單片機休眠-復位運行方式提高抗干擾能力

1、單片機休眠-復位運行方式提高抗干擾能力摘要：介紹一種用休眠-復位運行方式提高單片機抗干擾能力的方法；分析其適用范圍，給出具體應用電路；結(jié)合實例，分析這種運行方式下硬件和軟件設計的特點。 關(guān)鍵詞：單片機 復位/休眠抗干擾引 言隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機的性能迅速提高，在運算、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、運算放大電路組成的檢測、控制電路，應用非常廣泛。但由于它存在著死機、程序跑飛等致命缺陷，使它在許多重要場合的應用受到限制。在抗干擾方面的許多技術(shù)，比如設軟件陷阱、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： 看門狗動作時，意味

2、著已經(jīng)出現(xiàn)了錯誤，且運行了一段時間，這在有些場合是不允許的； 有時程序出現(xiàn)死循環(huán)錯誤，但是剛好把看門狗控制環(huán)節(jié)包含進去，對于這樣的錯誤采用看門狗無法識別； 在檢測控制周期比較長的系統(tǒng)中，單片機花大量時間等待外設，執(zhí)行等待命令時同樣會受到干擾。針對這些情況，我們在實踐中嘗試了主動復位的辦法，采用等間隔的脈沖或根據(jù)外部條件對單片機進行復位喚醒。每次復位后，單片機執(zhí)行相應的程序，執(zhí)行完任務后及時進入休眠，等待下次復位。用此方法較好地解決了上述問題，并在農(nóng)用變壓器綜合保護器實驗中得到了較好的效果。下面以51系列單片機為例探討具體原理與實現(xiàn)方法，復位信號為高電平。1 原理與實現(xiàn)方法1.1 無條件定時復位

3、法用定時器、專用時鐘芯片或其它脈沖產(chǎn)生器，按照設定的間隔定時產(chǎn)生復位信號。這種方法特別適合監(jiān)測儀表。在實際運行中，往往是用A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸入的模擬量，然后進行存儲顯示。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的大量時間用于等待。如果讓CPU執(zhí)行完任務后直接進入休眠，然后由外界復位喚醒它去執(zhí)行下一次操作，這就是定時復位法。這樣會使抗干擾能力大大增強，主要有2點： 休眠時，程序停止運行，不會出現(xiàn)PC指針紊亂引起的程序跑飛。如果工作與休眠的時間比例為1:9，也就是說，1s內(nèi)有0.1s的時間用來檢測、送顯示，有0.9s的時間休眠，程序受干擾的概率是全速運行時的1/10，整體抗干擾

4、能力提高了10倍。 由于每1s無條件復位1次，一旦某次工作期間出現(xiàn)死機，在下次復位時肯定得以恢復。對于只是顯示的儀表，某1s偶然出現(xiàn)的讀數(shù)錯誤對下一次測量并沒有記憶，是可以承受的，屬“一過性”錯誤。這種定時復位相對于看門狗電路的優(yōu)點，一是把等待時間改為休眠狀態(tài) ，縮短可能受干擾的時間；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 外部條件復位法有些輸出或測量的啟動是由外部控制的。如暖氣熱表，靠熱水水輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖計算熱量，沒有熱水流動，就沒有熱量輸出，CPU只要保持原來數(shù)值即可，不需要計數(shù)?？梢韵胂?，停暖時熱水水輪不轉(zhuǎn)，CPU在春夏秋三季則無事可做；如果讓其休眠，而不是時刻檢測有無水輪脈

