隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對單片機控制的要求也越來越高,，需要單片機具備更高的反應(yīng)速度和更強的數(shù)據(jù)處理能力,，各種高性能的新型單片機得到了迅猛的發(fā)展和應(yīng)用。單片機上主要是高速的數(shù)字信號,，弱信號很容易受到外界的電磁干擾,，同時，單片機系統(tǒng)也會發(fā)生掉電,、死循環(huán)等問題,。在工業(yè)控制場合，一旦控制發(fā)生錯誤,，將會造成難以估計的損失,。因此，如何提高控制的可靠性是長期以來的一個重要問題,。本文介紹了應(yīng)用32位高性能單片機MC68HC376的一種實際開發(fā)方案,，同時重點討論了提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計和實現(xiàn)方法。

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

2 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

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位隊列式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(QADC),；隊列式串行通信模塊(QSM)；可構(gòu)造時鐘模塊(CTM4),；時間處理單元(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8位雙功能I/O,，1個7位雙功能I/O，16~44個模擬量輸入通道,。

(3) 具有系統(tǒng)保護邏輯,，同時可進行時鐘監(jiān)視和總線監(jiān)視。

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

(5) 功耗低，具備低功率休眠功能,。

(6) 支持高級語言和背景調(diào)試,。

系統(tǒng)擴展的基本結(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。本文重點討論系統(tǒng)的可靠性設(shè)計,。

3 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

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器,、自動和手動復(fù)位功能，以及電壓門限監(jiān)測功能,。

由于在系統(tǒng)上電,、掉電以及供電電壓不足時， 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)，以避免控制錯誤。對于MAX705,，復(fù)位門限電壓為4.65V,，故當Vcc低于4.65V時，系統(tǒng)保持在復(fù)位狀態(tài),。同時,，將Vcc與PFI引腳相連，當Vcc低于1.25V時,，由PFO引腳輸出示警信號,，若較長時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,。

當系統(tǒng)正常運行時，由MC68HC376的CTM4模塊的CTD4通道以小于1.6s的間隔定時向MAX705的WDI引腳提供脈沖,；一旦系統(tǒng)不能正常運行而導(dǎo)致MAX705的WDI引腳失去脈沖時,，看門狗定時溢出使得/WDO為低，由于/WDO與手動復(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,，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)動電路可靠性設(shè)計

控制裝置通過對系統(tǒng)狀況進行監(jiān)測和分析后，向控制和調(diào)節(jié)的動作單元提供控制信號,。如果輸出信號受到干擾或者由于裝置故障而發(fā)出錯誤的控制信號,，那么會因產(chǎn)生錯誤的調(diào)節(jié)控制動作而使系統(tǒng)受到危害。因此,，對于輸出驅(qū)動電路應(yīng)該加以相應(yīng)的閉鎖控制和抗干擾設(shè)計,，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定時提供脈沖,，使得振蕩電路不能發(fā)生翻轉(zhuǎn),，此時，/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)?,，因此閉鎖信號變?yōu)?對輸出控制信號閉鎖,。

同時，與門4081的另一腳接至MC68HC376的TPU模塊的TCH15腳,，直接由MC68HC376控制,。在正常運行中，當需要輸出控制信號時,，置TCH15為1,；當不需要輸出控制信號時，置TCH15為0,，則使閉鎖信號為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作,。

(2) 控制信號輸出部分的抗干擾設(shè)計

當閉鎖信號開通時,，輸出控制信號可能由于擾動而出現(xiàn)偏差，因此應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的輸出電路形式來減小擾動的影響,。輸出電路的形式如圖5所示（這里只畫出一路輸出信號）,。

采用單線控制時，一旦受到干擾就會使控制信號的電平發(fā)生變化,，從而造成誤動,。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)過非門4069接至4081,，即當兩根控制線為“0,1”時輸出有效的電平信號1。這樣,，當存在高擾動或低擾動使得控制線同時變?yōu)?或0時,，輸出無效的電平信號0。本系統(tǒng)中,，以CTM4模塊的CPWM7引腳和閉鎖信號一起控制開啟信號,；開啟信號與MC68HC376的控制信號一起控制動作輸出信號。這樣就充分提高了輸出控制的可靠性,。注意,，單片機的I/O控制信號應(yīng)使用上拉電阻。

3.4 掉電報警電路

當系統(tǒng)的某一級工作電源掉電時,，控制裝置將不能正常運作，或者控制信號得不到正確執(zhí)行,。這時應(yīng)該發(fā)出報警信號,，掉電報警電路如圖6所示。將各等級的工作電源通過關(guān)隔MOC8050串接起來,，一旦發(fā)生掉電的情況,，掉電報警處的電平由高變?yōu)榈停瑔訄缶b置,。軟件可靠性設(shè)計

