嵌入式控制系統(tǒng)電路抗干擾性的設(shè)計(jì)研究

　　嵌入式控制系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)某型軍用船艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的操縱控制功能而開發(fā)的。該系統(tǒng)基于軍民兩用的自動(dòng)技術(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)，可以方便地完成系統(tǒng)的升級(jí)改造，以適應(yīng)船艇改進(jìn)改型的需要，運(yùn)用前景十分廣闊。嵌入式控制系統(tǒng)是船艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的控制中樞，其抗干擾設(shè)計(jì)是船艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　時(shí)鐘電路抗干擾設(shè)計(jì)

　　時(shí)鐘電路產(chǎn)生CPU的工作時(shí)序脈沖，是正常工作的關(guān)鍵。時(shí)鐘信號(hào)被干擾后將導(dǎo)致CPU的工作時(shí)序發(fā)生紊亂，使得系統(tǒng)不能正常工作。

　　時(shí)鐘信號(hào)不僅是對(duì)噪聲干擾最敏感的部位，同時(shí)也是單片機(jī)系統(tǒng)的主要噪聲源。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)為頻率很高的方波，由與其頻率相同的正弦基波和其倍頻正弦波疊加而成。頻率越高，越容易發(fā)射出去成為噪聲源。此外，時(shí)鐘頻率越高，信息傳輸線上信息變換頻率也越高，致使線間串?dāng)_、反射干擾以及公共阻抗干擾加劇。因而，在滿足系統(tǒng)功能的前提下，應(yīng)盡量降低時(shí)鐘頻率，這對(duì)降低系統(tǒng)的電磁發(fā)射，提高系統(tǒng)的抗干擾性能極為有利。

　　系統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)時(shí)鐘電路的抗干擾設(shè)計(jì)主要有以下幾步。

　　● 時(shí)鐘脈沖電路盡量靠近CPU，引線盡量短而粗。

　　● 用地線包圍振蕩電路，晶體外殼接地。

　　● 晶振電路電容性能穩(wěn)定，容量準(zhǔn)確且遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。

　　● 印刷電路板上大電流信號(hào)線、電源變壓器遠(yuǎn)離晶振信號(hào)的連線。

　　● 對(duì)于外部時(shí)鐘源電路，對(duì)其芯片電源采取濾波措施。

　　● 時(shí)鐘電路為其他芯片提供時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，采用隔離和驅(qū)動(dòng)措施。

　　復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

　　在嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，復(fù)位電路的設(shè)計(jì)非常重要，因?yàn)閱纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，會(huì)經(jīng)常要求進(jìn)入復(fù)位工作狀態(tài)，因而要求復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作，其復(fù)位狀態(tài)與應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)位狀態(tài)是密切相關(guān)的。

　　單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)振蕩脈沖(2個(gè)機(jī)器周期)以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證系統(tǒng)可靠的復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，要使RST引腳保持10ms以上的高電平。只要RST保持高電平，MCS-51單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位;當(dāng) RST從高電平變?yōu)榈碗娖揭院?，單片機(jī)就從0000H地址開始執(zhí)行程序。在復(fù)位有效期間，ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口引腳輸出高電平，即使準(zhǔn)雙向口皆處于輸入狀態(tài)，并將07H寫入棧指針SP(即設(shè)定堆棧底為07H)。同時(shí)，將程序計(jì)數(shù)器PC和其余的特殊功能寄存器清零(不定的位除外)。復(fù)位不能影響單片機(jī)內(nèi)部的RAM狀態(tài)，但上電復(fù)位時(shí)，由于是重新供電，RAM在斷電時(shí)數(shù)據(jù)丟失，上電復(fù)位后為隨機(jī)數(shù)。復(fù)位后單片機(jī)的初始復(fù)位狀態(tài)如表1所示。

