隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)單片機(jī)控制的要求也越來(lái)越高,，需要單片機(jī)具備更高的反應(yīng)速度和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力,，各種高性能的新型單片機(jī)得到了迅猛的發(fā)展和應(yīng)用。單片機(jī)上主要是高速的數(shù)字信號(hào),，弱信號(hào)很容易受到外界的電磁干擾,，同時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生掉電,、死循環(huán)等問(wèn)題,。在工業(yè)控制場(chǎng)合,，一旦控制發(fā)生錯(cuò)誤，將會(huì)造成難以估計(jì)的損失,。因此,，如何提高控制的可靠性是長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)重要問(wèn)題。本文介紹了應(yīng)用32位高性能單片機(jī)MC68HC376的一種實(shí)際開(kāi)發(fā)方案,，同時(shí)重點(diǎn)討論了提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法,。

MC68HC376是Motorola公司推出的一種新型的32位高性能單片機(jī)，具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理,、邏輯運(yùn)算和信息存儲(chǔ)能力,，且支持BDM(Background Debug Mode)模式。通過(guò)簡(jiǎn)易的專用電纜接口,，可以直接對(duì)微控制器系統(tǒng)進(jìn)行仿真開(kāi)發(fā)和燒錄程序,。此外，由于MC68HC376內(nèi)部集成度高,，外部擴(kuò)展工作少,，因此本身具有較強(qiáng)的抗干擾能力；同時(shí)通過(guò)外部硬件電路以及軟件的抗干擾設(shè)計(jì),，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的可靠性,。

2 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MC68HC376的集成度高，其主要功能模塊包括32位CPU,；系統(tǒng)集成模塊(SIM),；4K備用RAM；8K片內(nèi)ROM,；10位隊(duì)列式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(QADC),；隊(duì)列式串行通信模塊(QSM),；可構(gòu)造時(shí)鐘模塊(CTM4),；時(shí)間處理單元(TPU)；3.5K靜態(tài)TPURAM,；CAN控制模塊(TOUCAN),。其基本性能如下：

(1) 24位地址總線、16位數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu),，支持32位數(shù)據(jù)操作,。

(2) 2個(gè)8位雙功能I/O，1個(gè)7位雙功能I/O,，16~44個(gè)模擬量輸入通道,。

(3) 具有系統(tǒng)保護(hù)邏輯，同時(shí)可進(jìn)行時(shí)鐘監(jiān)視和總線監(jiān)視,。

(4) 速度快,，在4.194MHz的晶振下系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)20.97MHz,。

(5) 功耗低，具備低功率休眠功能,。

(6) 支持高級(jí)語(yǔ)言和背景調(diào)試,。

系統(tǒng)擴(kuò)展的基本結(jié)構(gòu) MC68HC376 內(nèi)部集成度較高，因而其所需的外圍擴(kuò)展工作較少,?；窘Y(jié)構(gòu)包括外部Flash ROM、RAM,、模擬量輸入通道,、數(shù)字量輸入通道、鍵盤,、液晶顯示,、RS-232電平轉(zhuǎn)換器MAX232和CAN控制器CAN250等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。本文重點(diǎn)討論系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì),。

3 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

3.1 微處理器硬件監(jiān)控電路

本文采用監(jiān)控器MAX705芯片構(gòu)成外部監(jiān)控電路，電路外部接線如圖2所示,。該電路具有看門狗定時(shí)器,、自動(dòng)和手動(dòng)復(fù)位功能，以及電壓門限監(jiān)測(cè)功能,。

