基于32位單片機(jī)MC68HC376的高可靠性系統(tǒng)設(shè)計方案

　　引言

　　隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對單片機(jī)控制的要求也越來越高，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，弱信號很容易受到外界的電磁干擾，同時，單片機(jī)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(jī)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(jī)，具有極強(qiáng)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(jìn)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(kuò)展工作少，因此本身具有較強(qiáng)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。

　　1 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(hù)邏輯，同時可進(jìn)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(dá)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(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。本文重點討論系統(tǒng)的可靠性設(shè)計。




　　2 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

　　2.1 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(dāng)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(dāng)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(dāng)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)。

　　2.2 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。




　　2.3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(jìn)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(dāng)需要輸出控制信號時，置TCH15為1；當(dāng)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(dāng)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(dāng)兩根控制線為“0,1”時輸出有效的電平信號1。這樣，當(dāng)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(jī)的I/O控制信號應(yīng)使用上拉電阻。

　　2.4 掉電報警電路

　　當(dāng)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?，啟動報警裝置。軟件可靠性設(shè)計

　　2.5 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(hù)控制寄存器(SYPCR)中的SWE位控制開啟。當(dāng)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(dāng)寫入完成之后，軟件看門狗就會清除當(dāng)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(fù)擔(dān)，降低裝置運行效率。




　　2.6 程序的區(qū)域劃分和操作級別控制

　　CPU32可進(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jī)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(kuò)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(dāng)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(dāng)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(jìn)行訪問和操作。這樣，整個程序結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，按級別控制訪問，增強(qiáng)了運行的可靠性。

　　2.7 總線監(jiān)視器

　　MC68HC376進(jìn)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(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)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(jìn)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(hù)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(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。

　　3結(jié)語

　　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。

作者：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，齊曉曼，何勝，劉滌塵

參考文獻(xiàn)
1 MC68336/376 user's manual. Motorola.Inc.1996
2 CPU32 reference manual. Motorola.Inc.1996
3 CTM configurable timer module reference manual. Motorola.Inc.1996
4 QADC queued analog-to-digital converter reference manual. Motorola.Inc.1996
5 SIM system integration module reference manual. Motorola.Inc.1996
6 QSM queued serial module reference manual. Motorola.Inc.1996
7 王幸之等. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社. 1999
8 王福瑞等. 單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計大全[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社. 1999
9 李華等. MCS-51系列單片機(jī)實用接口技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社. 1993