　　系統(tǒng)中采用程序運(yùn)行監(jiān)視電路設(shè)計(jì)來滿足系統(tǒng)的復(fù)位工作要求。程序運(yùn)行監(jiān)視通常都由各種類型的程序監(jiān)視定時(shí)器WDT(Watch Dog Timer)，俗稱“看門狗”。WDT可保證程序非正常運(yùn)行，如程序“死機(jī)”時(shí)，能及時(shí)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。WDT通常有三種類型：單片機(jī)內(nèi)部的WDT功能單元;μP監(jiān)視控制器件的WDT電路;單片機(jī)外部設(shè)置的WDT電路。本系統(tǒng)中，我們使用單片機(jī)外部設(shè)置WDT電路。

　　圖1是外部WDT電路示意圖。WDT是一個(gè)帶有清除端CLR及溢出信號(hào)OF輸出的定時(shí)器。定時(shí)器由脈沖源PWDT、循環(huán)計(jì)數(shù)器、單穩(wěn)態(tài)電路組成。PWDT提供循環(huán)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，單穩(wěn)態(tài)將循環(huán)計(jì)數(shù)器溢出信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的復(fù)位脈沖WRST。

　　圖1 單片機(jī)外部WDT電路示意圖

　　系統(tǒng)使用的MAX813L與8031的接口電路如圖2所示。該電路可實(shí)現(xiàn)看門狗、電源故障監(jiān)控的功能。MAX813L是一款帶有WDT和電壓監(jiān)控功能的芯片，其WDT功能可在輸入于1.6s內(nèi)沒有變化時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位輸出。同時(shí)，電壓監(jiān)控功能可以保證當(dāng)電源電壓低于1.25V時(shí)，產(chǎn)生低掉電輸出。此外，MAX813L還能在上電時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生200ms寬的復(fù)位脈沖，并具備人工復(fù)位功能，可以給CPU提供良好的保護(hù)。

　　圖2 MAX813L與單片機(jī)8031的連接圖

　　通過把WO與WR直接相連接，一旦程序跑飛，WO將變?yōu)榈碗娖?，并保?40ms以上。該信號(hào)將使MAX813L復(fù)位，同時(shí)清零看門狗定時(shí)器，使RST引腳輸出高電平，將單片機(jī)復(fù)位。200ms結(jié)束后，單片機(jī)脫離復(fù)位狀態(tài)，重新恢復(fù)正常的程序運(yùn)行。

　　上述的硬件“看門狗”用于解決主程序的死循環(huán)故障，對(duì)于程序中出現(xiàn)的中斷故障，系統(tǒng)使用軟件“看門狗”來實(shí)現(xiàn)對(duì)中斷的發(fā)現(xiàn)和處理。軟件“看門狗”會(huì)在主程序中設(shè)置變量t0和t1。當(dāng)T0發(fā)生一次中斷，將t0加1，T1發(fā)生一次中斷，將t1加1。在主程序的功能模塊開始處記錄下t0、t1的當(dāng)前值，設(shè)置計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期，使之小于功能模塊的執(zhí)行時(shí)間。這樣，在功能模塊的執(zhí)行周期內(nèi)，計(jì)數(shù)器肯定會(huì)發(fā)生中斷，通過在功能模塊的出口處檢測(cè)這種變化來確定是否發(fā)生了中斷關(guān)閉情況，并進(jìn)行故障的處理。

　　控制器總線的抗干擾設(shè)計(jì)

　　由于系統(tǒng)使用的單片機(jī)僅僅依靠自身功能不能滿足系統(tǒng)的要求，需要應(yīng)用外部接口芯片對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展。而總線是單片機(jī)和外部各種接口芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道，總線的可靠性直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)主要采取以下措施來提高總線的抗干擾能力。

　　采用三態(tài)門式總線驅(qū)動(dòng)器提供總線的抗干擾能力?？偩€驅(qū)動(dòng)器使用TTL型三態(tài)緩沖門電路74LS245，74LS245可用于雙向驅(qū)動(dòng)。三態(tài)門緩沖器能減少分布電容與電感對(duì)總線工作的影響，在總線上可連接400個(gè)芯片，其總線抗干擾能力比OC(集電極開路)門大約大10倍，可驅(qū)動(dòng)100m的線。

　　總線接收端加施密特電路做緩沖器抗干擾。在接收端印刷板插座附件加施密特電路來做緩沖器，可以濾除外部噪聲，提高總線的抗干擾性能。

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