单片机休眠-复位运行方式提高抗干扰能力 - 单片机/处理器

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<strong>引言</strong>

随着微电子技术的飞速发展，单片机的性能迅速提高，在运算、逻辑控制、智能化方面显示出非凡的优势，在很大程度上取代了原来由数字逻辑电路、运算放大电路组成的检测、控制电路，应用非常广泛。但由于它存在着死机、程序跑飞等致命缺陷，使它在许多重要场合的应用受到限制。在抗干扰方面的许多技术，比如设软件陷阱、加硬件看门狗电路等，可使这一问题有较好的解决，但仍然存在问题：① 看门狗动作时，意味着已经出现了错误，且运行了一段时间，这在有些场合是不允许的；② 有时程序出现死循环错误，但是刚好把看门狗控制环节包含进去，对于这样的错误采用看门狗无法识别；③ 在检测控制周期比较长的系统中，单片机花大量时间等待外设，执行等待命令时同样会受到干扰。针对这些情况，我们在实践中尝试了主动复位的办法，采用等间隔的脉冲或根据外部条件对单片机进行复位唤醒。每次复位后，单片机执行相应的程序，执行完任务后及时进入休眠，等待下次复位。用此方法较好地解决了上述问题，并在农用变压器综合保护器实验中得到了较好的效果。下面以51系列单片机为例探讨具体原理与实现方法，复位信号为高电平。

<strong>1 原理与实现方法</strong>

1.1 无条件定时复位法

用定时器、专用时钟芯片或其它脉冲产生器，按照设定的间隔定时产生复位信号。这种方法特别适合监测仪表。在实际运行中，往往是用A/D转换器采样输入的模拟量，然后进行存储显示。这一过程很快，但为了读数稳定，每秒数据更新不过1～2次，CPU的大量时间用于等待。如果让CPU执行完任务后直接进入休眠，然后由外界复位唤醒它去执行下一次操作，这就是定时复位法。这样会使抗干扰能力大大增强，主要有2点：① 休眠时，程序停止运行，不会出现PC指针紊乱引起的程序跑飞。如果工作与休眠的时间比例为1:9，也就是说，1s内有0.1s的时间用来检测、送显示，有 0.9s的时间休眠，程序受干扰的概率是全速运行时的1/10，整体抗干扰能力提高了10倍。② 由于每1s无条件复位1次，一旦某次工作期间出现死机，在下次复位时肯定得以恢复。对于只是显示的仪表，某1s偶然出现的读数错误对下一次测量并没有记忆，是可以承受的，属“一过性”错误。这种定时复位相对于看门狗电路的优点，一是把等待时间改为休眠状态 ，缩短可能受干扰的时间；二是避免了恰好包含看门狗控制环节的死循环。

1.2 外部条件复位法

有些输出或测量的启动是由外部控制的。如暖气热表，靠热水水轮旋转产生的脉冲计算热量，没有热水流动，就没有热量输出，CPU只要保持原来数值即可，不需要计数。可以想象，停暖时热水水轮不转，CPU在春夏秋三季则无事可做；如果让其休眠，而不是时刻检测有无水轮脉冲，抗干扰能力会大大增强。因此，只要把水轮脉冲与CPU的复位联系起来，水轮每旋转1周，CPU复位1次，热表就可以正常工作了，这就是外部条件复位法。类似的应用还有半电子式电度表，当机械度盘旋转1周时才进行1个计数，用户不用电，CPU会一直休眠。这种方法的复位间隔不是固定的，而是根据外部条件确定的。在有些场合，休眠的时间会很长，对提高抗干扰能力非常有效。

<strong>2 硬件实现要点</strong>

2.1 无条件定时复位

一般有2种方法。① 使用定时器或专用时钟芯片复位。图1为使用555电路组成的定时电路；也可以使用X1126之类的时钟芯片，设置报警时间后用报警信号唤醒CPU。这种方法适用于长间隔定时，还可以根据本次运算的结果，临时决定下一次的报警唤醒时间，非常灵活方便。② 使用系统固有的信号作为定时复位脉冲。例如使用50Hz工频电源整形后作复位，既省略了定时器，同时又为检测电流信号的相位采集了相应的信号，如图2所示。


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图1 定时复位的实现电路


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图2 使用50Hz交流电作复位的实现电路

2.2 外部条件复位

把外部条件脉冲整形后送到复位端子。对于上述水轮或电表度盘产生的脉冲，可以使用施密特触发器整形；对于记录最大或最小值的仪器，可使用窗口比较器。为了实现调节的电子化，可以使用电子电位器，用单片机指令设定上下限。

2.3 复位周期与复位高电平时间

图3中，复位信号在高电平Tr期间，单片机处在复位状态，程序不运行，抗干扰能力最强；高电平过后，单片机开始执行程序。也就是说，复位信号的低电平Td期间是可供程序执行的时间，这个时间要大于每次程序的执行周期。合理选择复位周期和复位信号的高电平占空比非常重要。对于单纯显示仪表，复位周期决定数据刷新周期，低电平时间要大于检测、送显示的全部时间；否则，会出现永远不能完整执行程序的错误。单片机在Ts和Tr期间都能有效地抗干扰，但是最好还是把多余时间安排在Tr内。当程序执行时间较长，要求尽量缩短Tr时，可加入微分电路，如图1中的C30、 R26、D9。


