盤產生的脈沖，可以使用施密特觸發器整形；對于記錄最大或最小值的儀器，可使用窗口比較器。為了實現調節的電子化，可以使用電子電位器，用單片機指令設定上下限。

    2.3 復位周期與復位高電平時間

??圖3中，復位信號在高電平Tr期間，單片機處在復位狀態，程序不運行，抗干擾能力最強；高電平過后，單片機開始執行程序。也就是說，復位信號的低電平Td期間是可供程序執行的時間，這個時間要大于每次程序的執行周期。合理選擇復位周期和復位信號的高電平占空比非常重要。對于單純顯示儀表，復位周期決定數據刷新周期，低電平時間要大于檢測、送顯示的全部時間；否則，會出現永遠不能完整執行程序的錯誤。單片機在Ts和Tr期間都能有效地抗干擾，但是最好還是把多余時間安排在Tr內。當程序執行時間較長，要求盡量縮短Tr時，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)復位期間的正脈沖

??復位期間單片機的全部I/O口變成高電平。也就是說，正常輸出為低的引腳，會按照復位周期出現寬度為Tr的正脈沖。這個正脈沖會影響正常的輸出，有2個辦法處理：① 在端子上并聯電容加以抑制，容量根據復位的Tr時間確定。減小Tr可以減小并聯電容。② 把外圍電路設計成高電平無效。

??(2)容 錯

??適當選取輸出端并聯電容的容量，可以實現容錯控制。在某個復位周期，因干擾輸出了錯誤電平。由于電容的保持作用，在本周期內尚不能使輸出變化到有效的電平；在下個周期，錯誤被糾正。因此，只要不是連續2個周期出錯，輸出是可容錯的。當然，這種方法會使正常的輸出變化滯后一個周期，才真正反映到輸出端子。

    2.5 上電檢測與手動復位

??有些系統在初上電時要做一些初始化操作。采用復位方式運行時，每次復位已經成為正常運行的開始條件，無法辨別是否初上電。在某引腳對地接一個1μF的電容，復位后檢測該引腳，如果是低電平就是初上電。如果給系統設立一個復位按鈕，也就是常見的手動復位，這個按鈕不是連接在復位端，而是并聯在上述引腳對地的電容兩端。

3 軟件實現要點

    3.1 輸出恢復與不清零RAM

??定時復位后全部引腳變成高電平，使得本應為低的引腳發生了不應有的變化，因此，復位后要立即恢復所有引腳的狀態。有2種方法：① 本次復位后立即進行分析判斷，根據需要給出引腳狀態；② 根據RAM中上一次留存下來的狀態，這些RAM在定時復位時是不能清零的；而在初上電或手動復位按下時應清零，在軟件編制時要體現出來。如果計算時間允許，盡量采取方法1。因為連續2次復位周期都計算出錯的概率很小，按照2.4敘述的輸出端子并聯電容的處理方法，可以達到很好的抗干擾效果。

    3.2 實現跨越定時復位間隔的時序控制

??現在用復位方式工作，每次從頭開始反復執行同一程序?？煞譃?種情況：① 對于單純顯示儀表，每次復位后進行測量、送顯示，兩次復位之間沒有因果關系，只需把原來的等待改為休眠即可。要注意的是，測量、送顯示用的總時間要小于復位低電平時間，否則會出現永遠不能完整執行程序的錯誤。② 對于有時序控制的應用，每次復位后，先要查看上個周期留下的標志，以決定本周期做什么。也就是說，凡是跨過復位周期的操作，都是靠標志傳遞的，這些標志存放在內部RAM中，只有初上電時才清零。例如，前面提到的變壓器綜合保護器，按照20ms的間隔定時復位。它在上電后，經過一定的動作順序達到正常工作狀態，如圖4；根據這個動作編寫軟件流程的一部分，如圖5。

??在圖4中，當保護器初上電時，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內為啟動時間，不進行過電流檢測。啟動完成后，如果一切正常，則把“正常標志”置位，保護器在下一個復位周期進入正常運行。試送電的0.5s延時是對復位進行25次計數實現的，因為每次復位時間是20ms。初上電時，對內部RAM做全部清零，令試送電計時Ts=25后休眠。下一次被復位后，再檢測上電引腳已不是初上電，于是進行到試送電計時Ts的檢測。如果Ts≠0，說明在送電延時期間，把Ts減1后進入休眠。當Ts-1=0時，應該進入停電等待30s的過程了。就在Ts遞減到0的時候，令停電等待標志Td=1500。當程序再次由復位開始時，檢測到Ts=0但是Td≠0，表明已經越過了試送電，現在正處于停電等待30s的過程中。這樣，整個進程由Tr、Td、Ts等這些參數相互傳遞著，一步步進行下去。

圖5 變壓器保護器部分程序流程

結 語

??抗干擾是電子設計中的重要問題，在單片機中尤其重要。這是因為單片機有程序跑飛的特殊性，它受到干擾的后果可能是死機，也可能在死機前發出各種錯誤或非法動作，使整個系統產生致命性錯誤。因此，僅僅保證單片機不死機還不夠，還要研究如何減少受干擾的風險，以及出錯后如何能夠容錯。本文力圖從這兩方面作些探索，希望這些粗淺見解能夠起些拋磚引玉的作用，對大家有所幫助；也希望各位同仁一起探索，共同提高我們的設計水平。