基于32位單片機(jī)的高可靠性系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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軟件看門狗
在MC68HC376 的SIM 模塊中，有一個(gè)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(shí)，看門狗啟動(dòng)，開始計(jì)時(shí)。在裝置正常工作時(shí)，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(huì)清除當(dāng)前計(jì)時(shí)值，重新開始計(jì)時(shí)。如果計(jì)時(shí)值溢出，則會(huì)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(shí)自動(dòng)回復(fù)到復(fù)位狀態(tài)。看門狗的溢出時(shí)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(shí)區(qū)(SWT[1:0])決定，如表1所示。選擇看門狗溢出時(shí)間時(shí)應(yīng)該注意大小適中，若取值過大，則程序可能會(huì)較長時(shí)間處于死循環(huán)或跳飛狀態(tài)，從而導(dǎo)致控制錯(cuò)誤或失效；若取值過小，則會(huì)增加程序負(fù)擔(dān)，降低裝置運(yùn)行效率。
程序的區(qū)域劃分和操作級(jí)別控制
CPU32 可進(jìn)行兩種優(yōu)先級(jí)別的操作：監(jiān)控級(jí)別和用戶級(jí)別。在監(jiān)控級(jí)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(jí)別下，它對一些寄存器和指令的訪問會(huì)受到限制。在程序中有效地利用這種優(yōu)先級(jí)別會(huì)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(yùn)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(jí)別，當(dāng)S=1 時(shí)CPU 處于監(jiān)控級(jí)別；S=0時(shí)CPU處于用戶級(jí)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(gè)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(shí)現(xiàn)外部解碼，可以使監(jiān)控級(jí)程序、監(jiān)控級(jí)數(shù)據(jù)、用戶級(jí)程序、用戶級(jí)數(shù)據(jù)分別使用各自獨(dú)立的地址空間。對于MC68HC376內(nèi)部的各個(gè)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(shí)，將相關(guān)的寄存器放置于監(jiān)控級(jí)數(shù)據(jù)地址空間，CPU只有在監(jiān)控級(jí)別時(shí)才可對其訪問和操作；當(dāng)SUPV=0 時(shí)，將相關(guān)的寄存器放置于數(shù)據(jù)級(jí)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(gè)程序結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，按級(jí)別控制訪問，增強(qiáng)了運(yùn)行的可靠性。
總線監(jiān)視器
MC68HC376 進(jìn)行內(nèi)部總線操作時(shí)，數(shù)據(jù)選通應(yīng)答引腳(/DSACK)和自動(dòng)向量引腳(/AVEC)應(yīng)該有相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)。SIM模塊中的總線監(jiān)視器能對/DSACK和/AVEC信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)響應(yīng)時(shí)間超過定時(shí)值就使總線錯(cuò)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(shí)對總線錯(cuò)誤做出相應(yīng)的處理。
總線監(jiān)視器的定時(shí)值由系統(tǒng)保護(hù)控制寄存器(SYPCR)中的總線監(jiān)視時(shí)間區(qū)(BMT[1:0])決定。BMT[1:0]=00時(shí)，定時(shí)值為64個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘；BMT[1:0]=01時(shí)，定時(shí)值為32 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘；BMT[1:0]=10時(shí)，定時(shí)值為16個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘；BMT[1:0]=11時(shí)，定時(shí)值為8 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。程序員應(yīng)根據(jù)實(shí)際的運(yùn)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(shí)鐘電路采用獨(dú)立電源VDDSYN供電，減少對MCU的干擾，而且MCU 停電時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘仍可維持運(yùn)行。布線時(shí)，時(shí)鐘電路設(shè)置在電路板的中央；Standby RAM采用兩個(gè)電源VDD 和VSTBY供電，正常運(yùn)行時(shí)VDD 供電，發(fā)生掉電時(shí)，使其自動(dòng)切換到VSTBY 供電。同時(shí)，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(yùn)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(shí)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(jì)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(yàn)測試中心的產(chǎn)品型式試驗(yàn)。
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