單片機(jī)休眠-復(fù)位運(yùn)行方式提高抗干擾能力.doc

單片機(jī)休眠-復(fù)位運(yùn)行方式提高抗干擾能力摘要：介紹一種用休眠-復(fù)位運(yùn)行方式提高單片機(jī)抗干擾能力的方法；分析其適用范圍，給出具體應(yīng)用電路；結(jié)合實(shí)例，分析這種運(yùn)行方式下硬件和軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：單片機(jī) 復(fù)位/休眠抗干擾引 言隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)的性能迅速提高，在運(yùn)算、邏輯控制、智能化方面顯示出非凡的優(yōu)勢，在很大程度上取代了原來由數(shù)字邏輯電路、運(yùn)算放大電路組成的檢測、控制電路，應(yīng)用非常廣泛。但由于它存在著死機(jī)、程序跑飛等致命缺陷，使它在許多重要場合的應(yīng)用受到限制。在抗干擾方面的許多技術(shù)，比如設(shè)軟件陷阱、加硬件看門狗電路等，可使這一問題有較好的解決，但仍然存在問題： 看門狗動(dòng)作時(shí)，意味著已經(jīng)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，且運(yùn)行了一段時(shí)間，這在有些場合是不允許的； 有時(shí)程序出現(xiàn)死循環(huán)錯(cuò)誤，但是剛好把看門狗控制環(huán)節(jié)包含進(jìn)去，對(duì)于這樣的錯(cuò)誤采用看門狗無法識(shí)別； 在檢測控制周期比較長的系統(tǒng)中，單片機(jī)花大量時(shí)間等待外設(shè)，執(zhí)行等待命令時(shí)同樣會(huì)受到干擾。針對(duì)這些情況，我們?cè)趯?shí)踐中嘗試了主動(dòng)復(fù)位的辦法，采用等間隔的脈沖或根據(jù)外部條件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位喚醒。每次復(fù)位后，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序，執(zhí)行完任務(wù)后及時(shí)進(jìn)入休眠，等待下次復(fù)位。用此方法較好地解決了上述問題，并在農(nóng)用變壓器綜合保護(hù)器實(shí)驗(yàn)中得到了較好的效果。下面以51系列單片機(jī)為例探討具體原理與實(shí)現(xiàn)方法，復(fù)位信號(hào)為高電平。1 原理與實(shí)現(xiàn)方法1.1 無條件定時(shí)復(fù)位法用定時(shí)器、專用時(shí)鐘芯片或其它脈沖產(chǎn)生器，按照設(shè)定的間隔定時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。這種方法特別適合監(jiān)測儀表。在實(shí)際運(yùn)行中，往往是用A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸入的模擬量，然后進(jìn)行存儲(chǔ)顯示。這一過程很快，但為了讀數(shù)穩(wěn)定，每秒數(shù)據(jù)更新不過12次，CPU的大量時(shí)間用于等待。如果讓CPU執(zhí)行完任務(wù)后直接進(jìn)入休眠，然后由外界復(fù)位喚醒它去執(zhí)行下一次操作，這就是定時(shí)復(fù)位法。這樣會(huì)使抗干擾能力大大增強(qiáng)，主要有2點(diǎn)： 休眠時(shí)，程序停止運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)PC指針紊亂引起的程序跑飛。如果工作與休眠的時(shí)間比例為1:9，也就是說，1s內(nèi)有0.1s的時(shí)間用來檢測、送顯示，有0.9s的時(shí)間休眠，程序受干擾的概率是全速運(yùn)行時(shí)的1/10，整體抗干擾能力提高了10倍。 由于每1s無條件復(fù)位1次，一旦某次工作期間出現(xiàn)死機(jī)，在下次復(fù)位時(shí)肯定得以恢復(fù)。對(duì)于只是顯示的儀表，某1s偶然出現(xiàn)的讀數(shù)錯(cuò)誤對(duì)下一次測量并沒有記憶，是可以承受的，屬“一過性”錯(cuò)誤。