由于在系統(tǒng)上電,、掉電以及供電電壓不足時(shí)， CPU 和總線邏輯狀態(tài)不確定,，因此應(yīng)該將微控制器維持在復(fù)位的狀態(tài),，以避免控制錯(cuò)誤。對(duì)于MAX705,，復(fù)位門限電壓為4.65V,，故當(dāng)Vcc低于4.65V時(shí)，系統(tǒng)保持在復(fù)位狀態(tài),。同時(shí),，將Vcc與PFI引腳相連，當(dāng)Vcc低于1.25V時(shí),，由PFO引腳輸出示警信號(hào),，若較長(zhǎng)時(shí)間處于電源示警狀態(tài)，則可能出現(xiàn)電源故障,，應(yīng)該加以處理,。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由MC68HC376的CTM4模塊的CTD4通道以小于1.6s的間隔定時(shí)向MAX705的WDI引腳提供脈沖；一旦系統(tǒng)不能正常運(yùn)行而導(dǎo)致MAX705的WDI引腳失去脈沖時(shí),，看門狗定時(shí)溢出使得/WDO為低,，由于/WDO與手動(dòng)復(fù)位引腳/MR相連，因此/RESET腳向MC68HC376發(fā)出低有效的復(fù)位信號(hào),，使系統(tǒng)恢復(fù)到復(fù)位狀態(tài),。

3.2 外部濾波電路

由于系統(tǒng)采用外部參考頻率源，為了提高系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性和可靠性,，所以需要在MC68HC376的XFC腳上接入濾波電路,。該電路應(yīng)盡可能降低XFC腳的泄露電流，以提高時(shí)鐘的穩(wěn)定性和內(nèi)部鎖相環(huán)的性能,。圖3所示為高穩(wěn)定的濾波電路,。

3.3輸出驅(qū)動(dòng)電路可靠性設(shè)計(jì)

控制裝置通過(guò)對(duì)系統(tǒng)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析后，向控制和調(diào)節(jié)的動(dòng)作單元提供控制信號(hào),。如果輸出信號(hào)受到干擾或者由于裝置故障而發(fā)出錯(cuò)誤的控制信號(hào),，那么會(huì)因產(chǎn)生錯(cuò)誤的調(diào)節(jié)控制動(dòng)作而使系統(tǒng)受到危害。因此,，對(duì)于輸出驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該加以相應(yīng)的閉鎖控制和抗干擾設(shè)計(jì),，以提高控制的可靠性。

(1) 閉鎖控制電路

這里采用可再觸發(fā)雙/單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74LS123 來(lái)構(gòu)成輸出閉鎖電路,，電路接線如圖4 所示,。 將74LS123的A腳與MC68HC376的CTM4模塊的CTD4通道相連，由于在正常情況下CTD4定時(shí)提供脈沖,，使得振蕩電路不能發(fā)生翻轉(zhuǎn),，此時(shí)，/Q保持為1,；如果裝置故障,，使得CTD4失去脈沖，則振蕩電路使得/Q翻轉(zhuǎn)變?yōu)?,，因此閉鎖信號(hào)變?yōu)?對(duì)輸出控制信號(hào)閉鎖,。

同時(shí)，與門4081的另一腳接至MC68HC376的TPU模塊的TCH15腳,，直接由MC68HC376控制,。在正常運(yùn)行中，當(dāng)需要輸出控制信號(hào)時(shí),，置TCH15為1；當(dāng)不需要輸出控制信號(hào)時(shí),，置TCH15為0,，則使閉鎖信號(hào)為0，閉鎖輸出部分,，這樣就防止了由于干擾或其他原因造成的誤動(dòng)作,。

(2) 控制信號(hào)輸出部分的抗干擾設(shè)計(jì)

當(dāng)閉鎖信號(hào)開(kāi)通時(shí),，輸出控制信號(hào)可能由于擾動(dòng)而出現(xiàn)偏差，因此應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的輸出電路形式來(lái)減小擾動(dòng)的影響,。輸出電路的形式如圖5所示（這里只畫出一路輸出信號(hào)）,。