5、沖，抗干擾能力會大大增強。因此，只要把水輪脈沖與CPU的復位聯(lián)系起來，水輪每旋轉(zhuǎn)1周，CPU復位1次，熱表就可以正常工作了，這就是外部條件復位法。類似的應用還有半電子式電度表，當機械度盤旋轉(zhuǎn)1周時才進行1個計數(shù)，用戶不用電，CPU會一直休眠。這種方法的復位間隔不是固定的，而是根據(jù)外部條件確定的。在有些場合，休眠的時間會很長，對提高抗干擾能力非常有效。2 硬件實現(xiàn)要點2.1 無條件定時復位一般有2種方法。 使用定時器或?qū)Ｓ脮r鐘芯片復位。圖1為使用555電路組成的定時電路；也可以使用X1126之類的時鐘芯片，設置報警時間后用報警信號喚醒CPU。這種方法適用于長間隔定時，還可以根據(jù)本次運算的結(jié)果，臨

6、時決定下一次的報警喚醒時間，非常靈活方便。 使用系統(tǒng)固有的信號作為定時復位脈沖。例如使用50Hz工頻電源整形后作復位，既省略了定時器，同時又為檢測電流信號的相位采集了相應的信號，如圖2所示。2.2 外部條件復位把外部條件脈沖整形后送到復位端子。對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；對于記錄最大或最小值的儀器，可使用窗口比較器。為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)的電子化，可以使用電子電位器，用單片機指令設定上下限。2.3 復位周期與復位高電平時間圖3中，復位信號在高電平Tr期間，單片機處在復位狀態(tài)，程序不運行，抗干擾能力最強；高電平過后，單片機開始執(zhí)行程序。也就是說，復位信號的低電平Td期間是可

7、供程序執(zhí)行的時間，這個時間要大于每次程序的執(zhí)行周期。合理選擇復位周期和復位信號的高電平占空比非常重要。對于單純顯示儀表，復位周期決定數(shù)據(jù)刷新周期，低電平時間要大于檢測、送顯示的全部時間；否則，會出現(xiàn)永遠不能完整執(zhí)行程序的錯誤。單片機在Ts和Tr期間都能有效地抗干擾，但是最好還是把多余時間安排在Tr內(nèi)。當程序執(zhí)行時間較長，要求盡量縮短Tr時，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)復位期間的正脈沖復位期間單片機的全部I/O口變成高電平。也就是說，正常輸出為低的引腳，會按照復位周期出現(xiàn)寬度為Tr的正脈沖。這個正脈沖會影響正常的輸出，有2個辦法處理： 在端子上并聯(lián)

8、電容加以抑制，容量根據(jù)復位的Tr時間確定。減小Tr可以減小并聯(lián)電容。 把外圍電路設計成高電平無效。(2)容 錯適當選取輸出端并聯(lián)電容的容量，可以實現(xiàn)容錯控制。在某個復位周期，因干擾輸出了錯誤電平。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；在下個周期，錯誤被糾正。因此，只要不是連續(xù)2個周期出錯，輸出是可容錯的。當然，這種方法會使正常的輸出變化滯后一個周期，才真正反映到輸出端子。2.5 上電檢測與手動復位有些系統(tǒng)在初上電時要做一些初始化操作。采用復位方式運行時，每次復位已經(jīng)成為正常運行的開始條件，無法辨別是否初上電。在某引腳對地接一個1F的電容，復位后檢測該引腳，如果是低電平就是

9、初上電。如果給系統(tǒng)設立一個復位按鈕，也就是常見的手動復位，這個按鈕不是連接在復位端，而是并聯(lián)在上述引腳對地的電容兩端。摘要：介紹一種用休眠-復位運行方式提高單片機抗干擾能力的方法；分析其適用范圍，給出具體應用電路；結(jié)合實例，分析這種運行方式下硬件和軟件設計的特點。 關(guān)鍵詞：單片機 復位/休眠抗干擾引 言隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機的性能迅速提高，在運算、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、運算放大電路組成的檢測、控制電路，應用非常廣泛。但由于它存在著死機、程序跑飛等致命缺陷，使它在許多重要場合的應用受到限制。在抗干擾方面的許多技術(shù)，比如設軟件陷阱、加

