基于32位单片机的高可靠性系统设计

随着工业技术的不断发展，对单片机控制的要求也越来越高，需要单片机具备更高的反应速度和更强的数据处理能力，各种高性能的新型单片机得到了迅猛的发展和应用。单片机上主要是高速的数字信号，弱信号很容易受到外界的电磁干扰，同时，单片机系统也会发生掉电、死循环等问题。在工业控制场合，一旦控制发生错误，将会造成难以估计的损失。因此，如何提高控制的可靠性是长期以来的一个重要问题。本文介绍了应用32位高性能单片机MC68HC376的一种实际开发方案，同时重点讨论了提高系统可靠性的设计和实现方法。 MC68HC376 是Motorola 公司推出的一种新型的32 位高性能单片机，具有极强的数据处理、逻辑运算和信息存储能力，且支持BDM(Background Debug Mode)模式。通过简易的专用电缆接口，可以直接对微控制器系统进行仿真开发和烧录程序。此外，由于MC68HC376 内部集成度高，外部扩展工作少，因此本身具有较强的抗干扰能力；同时通过外部硬件电路以及软件的抗干扰设计，控制系统可以实现较高的可靠性。
1 控制系统的基本结构设计

       MC68HC376 的集成度高，其主要功能模块包括32位CPU；系统集成模块(SIM)；4K备用RAM；8K 片内ROM；10位队列式的模数转换器(QADC)；队列式串行通信模块(QSM)；可构造时钟模块(CTM4)；时间处理单元(TPU)；3.5K静态TPURAM；CAN 控制模块(TOUCAN)。其基本性能如下：

        (1) 24位地址总线、16位数据总线结构，支持32位数据操作。

        (2) 2个8位双功能I/O，1个7位双功能I/O，16~44个模拟量输入通道。

        (3) 具有系统保护逻辑，同时可进行时钟监视和总线监视。

       (4) 速度快，在4.194MHz的晶振下系统时钟可达20.97MHz。

       (5) 功耗低，具备低功率休眠功能。

       (6) 支持高级语言和背景调试。 系统扩展的基本结构 MC68HC376 内部集成度较高，因而其所需的外围扩展工作较少。基本结构包括外部Flash ROM、RAM、模拟量输入通道、数字量输入通道、键盘、液晶显示、RS-232电平转换器MAX232和CAN 控制器CAN250等，其结构框图如图1 所示。本文重点讨论系统的可靠性设计。

       2 系统的可靠性设计

       微处理器硬件监控电路

       本文采用监控器MAX705 芯片构成外部监控电路，电路外部接线如图2 所示。该电路具有看门狗定时器、自动和手动复位功能，以及电压门限监测功能。 由于在系统上电、掉电以及供电电压不足时， CPU 和总线逻辑状态不确定，因此应该将微控制器维持在复位的状态，以避免控制错误。对于MAX705，复位门限电压为4.65V，故当Vcc低于4.65V时，系统保持在复位状态。同时，将Vcc 与PFI 引脚相连，当Vcc低于1.25V时，由PFO 引脚输出示警信号，若较长时间处于电源示警状态，则可能出现电源故障，应该加以处理。当系统正常运行时，由MC68HC376 的CTM4 模块的CTD4通道以小于1.6s 的间隔定时向MAX705的WDI 引脚提供脉冲；一旦系统不能正常运行而导致MAX705的WDI 引脚失去脉冲时，看门狗定时溢出使得/WDO为低，由于/WDO与手动复位引脚/MR相连，因此/RESET脚向MC68HC376发出低有效的复位信号，使系统恢复到复位状态。

外部滤波电路  

    由于系统采用外部参考频率源，为了提高系统频率的稳定性和可靠性，所以需要在MC68HC376 的XFC 脚上接入滤波电路。该电路应尽可能降低XFC 脚的泄露电流，以提高时钟的稳定性和内部锁相环的性能。图3所示为高稳定的滤波电路。

       输出驱动电路可靠性设计

       控制装置通过对系统状况进行监测和分析后，向控制和调节的动作单元提供控制信号。如果输出信号受到干扰或者由于装置故障而发出错误的控制信号，那么会因产生错误的调节控制动作而使系统受到危害。因此，对于输出驱动电路应该加以相应的闭锁控制和抗干扰设计，以提高控制的可靠性。

       (1) 闭锁控制电路

这里采用可再触发双/单稳态多谐振荡器74LS123 来构成输出闭锁电路，电路接线如图4 所示。 将74LS123 的A 脚与MC68HC376 的CTM4 模块的CTD4通道相连，由于在正常情况下CTD4定时提供脉冲，使得振荡电路不能发生翻转，此时，/Q保持为1；如果装置故障，使得CTD4 失去脉冲，则振荡电路使得/Q翻转变为0，因此闭锁信号变为0 对输出控制信号闭锁。同时，与门4081的另一脚接至MC68HC376 的TPU 模块的TCH15 脚，直接由MC68HC376 控制。在正常运行中，当需要输出控制信号时，置TCH15为1；当不需要输出控制信号时，置TCH15为0，则使闭锁信号为0，闭锁输出部分，这样就防止了由于干扰或其他原因造成的误动作。

       (2) 控制信号输出部分的抗干扰设计

当闭锁信号开通时，输出控制信号可能由于扰动而出现偏差，因此应设计相应的输出电路形式来减小扰动的影响。输出电路的形式如图5 所示（这里只画出一路输出信号）。 采用单线控制时，一旦受到干扰就会使控制信号的电平发生变化，从而造成误动。这里采用“0,1”控制方式，用两根临近的控制线，一根直接接至与门4081，另一根经过非门4069 接至4081，即当两根控制线为“0,1”时输出有效的电平信号1。这样，当存在高扰动或低扰动使得控制线同时变为1或0时，输出无效的电平信号0。本系统中，以CTM4模块的CPWM7引脚和闭锁信号一起控制开启信号；开启信号与MC68HC376的控制信号一起控制动作输出信号。这样就充分提高了输出控制的可靠性。注意，单片机的I/O 控制信号应使用上拉电阻。