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图3 复位信号的时序分析

2.4 输出端子的处理

(1) 复位期间的正脉冲
复位期间单片机的全部I/O口变成高电平。也就是说，正常输出为低的引脚，会按照复位周期出现宽度为Tr的正脉冲。这个正脉冲会影响正常的输出，有2个办法处理：① 在端子上并联电容加以抑制，容量根据复位的Tr时间确定。减小Tr可以减小并联电容。② 把外围电路设计成高电平无效。

(2) 容错
适当选取输出端并联电容的容量，可以实现容错控制。在某个复位周期，因干扰输出了错误电平。由于电容的保持作用，在本周期内尚不能使输出变化到有效的电平；在下个周期，错误被纠正。因此，只要不是连续2个周期出错，输出是可容错的。当然，这种方法会使正常的输出变化滞后一个周期，才真正反映到输出端子。

2.5 上电检测与手动复位

有些系统在初上电时要做一些初始化操作。采用复位方式运行时，每次复位已经成为正常运行的开始条件，无法辨别是否初上电。在某引脚对地接一个 1μF的电容，复位后检测该引脚，如果是低电平就是初上电。如果给系统设立一个复位按钮，也就是常见的手动复位，这个按钮不是连接在复位端，而是并联在上述引脚对地的电容两端。

<strong>3 软件实现要点</strong>

3.1 输出恢复与不清零RAM

定时复位后全部引脚变成高电平，使得本应为低的引脚发生了不应有的变化，因此，复位后要立即恢复所有引脚的状态。有2种方法：① 本次复位后立即进行分析判断，根据需要给出引脚状态；② 根据RAM中上一次留存下来的状态，这些RAM在定时复位时是不能清零的；而在初上电或手动复位按下时应清零，在软件编制时要体现出来。如果计算时间允许，尽量采取方法1。因为连续2次复位周期都计算出错的概率很小，按照2.4叙述的输出端子并联电容的处理方法，可以达到很好的抗干扰效果。

3.2 实现跨越定时复位间隔的时序控制

现在用复位方式工作，每次从头开始反复执行同一程序。可分为2种情况：① 对于单纯显示仪表，每次复位后进行测量、送显示，两次复位之间没有因果关系，只需把原来的等待改为休眠即可。要注意的是，测量、送显示用的总时间要小于复位低电平时间，否则会出现永远不能完整执行程序的错误。② 对于有时序控制的应用，每次复位后，先要查看上个周期留下的标志，以决定本周期做什么。也就是说，凡是跨过复位周期的操作，都是靠标志传递的，这些标志存放在内部RAM中，只有初上电时才清零。例如，前面提到的变压器综合保护器，按照20ms的间隔定时复位。它在上电后，经过一定的动作顺序达到正常工作状态，如图4；根据这个动作编写软件流程的一部分，如图5。


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图4 保护器动作过程


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图5 变压器保护器部分程序流程

在图4中，当保护器初上电时，首先试送电0.5s，提示马上就要送电；等待30s后正式送电。送电后的1s内为启动时间，不进行过电流检测。启动完成后，如果一切正常，则把“正常标志”置位，保护器在下一个复位周期进入正常运行。试送电的0.5s延时是对复位进行25次计数实现的，因为每次复位时间是20ms。初上电时，对内部RAM做全部清零，令试送电计时Ts=25后休眠。下一次被复位后，再检测上电引脚已不是初上电，于是进行到试送电计时 Ts的检测。如果Ts≠0，说明在送电延时期间，把Ts减1后进入休眠。当Ts-1=0时，应该进入停电等待30s的过程了。就在Ts递减到0的时候，令停电等待标志Td=1500。当程序再次由复位开始时，检测到Ts=0但是Td≠0，表明已经越过了试送电，现在正处于停电等待30s的过程中。这样，整个进程由Tr、Td、Ts等这些参数相互传递着，一步步进行下去。

<strong>结语</strong>

抗干扰是电子设计中的重要问题，在单片机中尤其重要。这是因为单片机有程序跑飞的特殊性，它受到干扰的后果可能是死机，也可能在死机前发出各种错误或非法动作，使整个系统产生致命性错误。因此，仅仅保证单片机不死机还不够，还要研究如何减少受干扰的风险，以及出错后如何能够容错。本文力图从这两方面作些探索，希望这些粗浅见解能够起些抛砖引玉的作用，对大家有所帮助；也希望各位同仁一起探索，共同提高我们的设计水平。

<strong>参考文献</strong>

1. 孙涵芳.徐爱卿 MCS- 51/96系列单片机原理与应用 1992
2. 徐惠民.安德宁 单片微型计算机原理、接口及应用 2000

作 者：华北水利水电学院 李临生 魏德华 柳旭英
来 源：单片机与嵌入式系统应用 2004（2）