3.5 軟件看門狗

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

如果計時值溢出,，則會使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)致程序跳飛時自動回復(fù)到復(fù)位狀態(tài),。

看門狗的溢出時間由系統(tǒng)頻率以及SYPCR寄存器的看門狗分頻位(SWP)和看門狗定時區(qū)(SWT[1:0])決定,，如表1所示。選擇看門狗溢出時間時應(yīng)該注意大小適中,，若取值過大,，則程序可能會較長時間處于死循環(huán)或跳飛狀態(tài)，從而導(dǎo)致控制錯誤或失效,；若取值過小,，則會增加程序負擔，降低裝置運行效率,。

3.6 程序的區(qū)域劃分和操作級別控制

CPU32可進行兩種優(yōu)先級別的操作：監(jiān)控級別和用戶級別,。在監(jiān)控級別下，CPU可以對所有的內(nèi)部集成資源和所有的指令進行操作,，而在用戶級別下,，它對一些寄存器和指令的訪問會受到限制。在程序中有效地利用這種優(yōu)先級別會使內(nèi)部資源和一些系統(tǒng)指令得到有控制的訪問,，從而提高系統(tǒng)運行的可靠性,。CPU32的狀態(tài)寄存器SR中的S位決定CPU的工作級別，當S=1時CPU處于監(jiān)控級別,；S=0時CPU處于用戶級別,。

一般情況下，單片機的程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)在同一個物理地址空間,。對于MC68HC376,，可以通過功能碼FC[2:0]來擴展和劃分外部物理空間，對FC[2:0]實現(xiàn)外部解碼,，可以使監(jiān)控級程序,、監(jiān)控級數(shù)據(jù)、用戶級程序,、用戶級數(shù)據(jù)分別使用各自獨立的地址空間,。對于MC68HC376內(nèi)部的各個模塊，可以通過其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)寄存器中的SUPV位來確定該部分的通用寄存器所處的地址空間,，當SUPV=1時,，將相關(guān)的寄存器放置于監(jiān)控級數(shù)據(jù)地址空間，CPU只有在監(jiān)控級別時才可對其訪問和操作,；當SUPV=0時,，將相關(guān)的寄存器放置于數(shù)據(jù)級數(shù)據(jù)地址空間，CPU可任意對其進行訪問和操作,。這樣,，整個程序結(jié)構(gòu)性強,，按級別控制訪問，增強了運行的可靠性,。

3.7 總線監(jiān)視器

MC68HC376進行內(nèi)部總線操作時,，數(shù)據(jù)選通應(yīng)答引腳(/DSACK)和自動向量引腳(/AVEC)應(yīng)該有相應(yīng)的應(yīng)答信號。SIM模塊中的總線監(jiān)視器能對/DSACK和/AVEC信號進行監(jiān)視,，當響應(yīng)時間超過定時值就使總線錯誤(/BERR)引腳有效,。程序應(yīng)對/BERR的狀態(tài)進行監(jiān)視，以便及時對總線錯誤做出相應(yīng)的處理,。

總線監(jiān)視器的定時值由系統(tǒng)保護控制寄存器(SYPCR)中的總線監(jiān)視時間區(qū)(BMT[1:0])決定,。BMT[1:0]=00時，定時值為64個系統(tǒng)時鐘,；BMT[1:0]=01時,，定時值為32個系統(tǒng)時鐘；BMT[1:0]=10時,，定時值為16個系統(tǒng)時鐘,；BMT[1:0]=11時，定時值為8個系統(tǒng)時鐘,。程序員應(yīng)根據(jù)實際的運行情況進行選擇,。

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)時鐘電路采用獨立電源VDDSYN供電,，減少對MCU的干擾,，而且MCU 停電時系統(tǒng)時鐘仍可維持運行,。布線時,，時鐘電路設(shè)置在電路板的中央；Standby RAM采用兩個電源VDD和VSTBY供電,，正常運行時VDD供電,，發(fā)生掉電時，使其自動切換到VSTBY供電,。同時,，在軟件中，將堆棧及一些重要數(shù)據(jù)存放在Standby RAM 有利于重要運行參數(shù)的保存,。

4 結(jié)語

該方案采用高性能,、集成度高、可靠性強的32位新型微控制器MC68HC376為核心,，同時在硬件,、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,，已通過電力工業(yè)部電力設(shè)備及儀表質(zhì)量檢驗測試中心的產(chǎn)品型式試驗,。 欲了解更多信息請登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)