采用單線控制時(shí)，一旦受到干擾就會(huì)使控制信號(hào)的電平發(fā)生變化,，從而造成誤動(dòng),。這里采用“0,1”控制方式，用兩根臨近的控制線,，一根直接接至與門4081,，另一根經(jīng)過(guò)非門4069接至4081，即當(dāng)兩根控制線為“0,1”時(shí)輸出有效的電平信號(hào)1,。這樣,，當(dāng)存在高擾動(dòng)或低擾動(dòng)使得控制線同時(shí)變?yōu)?或0時(shí)，輸出無(wú)效的電平信號(hào)0,。本系統(tǒng)中,，以CTM4模塊的CPWM7引腳和閉鎖信號(hào)一起控制開(kāi)啟信號(hào)；開(kāi)啟信號(hào)與MC68HC376的控制信號(hào)一起控制動(dòng)作輸出信號(hào),。這樣就充分提高了輸出控制的可靠性,。注意，單片機(jī)的I/O控制信號(hào)應(yīng)使用上拉電阻,。

3.4 掉電報(bào)警電路

當(dāng)系統(tǒng)的某一級(jí)工作電源掉電時(shí),，控制裝置將不能正常運(yùn)作，或者控制信號(hào)得不到正確執(zhí)行,。這時(shí)應(yīng)該發(fā)出報(bào)警信號(hào),，掉電報(bào)警電路如圖6所示。將各等級(jí)的工作電源通過(guò)關(guān)隔MOC8050串接起來(lái),，一旦發(fā)生掉電的情況,，掉電報(bào)警處的電平由高變?yōu)榈停瑔?dòng)報(bào)警裝置,。軟件可靠性設(shè)計(jì)

3.5 軟件看門狗

在MC68HC376的SIM模塊中,，有一個(gè)軟件看門狗，在監(jiān)控程序中,，可以開(kāi)啟軟件看門狗,，配合提高系統(tǒng)的可靠性。該軟件看門狗由MC68HC376的系統(tǒng)保護(hù)控制寄存器(SYPCR)中的SWE位控制開(kāi)啟,。當(dāng)SWE位為1時(shí),，看門狗啟動(dòng)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。在裝置正常工作時(shí),，程序應(yīng)該在軟件看門狗溢出之前對(duì)軟件服務(wù)寄存器(SWSR)先后寫入55H和AAH,，當(dāng)寫入完成之后，軟件看門狗就會(huì)清除當(dāng)前計(jì)時(shí)值,，重新開(kāi)始計(jì)時(shí),。

如果計(jì)時(shí)值溢出，則會(huì)使MC68HC376的/RESET引腳有效,，系統(tǒng)復(fù)位,。這樣，就可以在程序死循環(huán)或者由于其它原因而導(dǎo)致程序跳飛時(shí)自動(dòng)回復(fù)到復(fù)位狀態(tài),。

看門狗的溢出時(shí)間由系統(tǒng)頻率以及SYPCR寄存器的看門狗分頻位(SWP)和看門狗定時(shí)區(qū)(SWT[1:0])決定,，如表1所示。選擇看門狗溢出時(shí)間時(shí)應(yīng)該注意大小適中,，若取值過(guò)大,，則程序可能會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間處于死循環(huán)或跳飛狀態(tài)，從而導(dǎo)致控制錯(cuò)誤或失效,；若取值過(guò)小,，則會(huì)增加程序負(fù)擔(dān)，降低裝置運(yùn)行效率,。

3.6 程序的區(qū)域劃分和操作級(jí)別控制

CPU32可進(jìn)行兩種優(yōu)先級(jí)別的操作：監(jiān)控級(jí)別和用戶級(jí)別,。在監(jiān)控級(jí)別下，CPU可以對(duì)所有的內(nèi)部集成資源和所有的指令進(jìn)行操作,，而在用戶級(jí)別下,，它對(duì)一些寄存器和指令的訪問(wèn)會(huì)受到限制。在程序中有效地利用這種優(yōu)先級(jí)別會(huì)使內(nèi)部資源和一些系統(tǒng)指令得到有控制的訪問(wèn),，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,。CPU32的狀態(tài)寄存器SR中的S位決定CPU的工作級(jí)別，當(dāng)S=1時(shí)CPU處于監(jiān)控級(jí)別,；S=0時(shí)CPU處于用戶級(jí)別,。