10、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： 看門狗動作時，意味著已經(jīng)出現(xiàn)了錯誤，且運行了一段時間，這在有些場合是不允許的； 有時程序出現(xiàn)死循環(huán)錯誤，但是剛好把看門狗控制環(huán)節(jié)包含進去，對于這樣的錯誤采用看門狗無法識別； 在檢測控制周期比較長的系統(tǒng)中，單片機花大量時間等待外設，執(zhí)行等待命令時同樣會受到干擾。針對這些情況，我們在實踐中嘗試了主動復位的辦法，采用等間隔的脈沖或根據(jù)外部條件對單片機進行復位喚醒。每次復位后，單片機執(zhí)行相應的程序，執(zhí)行完任務后及時進入休眠，等待下次復位。用此方法較好地解決了上述問題，并在農(nóng)用變壓器綜合保護器實驗中得到了較好的效果。下面以51系列單片機為例探

11、討具體原理與實現(xiàn)方法，復位信號為高電平。1 原理與實現(xiàn)方法1.1 無條件定時復位法用定時器、專用時鐘芯片或其它脈沖產(chǎn)生器，按照設定的間隔定時產(chǎn)生復位信號。這種方法特別適合監(jiān)測儀表。在實際運行中，往往是用A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸入的模擬量，然后進行存儲顯示。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的大量時間用于等待。如果讓CPU執(zhí)行完任務后直接進入休眠，然后由外界復位喚醒它去執(zhí)行下一次操作，這就是定時復位法。這樣會使抗干擾能力大大增強，主要有2點： 休眠時，程序停止運行，不會出現(xiàn)PC指針紊亂引起的程序跑飛。如果工作與休眠的時間比例為1:9，也就是說，1s內(nèi)有0.1s的時間用來檢測、

12、送顯示，有0.9s的時間休眠，程序受干擾的概率是全速運行時的1/10，整體抗干擾能力提高了10倍。 由于每1s無條件復位1次，一旦某次工作期間出現(xiàn)死機，在下次復位時肯定得以恢復。對于只是顯示的儀表，某1s偶然出現(xiàn)的讀數(shù)錯誤對下一次測量并沒有記憶，是可以承受的，屬“一過性”錯誤。這種定時復位相對于看門狗電路的優(yōu)點，一是把等待時間改為休眠狀態(tài) ，縮短可能受干擾的時間；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 外部條件復位法有些輸出或測量的啟動是由外部控制的。如暖氣熱表，靠熱水水輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖計算熱量，沒有熱水流動，就沒有熱量輸出，CPU只要保持原來數(shù)值即可，不需要計數(shù)?？梢韵胂螅Ｅ瘯r熱

13、水水輪不轉(zhuǎn)，CPU在春夏秋三季則無事可做；如果讓其休眠，而不是時刻檢測有無水輪脈沖，抗干擾能力會大大增強。因此，只要把水輪脈沖與CPU的復位聯(lián)系起來，水輪每旋轉(zhuǎn)1周，CPU復位1次，熱表就可以正常工作了，這就是外部條件復位法。類似的應用還有半電子式電度表，當機械度盤旋轉(zhuǎn)1周時才進行1個計數(shù)，用戶不用電，CPU會一直休眠。這種方法的復位間隔不是固定的，而是根據(jù)外部條件確定的。在有些場合，休眠的時間會很長，對提高抗干擾能力非常有效。2 硬件實現(xiàn)要點2.1 無條件定時復位一般有2種方法。 使用定時器或?qū)Ｓ脮r鐘芯片復位。圖1為使用555電路組成的定時電路；也可以使用X1126之類的時鐘芯片，設置報警時

14、間后用報警信號喚醒CPU。這種方法適用于長間隔定時，還可以根據(jù)本次運算的結(jié)果，臨時決定下一次的報警喚醒時間，非常靈活方便。 使用系統(tǒng)固有的信號作為定時復位脈沖。例如使用50Hz工頻電源整形后作復位，既省略了定時器，同時又為檢測電流信號的相位采集了相應的信號，如圖2所示。2.2 外部條件復位把外部條件脈沖整形后送到復位端子。對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；對于記錄最大或最小值的儀器，可使用窗口比較器。為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)的電子化，可以使用電子電位器，用單片機指令設定上下限。2.3 復位周期與復位高電平時間圖3中，復位信號在高電平Tr期間，單片機處在復位狀態(tài)，程序不運行，抗干擾