這種定時(shí)復(fù)位相對(duì)于看門狗電路的優(yōu)點(diǎn)，一是把等待時(shí)間改為休眠狀態(tài) ，縮短可能受干擾的時(shí)間；二是避免了恰好包含看門狗控制環(huán)節(jié)的死循環(huán)。1.2 外部條件復(fù)位法有些輸出或測量的啟動(dòng)是由外部控制的。如暖氣熱表，靠熱水水輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖計(jì)算熱量，沒有熱水流動(dòng)，就沒有熱量輸出，CPU只要保持原來數(shù)值即可，不需要計(jì)數(shù)?？梢韵胂?，停暖時(shí)熱水水輪不轉(zhuǎn)，CPU在春夏秋三季則無事可做；如果讓其休眠，而不是時(shí)刻檢測有無水輪脈沖，抗干擾能力會(huì)大大增強(qiáng)。因此，只要把水輪脈沖與CPU的復(fù)位聯(lián)系起來，水輪每旋轉(zhuǎn)1周，CPU復(fù)位1次，熱表就可以正常工作了，這就是外部條件復(fù)位法。類似的應(yīng)用還有半電子式電度表，當(dāng)機(jī)械度盤旋轉(zhuǎn)1周時(shí)才進(jìn)行1個(gè)計(jì)數(shù)，用戶不用電，CPU會(huì)一直休眠。這種方法的復(fù)位間隔不是固定的，而是根據(jù)外部條件確定的。在有些場合，休眠的時(shí)間會(huì)很長，對(duì)提高抗干擾能力非常有效。2 硬件實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)2.1 無條件定時(shí)復(fù)位一般有2種方法。 使用定時(shí)器或?qū)Ｓ脮r(shí)鐘芯片復(fù)位。圖1為使用555電路組成的定時(shí)電路；也可以使用X1126之類的時(shí)鐘芯片，設(shè)置報(bào)警時(shí)間后用報(bào)警信號(hào)喚醒CPU。這種方法適用于長間隔定時(shí)，還可以根據(jù)本次運(yùn)算的結(jié)果，臨時(shí)決定下一次的報(bào)警喚醒時(shí)間，非常靈活方便。 使用系統(tǒng)固有的信號(hào)作為定時(shí)復(fù)位脈沖。例如使用50Hz工頻電源整形后作復(fù)位，既省略了定時(shí)器，同時(shí)又為檢測電流信號(hào)的相位采集了相應(yīng)的信號(hào)，如圖2所示。2.2 外部條件復(fù)位把外部條件脈沖整形后送到復(fù)位端子。對(duì)于上述水輪或電表度盤產(chǎn)生的脈沖，可以使用施密特觸發(fā)器整形；對(duì)于記錄最大或最小值的儀器，可使用窗口比較器。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的電子化，可以使用電子電位器，用單片機(jī)指令設(shè)定上下限。2.3 復(fù)位周期與復(fù)位高電平時(shí)間圖3中，復(fù)位信號(hào)在高電平Tr期間，單片機(jī)處在復(fù)位狀態(tài)，程序不運(yùn)行，抗干擾能力最強(qiáng)；高電平過后，單片機(jī)開始執(zhí)行程序。也就是說，復(fù)位信號(hào)的低電平Td期間是可供程序執(zhí)行的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間要大于每次程序的執(zhí)行周期。合理選擇復(fù)位周期和復(fù)位信號(hào)的高電平占空比非常重要。對(duì)于單純顯示儀表，復(fù)位周期決定數(shù)據(jù)刷新周期，低電平時(shí)間要大于檢測、送顯示的全部時(shí)間；否則，會(huì)出現(xiàn)永遠(yuǎn)不能完整執(zhí)行程序的錯(cuò)誤。單片機(jī)在Ts和Tr期間都能有效地抗干擾，但是最好還是把多余時(shí)間安排在Tr內(nèi)。當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)間較長，要求盡量縮短Tr時(shí)，可加入微分電路，如圖1中的C30、R26、D9。2.4 輸出端子的處理(1)復(fù)位期間的正脈沖復(fù)位期間單片機(jī)的全部I/O口變成高電平。也就是說，正常輸出為低的引腳，會(huì)按照復(fù)位周期出現(xiàn)寬度為Tr的正脈沖。這個(gè)正脈沖會(huì)影響正常的輸出，有2個(gè)辦法處理： 在端子上并聯(lián)電容加以抑制，容量根據(jù)復(fù)位的Tr時(shí)間確定。減小Tr可以減小并聯(lián)電容。 把外圍電路設(shè)計(jì)成高電平無效。