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单片机系统设计的误区与对策

时间:02-23 来源:互联网 点击:

单片机系统在军事、工业、民用产品中的应用越来越广。它将许多以往用硬件实现的功能由软件来完成,体积小巧、功能丰富、智能化程序度,但在可靠性方面也面临许多新问题。用现场电磁兼容性(EMC)理论剖析单片机系统设计中的某些传统观念,会发现许多误区,并且有些误区至今还在工程界广为存在。

1 误区之一:有了看门狗就不会死机

死机是指CPU的程序指针进入一个死循环,无法执行正常的程序流程。其外在表现常常是:正常功能丧失,按键无响应,显示凝固。单片机死机后,只有复全才能走出死循环,执行正常的程序流程。众所属知,克服死机的最有效手段是加看门狗(WatchDog)。

目前用得最广泛的看门狗实际上是一个特殊的定时器DogTimer。DogTimer按固定速率计时,计满预定时间就发出溢出脉冲使单片机复位。如果每次在 DogTimer溢出前强行让DogTimer清零,就不会发出溢出脉冲。清零脉冲由CPU发出,在单片机程序中每隔一段语句放一个清DogTimer的语句——FeedDog语句,以保证程序正常运行时DogTimer不会溢出。一旦程序进入一个不含FeedDog语句的死循环,DogTimer将溢出,导致单片机复位,跳出这个死循环。本文称这种看门狗为典型看门狗,典型看门狗已被集成比,如MAX706、MAX791等[1];还有许多单片机本身集成了这种看门狗,如PIC16C57、MC68HC705等,具体电路可参阅这些芯片的技术资料[2]。

有一个错误观点:加了看门狗,单片机就不会死机。实际上,看门狗有时间会完全失效。当程序进入某个死循环,而这个死循环中又包含FeedDog语句,这时 DogTimer始终不会溢出,单片机始终得不到复位信号,程序也就始终跳不出这个死循环。针对这一弊端,笔者设计了双对限看门狗和定时复位看门狗。

双时限看门狗有两个定时器;一个为短定时器,一个为长定时器。短定时器定时为T1,长定时器定时为 T2,0T1T2;长、短公平时器的FeedDog是各自独立的。短定时器象典型看门狗那样工作,它保证一般情况下看门狗有快的反应速度;长度时器的定时T2大于CPU执行一个主循环程序的时间,并且每一个主循环才FeedDog一次,用来防止看门狗失效。

这样,当程序进入某个死循环,如果这个死循环包含短定时器FeedDog语句而不包含长定时器 FeedDog语句,那么长定时顺终将溢出,使单片机复位。巧妙安排长定时器FeedDog语句的位置,可保证出现死机的概率根低。在水轮发电机组微机控制装置中的对比应用证明了这一点[3]。

目前几乎所有的看门狗都是依赖于CPU(依赖于CPU FeedDog)。这可以比作:一个保险设备能否起到保险作用还依赖于被它保护的对象的行为。显然,依赖于CPU的看门狗是不能保证单片机在分之百不死机的。

在绝对不允许死机的装置中,笔者设计了一种完全不依赖于CPU的看门狗——定时复位看门狗。定时复位看门狗的主体也是一个定时器,到预定时间就发出溢出脉冲,此溢出脉冲使单片机强行复位。定时复位看门狗不需要CPU FeedDog。

简言之,定时复位看门狗就是定时地让单片机强行复位。这样,即使装置死机,其最大死机时间也不会大于定时器定时时间。显然,只要硬件完好,这种看门狗百分之百地保证了单片机不会长时间死机。在智能电表(包括IC卡电能表、复费率电能表、多功能电能表 [4])中采用了定时复位看门狗,每1秒让CPU强行复位,迄今数十万电表运行了近五年,无一例死机报告。

必须指出,采用这种看门狗,CPU的编程要适应定时复位的环境,保证定时复位不打断那些不能打断的程序,不造成任何误动作。

2 误区之二:加电源滤波器能提高EMC性能

在单片机系统中,为了抑制电磁干扰(EMI),常常在交流电源进线与电源变压器之间加电磁滤波器。常用电源滤波器如图1。

图1都是双II型LC滤波器,其中C0专用于旁路差模干扰。两者的不同之处在于:图1(b)两个电容接大地。设电感的电阻为R,它们的隔频特性分别是:

当R很小时,上述两个滤波器的谐振频率分别为:

可见,它们的幅频特性相似,谐振频率不同。从滤波效果来看,两者对于降低来自交流电的差模干扰效果差不多,但是后者对于降低共模干扰效果更好。不过同,对于采用浮地方式的装置,由于电容不可能直正接到大地,所以只能用者。

设计滤波器时必须注意让谐振频率远小于干扰频率,处理不好不仅不能衰减干扰,反而放大干扰。以图 1(a)的双II型滤波器为例,如果取L=1mh,R= 1Ω,C=0.47μF(这是许多资料推荐的参数),可计算出f0=5.2kHz。而EMC测试中的快速脉冲群频率是5.0kHz(2kV)或 2.5kHz(4kV);5.0kHz刚好谐振,2.5kHz也不会被衰减,如图2虚线的示

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