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1 引言
隨著工業(yè)技術的不斷發(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)的基本結構設計
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ROM；10位隊列式的模數(shù)轉換器(QADC)；隊列式串行通信模塊(QSM)；可構造時鐘模塊(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)總線結構，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試。
系統(tǒng)擴展的基本結構 MC68HC376 內部集成度較高，因而其所需的外圍擴展工作較少?；窘Y構包括外部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電平轉換器MAX232和CAN控制器CAN250等，其結構框圖如圖1所示。本文重點討論系統(tǒng)的可靠性設計。
3 系統(tǒng)的可靠性設計
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，因此應該將微控制器維持在復位的狀態(tài)，以避免控制錯誤。對于MAX705，復位門限電壓為4.65V，故當Vcc低于4.65V時，系統(tǒng)保持在復位狀態(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與手動復位引腳/MR相連，因此/RESET腳向MC68HC376發(fā)出低有效的復位信號，使系統(tǒng)恢復到復位狀態(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。該電路應盡可能降低XFC腳的泄露電流，以提高時鐘的穩(wěn)定性和內部鎖相環(huán)的性能。圖3所示為高穩(wěn)定的濾波電路。
3.3輸出驅動電路可靠性設計
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)生錯誤的調節(jié)控制動作而使系統(tǒng)受到危害。因此，對于輸出驅動電路應該加以相應的閉鎖控制和抗干擾設計，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，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，因此應設計相應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?，啟動報警裝置。軟件可靠性設計
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，程序應該在軟件看門狗溢出之前對軟件服務寄存器(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)復位。這樣，就可以在程序死循環(huán)或者由于其它原因而導致程序跳飛時自動回復到復位狀態(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內部的各個模塊，可以通過其相應的結構寄存器中的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，整個程序結構性強，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進行內部總線操作時，數(shù)據(jù)選通應答引腳(/DSACK)和自動向量引腳(/AVEC)應該有相應的應答信號。SIM模塊中的總線監(jiān)視器能對/DSACK和/AVEC信號進行監(jiān)視，當響應時間超過定時值就使總線錯誤(/BERR)引腳有效。程序應對/BERR的狀態(tài)進行監(jiān)視，以便及時對總線錯誤做出相應的處理。
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)可靠性的設計措施。應用該方案的數(shù)字式低頻低壓控制裝置RSA800，已通過電力工業(yè)部電力設備及儀表質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)(http://www.makelele.cn)
隨著工業(yè)技術的不斷發(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)的基本結構設計
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ROM；10位隊列式的模數(shù)轉換器(QADC)；隊列式串行通信模塊(QSM)；可構造時鐘模塊(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)總線結構，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試。
系統(tǒng)擴展的基本結構 MC68HC376 內部集成度較高，因而其所需的外圍擴展工作較少?；窘Y構包括外部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電平轉換器MAX232和CAN控制器CAN250等，其結構框圖如圖1所示。本文重點討論系統(tǒng)的可靠性設計。
3 系統(tǒng)的可靠性設計
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，因此應該將微控制器維持在復位的狀態(tài)，以避免控制錯誤。對于MAX705，復位門限電壓為4.65V，故當Vcc低于4.65V時，系統(tǒng)保持在復位狀態(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與手動復位引腳/MR相連，因此/RESET腳向MC68HC376發(fā)出低有效的復位信號，使系統(tǒng)恢復到復位狀態(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。該電路應盡可能降低XFC腳的泄露電流，以提高時鐘的穩(wěn)定性和內部鎖相環(huán)的性能。圖3所示為高穩(wěn)定的濾波電路。
3.3輸出驅動電路可靠性設計
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)生錯誤的調節(jié)控制動作而使系統(tǒng)受到危害。因此，對于輸出驅動電路應該加以相應的閉鎖控制和抗干擾設計，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，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，因此應設計相應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?，啟動報警裝置。軟件可靠性設計
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，程序應該在軟件看門狗溢出之前對軟件服務寄存器(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)復位。這樣，就可以在程序死循環(huán)或者由于其它原因而導致程序跳飛時自動回復到復位狀態(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內部的各個模塊，可以通過其相應的結構寄存器中的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，整個程序結構性強，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進行內部總線操作時，數(shù)據(jù)選通應答引腳(/DSACK)和自動向量引腳(/AVEC)應該有相應的應答信號。SIM模塊中的總線監(jiān)視器能對/DSACK和/AVEC信號進行監(jiān)視，當響應時間超過定時值就使總線錯誤(/BERR)引腳有效。程序應對/BERR的狀態(tài)進行監(jiān)視，以便及時對總線錯誤做出相應的處理。
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)可靠性的設計措施。應用該方案的數(shù)字式低頻低壓控制裝置RSA800，已通過電力工業(yè)部電力設備及儀表質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)(http://www.makelele.cn)
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