(2)容 錯(cuò)適當(dāng)選取輸出端并聯(lián)電容的容量，可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。在某個(gè)復(fù)位周期，因干擾輸出了錯(cuò)誤電平。由于電容的保持作用，在本周期內(nèi)尚不能使輸出變化到有效的電平；在下個(gè)周期，錯(cuò)誤被糾正。因此，只要不是連續(xù)2個(gè)周期出錯(cuò)，輸出是可容錯(cuò)的。當(dāng)然，這種方法會(huì)使正常的輸出變化滯后一個(gè)周期，才真正反映到輸出端子。2.5 上電檢測與手動(dòng)復(fù)位有些系統(tǒng)在初上電時(shí)要做一些初始化操作。采用復(fù)位方式運(yùn)行時(shí)，每次復(fù)位已經(jīng)成為正常運(yùn)行的開始條件，無法辨別是否初上電。在某引腳對(duì)地接一個(gè)1F的電容，復(fù)位后檢測該引腳，如果是低電平就是初上電。如果給系統(tǒng)設(shè)立一個(gè)復(fù)位按鈕，也就是常見的手動(dòng)復(fù)位，這個(gè)按鈕不是連接在復(fù)位端，而是并聯(lián)在上述引腳對(duì)地的電容兩端。摘要：介紹一種用休眠-復(fù)位運(yùn)行方式提高單片機(jī)抗干擾能力的方法；分析其適用范圍，給出具體應(yīng)用電路；結(jié)合實(shí)例，分析這種運(yùn)行方式下硬件和軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：單片機(jī) 復(fù)位/休眠抗干擾引 言隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)的性能迅速提高，在運(yùn)算、邏輯控制、智能化方面顯示出非凡的優(yōu)勢，在很大程度上取代了原來由數(shù)字邏輯電路、運(yùn)算放大電路組成的檢測、控制電路，應(yīng)用非常廣泛。但由于它存在著死機(jī)、程序跑飛等致命缺陷，使它在許多重要場合的應(yīng)用受到限制。在抗干擾方面的許多技術(shù)，比如設(shè)軟件陷阱、加硬件看門狗電路等，可使這一問題有較好的解決，但仍然存在問題： 看門狗動(dòng)作時(shí)，意味著已經(jīng)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，且運(yùn)行了一段時(shí)間，這在有些場合是不允許的； 有時(shí)程序出現(xiàn)死循環(huán)錯(cuò)誤，但是剛好把看門狗控制環(huán)節(jié)包含進(jìn)去，對(duì)于這樣的錯(cuò)誤采用看門狗無法識(shí)別； 在檢測控制周期比較長的系統(tǒng)中，單片機(jī)花大量時(shí)間等待外設(shè)，執(zhí)行等待命令時(shí)同樣會(huì)受到干擾。針對(duì)這些情況，我們?cè)趯?shí)踐中嘗試了主動(dòng)復(fù)位的辦法，采用等間隔的脈沖或根據(jù)外部條件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位喚醒。每次復(fù)位后，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序，執(zhí)行完任務(wù)后及時(shí)進(jìn)入休眠，等待下次復(fù)位。用此方法較好地解決了上述問題，并在農(nóng)用變壓器綜合保護(hù)器實(shí)驗(yàn)中得到了較好的效果。下面以51系列單片機(jī)為例探討具體原理與實(shí)現(xiàn)方法，復(fù)位信號(hào)為高電平。1 原理與實(shí)現(xiàn)方法1.1 無條件定時(shí)復(fù)位法用定時(shí)器、專用時(shí)鐘芯片或其它脈沖產(chǎn)生器，按照設(shè)定的間隔定時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。這種方法特別適合監(jiān)測儀表。在實(shí)際運(yùn)行中，往往是用A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸入的模擬量，然后進(jìn)行存儲(chǔ)顯示。這一過程很快，但為了讀數(shù)穩(wěn)定，每秒數(shù)據(jù)更新不過12次，CPU的大量時(shí)間用于等待。如果讓CPU執(zhí)行完任務(wù)后直接進(jìn)入休眠，然后由外界復(fù)位喚醒它去執(zhí)行下一次操作，這就是定時(shí)復(fù)位法。