15、能力最強；高電平過后，單片機開始執(zhí)行程序。也就是說，復位信號的低電平Td期間是可供程序執(zhí)行的時間，這個時間要大于每次程序的執(zhí)行周期。合理選擇復位周期和復位信號的高電平占空比非常重要。對于單純顯示儀表，復位周期決定數(shù)據(jù)刷新周期，低電平時間要大于檢測、送顯示的全部時間；否則，會出現(xiàn)永遠不能完整執(zhí)行程序的錯誤。單片機在Ts和Tr期間都能有效地抗干擾，但是最好還是把多余時間安排在Tr內(nèi)。當程序執(zhí)行時間較長，要求盡量縮短Tr時，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)復位期間的正脈沖復位期間單片機的全部I/O口變成高電平。也就是說，正常輸出為低的引腳，會按照復位周期出

16、現(xiàn)寬度為Tr的正脈沖。這個正脈沖會影響正常的輸出，有2個辦法處理： 在端子上并聯(lián)電容加以抑制，容量根據(jù)復位的Tr時間確定。減小Tr可以減小并聯(lián)電容。 把外圍電路設計成高電平無效。(2)容 錯適當選取輸出端并聯(lián)電容的容量，可以實現(xiàn)容錯控制。在某個復位周期，因干擾輸出了錯誤電平。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；在下個周期，錯誤被糾正。因此，只要不是連續(xù)2個周期出錯，輸出是可容錯的。當然，這種方法會使正常的輸出變化滯后一個周期，才真正反映到輸出端子。2.5 上電檢測與手動復位有些系統(tǒng)在初上電時要做一些初始化操作。采用復位方式運行時，每次復位已經(jīng)成為正常運行的開始條件，無法

17、辨別是否初上電。在某引腳對地接一個1F的電容，復位后檢測該引腳，如果是低電平就是初上電。如果給系統(tǒng)設立一個復位按鈕，也就是常見的手動復位，這個按鈕不是連接在復位端，而是并聯(lián)在上述引腳對地的電容兩端。3 軟件實現(xiàn)要點3.1 輸出恢復與不清零RAM定時復位后全部引腳變成高電平，使得本應為低的引腳發(fā)生了不應有的變化，因此，復位后要立即恢復所有引腳的狀態(tài)。有2種方法： 本次復位后立即進行分析判斷，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在定時復位時是不能清零的；而在初上電或手動復位按下時應清零，在軟件編制時要體現(xiàn)出來。如果計算時間允許，盡量采取方法1。因為連續(xù)2次復位周期都

18、計算出錯的概率很小，按照2.4敘述的輸出端子并聯(lián)電容的處理方法，可以達到很好的抗干擾效果。3.2 實現(xiàn)跨越定時復位間隔的時序控制現(xiàn)在用復位方式工作，每次從頭開始反復執(zhí)行同一程序。可分為2種情況： 對于單純顯示儀表，每次復位后進行測量、送顯示，兩次復位之間沒有因果關(guān)系，只需把原來的等待改為休眠即可。要注意的是，測量、送顯示用的總時間要小于復位低電平時間，否則會出現(xiàn)永遠不能完整執(zhí)行程序的錯誤。 對于有時序控制的應用，每次復位后，先要查看上個周期留下的標志，以決定本周期做什么。也就是說，凡是跨過復位周期的操作，都是靠標志傳遞的，這些標志存放在內(nèi)部RAM中，只有初上電時才清零。例如，前面提到的變壓器綜合保護器，按照20ms的間隔定時復位。它在上電后，經(jīng)過一定的動作順序達到正常工作狀態(tài)，如圖4；根據(jù)這個動作編寫軟件流程的一部