一般情況下，單片機(jī)的程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)在同一個(gè)物理地址空間,。對(duì)于MC68HC376,，可以通過(guò)功能碼FC[2:0]來(lái)擴(kuò)展和劃分外部物理空間，對(duì)FC[2:0]實(shí)現(xiàn)外部解碼,，可以使監(jiān)控級(jí)程序,、監(jiān)控級(jí)數(shù)據(jù)、用戶級(jí)程序,、用戶級(jí)數(shù)據(jù)分別使用各自獨(dú)立的地址空間,。對(duì)于MC68HC376內(nèi)部的各個(gè)模塊,，可以通過(guò)其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)寄存器中的SUPV位來(lái)確定該部分的通用寄存器所處的地址空間,，當(dāng)SUPV=1時(shí),，將相關(guān)的寄存器放置于監(jiān)控級(jí)數(shù)據(jù)地址空間，CPU只有在監(jiān)控級(jí)別時(shí)才可對(duì)其訪問(wèn)和操作,；當(dāng)SUPV=0時(shí),，將相關(guān)的寄存器放置于數(shù)據(jù)級(jí)數(shù)據(jù)地址空間，CPU可任意對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)和操作,。這樣,，整個(gè)程序結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，按級(jí)別控制訪問(wèn),，增強(qiáng)了運(yùn)行的可靠性,。

3.7 總線監(jiān)視器

MC68HC376進(jìn)行內(nèi)部總線操作時(shí)，數(shù)據(jù)選通應(yīng)答引腳(/DSACK)和自動(dòng)向量引腳(/AVEC)應(yīng)該有相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào),。SIM模塊中的總線監(jiān)視器能對(duì)/DSACK和/AVEC信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視,，當(dāng)響應(yīng)時(shí)間超過(guò)定時(shí)值就使總線錯(cuò)誤(/BERR)引腳有效。程序應(yīng)對(duì)/BERR的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,，以便及時(shí)對(duì)總線錯(cuò)誤做出相應(yīng)的處理,。

總線監(jiān)視器的定時(shí)值由系統(tǒng)保護(hù)控制寄存器(SYPCR)中的總線監(jiān)視時(shí)間區(qū)(BMT[1:0])決定。BMT[1:0]=00時(shí),，定時(shí)值為64個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘,；BMT[1:0]=01時(shí)，定時(shí)值為32個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘,；BMT[1:0]=10時(shí),，定時(shí)值為16個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘；BMT[1:0]=11時(shí),，定時(shí)值為8個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘,。程序員應(yīng)根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況進(jìn)行選擇。

其它 其它一些提高可靠性的措施還包括有配置去耦電容,；系統(tǒng)時(shí)鐘電路采用獨(dú)立電源VDDSYN供電,，減少對(duì)MCU的干擾，而且MCU 停電時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘仍可維持運(yùn)行,。布線時(shí),，時(shí)鐘電路設(shè)置在電路板的中央；Standby RAM采用兩個(gè)電源VDD和VSTBY供電,，正常運(yùn)行時(shí)VDD供電,，發(fā)生掉電時(shí)，使其自動(dòng)切換到VSTBY供電,。同時(shí),，在軟件中,，將堆棧及一些重要數(shù)據(jù)存放在Standby RAM 有利于重要運(yùn)行參數(shù)的保存。

4 結(jié)語(yǔ)

該方案采用高性能,、集成度高,、可靠性強(qiáng)的32位新型微控制器MC68HC376為核心，同時(shí)在硬件,、軟件以及制板布線等方面采用多種提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)措施,。應(yīng)用該方案的數(shù)字式低頻低壓控制裝置RSA800，已通過(guò)電力工業(yè)部電力設(shè)備及儀表質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心的產(chǎn)品型式試驗(yàn),。 欲了解更多信息請(qǐng)登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)