這樣會(huì)使抗干擾能力大大增強(qiáng)，主要有2點(diǎn)： 休眠時(shí)，程序停止運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)PC指針紊亂引起的程序跑飛。如果工作與休眠的時(shí)間比例為1:9，也就是說，1s內(nèi)有0.1s的時(shí)間用來檢測、送顯示，有0.9s的時(shí)間休眠，程序受干擾的概率是全速運(yùn)行時(shí)的1/10，整體抗干擾能力提高了10倍。 由于每1s無條件復(fù)位1次，一旦某次工作期間出現(xiàn)死機(jī)，在下次復(fù)位時(shí)肯定得以恢復(fù)。對(duì)于只是顯示的儀表，某1s偶然出現(xiàn)的讀數(shù)錯(cuò)誤對(duì)下一次測量并沒有記憶，是可以承受的，屬“一過性”錯(cuò)誤。這種定時(shí)復(fù)位相對(duì)于看門狗電路的優(yōu)點(diǎn)，一是把等待時(shí)間改為休眠狀態(tài) ，縮短可能受干擾的時(shí)間；二是避免了恰好包含看門狗控制環(huán)節(jié)的死循環(huán)。1.2 外部條件復(fù)位法有些輸出或測量的啟動(dòng)是由外部控制的。如暖氣熱表，靠熱水水輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖計(jì)算熱量，沒有熱水流動(dòng)，就沒有熱量輸出，CPU只要保持原來數(shù)值即可，不需要計(jì)數(shù)?？梢韵胂?，停暖時(shí)熱水水輪不轉(zhuǎn)，CPU在春夏秋三季則無事可做；如果讓其休眠，而不是時(shí)刻檢測有無水輪脈沖，抗干擾能力會(huì)大大增強(qiáng)。因此，只要把水輪脈沖與CPU的復(fù)位聯(lián)系起來，水輪每旋轉(zhuǎn)1周，CPU復(fù)位1次，熱表就可以正常工作了，這就是外部條件復(fù)位法。類似的應(yīng)用還有半電子式電度表，當(dāng)機(jī)械度盤旋轉(zhuǎn)1周時(shí)才進(jìn)行1個(gè)計(jì)數(shù)，用戶不用電，CPU會(huì)一直休眠。這種方法的復(fù)位間隔不是固定的，而是根據(jù)外部條件確定的。在有些場合，休眠的時(shí)間會(huì)很長，對(duì)提高抗干擾能力非常有效。2 硬件實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)2.1 無條件定時(shí)復(fù)位一般有2種方法。 使用定時(shí)器或?qū)Ｓ脮r(shí)鐘芯片復(fù)位。圖1為使用555電路組成的定時(shí)電路；也可以使用X1126之類的時(shí)鐘芯片，設(shè)置報(bào)警時(shí)間后用報(bào)警信號(hào)喚醒CPU。這種方法適用于長間隔定時(shí)，還可以根據(jù)本次運(yùn)算的結(jié)果，臨時(shí)決定下一次的報(bào)警喚醒時(shí)間，非常靈活方便。 使用系統(tǒng)固有的信號(hào)作為定時(shí)復(fù)位脈沖。例如使用50Hz工頻電源整形后作復(fù)位，既省略了定時(shí)器，同時(shí)又為檢測電流信號(hào)的相位采集了相應(yīng)的信號(hào)，如圖2所示。2.2 外部條件復(fù)位把外部條件脈沖整形后送到復(fù)位端子。對(duì)于上述水輪或電表度盤產(chǎn)生的脈沖，可以使用施密特觸發(fā)器整形；對(duì)于記錄最大或最小值的儀器，可使用窗口比較器。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的電子化，可以使用電子電位器，用單片機(jī)指令設(shè)定上下限。2.3 復(fù)位周期與復(fù)位高電平時(shí)間圖3中，復(fù)位信號(hào)在高電平Tr期間，單片機(jī)處在復(fù)位狀態(tài)，程序不運(yùn)行，抗干擾能力最強(qiáng)；高電平過后，單片機(jī)開始執(zhí)行程序。也就是說，復(fù)位信號(hào)的低電平Td期間是可供程序執(zhí)行的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間要大于每次程序的執(zhí)行周期。合理選擇復(fù)位周期和復(fù)位信號(hào)的高電平占空比非常重要。對(duì)于單純顯示儀表，復(fù)位周期決定數(shù)據(jù)刷新周期，低電平時(shí)間要大于檢測、送顯示的全部時(shí)間；否則，會(huì)出現(xiàn)永遠(yuǎn)不能完整執(zhí)行程序的錯(cuò)誤。單片機(jī)在Ts和Tr期間都能有效地抗干擾，但是最好還是把多余時(shí)間安排在Tr內(nèi)。當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)間較長，要求盡量縮短Tr時(shí)，可加入微分電路，如圖1中的C30、R26、D9。2.4 輸出端子的處理(1)復(fù)位期間的正脈沖復(fù)位期間單片機(jī)的全部I/O口變成高電平。也就是說，正常輸出為低的引腳，會(huì)按照復(fù)位周期出現(xiàn)寬度為Tr的正脈沖。這個(gè)正脈沖會(huì)影響正常的輸出，有2個(gè)辦法處理： 在端子上并聯(lián)電容加以抑制，容量根據(jù)復(fù)位的Tr時(shí)間確定。減小Tr可以減小并聯(lián)電容。 把外圍電路設(shè)計(jì)成高電平無效。(2)容 錯(cuò)適當(dāng)選取輸出端并聯(lián)電容的容量，可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。在某個(gè)復(fù)位周期，因干擾輸出了錯(cuò)誤電平。由于電容的保持作用，在本周期內(nèi)尚不能使輸出變化到有效的電平；在下個(gè)周期，錯(cuò)誤被糾正。因此，只要不是連續(xù)2個(gè)周期出錯(cuò)，輸出是可容錯(cuò)的。當(dāng)然，這種方法會(huì)使正常的輸出變化滯后一個(gè)周期，才真正反映到輸出端子。2.5 上電檢測與手動(dòng)復(fù)位有些系統(tǒng)在初上電時(shí)要做一些初始化操作。采用復(fù)位方式運(yùn)行時(shí)，每次復(fù)位已經(jīng)成為正常運(yùn)行的開始條件，無法辨別是否初上電。在某引腳對(duì)地接一個(gè)1F的電容，復(fù)位后檢測該引腳，如果是低電平就是初上電。如果給系統(tǒng)設(shè)立一個(gè)復(fù)位按鈕，也就是常見的手動(dòng)復(fù)位，這個(gè)按鈕不是連接在復(fù)位端，而是并聯(lián)在上述引腳對(duì)地的電容兩端。3 軟件實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)3.1 輸出恢復(fù)與不清零RAM定時(shí)復(fù)位后全部引腳變成高電平，使得本應(yīng)為低的引腳發(fā)生了不應(yīng)有的變化，因此，復(fù)位后要立即恢復(fù)所有引腳的狀態(tài)。有2種方法： 本次復(fù)位后立即進(jìn)行分析判斷，根據(jù)需要給出引腳狀態(tài)； 根據(jù)RAM中上一次留存下來的狀態(tài)，這些RAM在定時(shí)復(fù)位時(shí)是不能清零的；而在初上電或手動(dòng)復(fù)位按下時(shí)應(yīng)清零，在軟件編制時(shí)要體現(xiàn)出來。如果計(jì)算時(shí)間允許，盡量采取方法1。因?yàn)檫B續(xù)2次復(fù)位周期都計(jì)算出錯(cuò)的概率很小，按照2.4敘述的輸出端子并聯(lián)電容的處理方法，可以達(dá)到很好的抗干擾效果。3.2 實(shí)現(xiàn)跨越定時(shí)復(fù)位間隔的時(shí)序控制現(xiàn)在用復(fù)位方式工作，每次從頭開始反復(fù)執(zhí)行同一程序。可分為2種情況： 對(duì)于單純顯示儀表，每次復(fù)位后進(jìn)行測量、送顯示，兩次復(fù)位之間沒有因果關(guān)系，只需把原來的等待改為休眠即可。要注意的是，測量、送顯示用的總時(shí)間要小于復(fù)位低電平時(shí)間，否則會(huì)出現(xiàn)永遠(yuǎn)不能完整執(zhí)行程序的錯(cuò)誤。 對(duì)于有時(shí)序控制的應(yīng)用，每次復(fù)位后，先要查看上個(gè)周期留下的標(biāo)志，以決定本周期做什么。也就是說，凡是跨過復(fù)位周期的操作，都是靠標(biāo)志傳遞的，這些標(biāo)志存放在內(nèi)部RAM中，只有初上電時(shí)才清零。例如，前面提到的變壓器綜合保護(hù)器，按照20ms的間隔定時(shí)復(fù)位。它在上電后，經(jīng)過一定的動(dòng)作順序達(dá)到正常工作狀態(tài)，如圖4；根據(jù)這個(gè)動(dòng)作編寫軟件流程的一部