微控制器應(yīng)用中采用軟件方式抑制外來(lái)干擾解析方案

微控制器越來(lái)越多地用于各種電子領(lǐng)域，例如自動(dòng)化、工業(yè)控制中。隨著金屬氧化物半導(dǎo)體的硅晶體管幾何尺寸的不斷縮小，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電磁兼容性(EMC)問(wèn)題，成為采胳膊小尺寸器件進(jìn)行設(shè)計(jì)的必須考慮的主要問(wèn)題。

在嵌入式微控制器內(nèi)部，對(duì)于內(nèi)部產(chǎn)生的電磁發(fā)射，采用軟件措施的效果并不明顯。因?yàn)榘l(fā)射主要是由CPU中的內(nèi)部時(shí)鐘和噪聲引起，而且高速開(kāi)關(guān)電流是由微控制器中的多種不同的門(mén)所形成。如果芯片版圖設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮電磁兼容性，那么外部的PCB(印制電路板)將會(huì)大大增強(qiáng)那些不必要的噪聲信號(hào)。所以在很多設(shè)計(jì)中，采用軟件很難消除這種固有的電子發(fā)射影響。

但是，在控制器應(yīng)用中，卻可采用軟件的方式來(lái)抑制外來(lái)干擾。本文給出了一些常用設(shè)計(jì)技巧和應(yīng)用。

一、內(nèi)嵌抗干擾軟件

在很多的應(yīng)用中，用簡(jiǎn)單的抗干擾設(shè)計(jì)，就可以將一個(gè)微控制器的干擾抑制效果大大提高。這種抗干擾設(shè)計(jì)的魅力就在于實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的費(fèi)用較低，還可以節(jié)省PCB板上硬件成本?？垢蓴_設(shè)計(jì)的常用技巧如下：

1.刷新端口引腳(Refreshing port pins)：抗干擾軟件最簡(jiǎn)單的一個(gè)例子就是可以不斷地更新I/O端口和一些重要的寄存器。在大多數(shù)微控制器的應(yīng)用中，軟件將會(huì)執(zhí)行一個(gè)有規(guī)律的主循環(huán)。由于微控制器的I/O端口通常靠近連接焊點(diǎn)(bond pads)，而這些焊點(diǎn)通常是位于芯片的邊沿。當(dāng)一個(gè)確定振幅的噪聲施加到微控制器時(shí)，噪聲將會(huì)從芯片的邊沿向內(nèi)傳入硅晶體中。這意味著芯片邊沿的邏輯電路最容易被外部噪聲源破壞，輸入/輸出電路就屬于這種類(lèi)型。因此有規(guī)律的更新數(shù)據(jù)寄存器和數(shù)據(jù)說(shuō)明寄存器，就可以把這種故障的威脅降低。

2.檢測(cè)輸入腳(Polling inputs)：另一個(gè)方法就是采用多次讀輸入腳數(shù)據(jù)，且取平均值作為該腳的正確數(shù)據(jù)方式。其典型的應(yīng)用就是用軟件每隔10ms讀一次鍵盤(pán)，以保證真實(shí)的鍵入發(fā)生。這種表決式做法被稱作反彈跳保護(hù)。 圖1的程序可以很迅速地連續(xù)讀出該端口，如果有3次讀出結(jié)果相同，那么CPU將以進(jìn)位標(biāo)志的狀態(tài)作為讀結(jié)果返回(這是HC05 CPU的BRSET和BRCLR的一個(gè)固有特征)。這個(gè)程序的問(wèn)題在于當(dāng)輸入引腳是處于很嘈雜的環(huán)境時(shí)，CPU將會(huì)按這個(gè)程序持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，這在那些對(duì)時(shí)間要求較苛刻的應(yīng)用中是不實(shí)際的。更好的一個(gè)程序就是多次讀出輸入引腳，并使寄存器遞增，如果結(jié)果小于某個(gè)數(shù)，那么就將它當(dāng)作0;如果大于某個(gè)數(shù)，就作為 1。這個(gè)程序通常會(huì)在有限時(shí)間內(nèi)退出，以保證不會(huì)妨礙到該應(yīng)用中其他程序的運(yùn)行。

3.標(biāo)記通過(guò)(Token Passing)：在一些重要的處理中，標(biāo)記通過(guò)用以確認(rèn)任務(wù)已進(jìn)入受控方式而未失去控制。標(biāo)記通過(guò)可以利用RAM里未用到的空間來(lái)完成。在應(yīng)用的一段特定時(shí)間間隔里，該軟件將通過(guò)許多未用的RAM空間循環(huán)一個(gè)1.在任何一個(gè)重要任務(wù)被執(zhí)行之前。這種循環(huán)檢查將會(huì)得出結(jié)果。結(jié)果檢測(cè)通過(guò)，該任務(wù)將會(huì)被執(zhí)行。如果以沒(méi)通過(guò)，則說(shuō)明微控制器是從未指定的跳轉(zhuǎn)進(jìn)入該任務(wù)，那么就跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行一個(gè)初始化程序。 4.未使用的內(nèi)存(Unused Memory)：在大多數(shù)的應(yīng)用中，程序的存儲(chǔ)器總有一些區(qū)域未使用。如果在一些事件中，程序計(jì)數(shù)器(Program Counter)被破壞且跳轉(zhuǎn)進(jìn)入未用的存儲(chǔ)空間，那么有些應(yīng)該執(zhí)行的控制就會(huì)起作用。例如，在16K字節(jié)的程序空間里存在未使用的500Byte的子塊。如果我們用SWI指令填滿這些未用空間，那么任何指向未用地區(qū)的無(wú)效激勵(lì)將會(huì)導(dǎo)致微控制器去讀取SWI矢量，而該向量是被編程跳轉(zhuǎn)到程序中的已知的起始位置。同樣，在微管制器的應(yīng)用中，SWI也可用其它函數(shù)來(lái)替代，以填充那些未用的區(qū)域。

請(qǐng)注意：記錄這些未用區(qū)域已被9D指令填滿，且由一個(gè)有條件的跳變(Jump)跳到已知區(qū)域(known-place)。當(dāng)這個(gè)微控制器運(yùn)行至該已知區(qū)域時(shí)，它將會(huì)被強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行初始化程序。

二、看門(mén)狗電路

一個(gè)看門(mén)狗電路通常被描述成一塊在有規(guī)律的時(shí)間間隔中進(jìn)行更新的硬件，該更新必須由微控制器或是使微控制器重新啟動(dòng)的電路來(lái)完成。一個(gè)外部的看門(mén)狗電路是最好的，因?yàn)樗灰蕾囄⒖刂破?，如果微控制器發(fā)生故障需要看門(mén)狗更新，則該電路將給出reset信號(hào)使微控制器重新啟動(dòng)。一個(gè)看門(mén)狗通常由一個(gè)硬件定時(shí)器構(gòu)成，如果沒(méi)有來(lái)看微控制器的更新或是報(bào)告信息，該定時(shí)器將會(huì)溢出。 在加電的POR時(shí)延內(nèi)，微控制器將保持在復(fù)位狀態(tài)。時(shí)鐘可以來(lái)自一個(gè)外部源或是來(lái)自用于微控制器的晶振的一個(gè)脈沖。當(dāng)該微控制器處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)，輸入/輸出引腳就成為輸入，而此時(shí)計(jì)數(shù)器也開(kāi)始運(yùn)作。如果Q是0，那么C1就會(huì)被充電，而微控制器將會(huì)跳離復(fù)位狀態(tài)。

微控制器的首要任務(wù)是給出一個(gè)小脈沖來(lái)重啟計(jì)數(shù)器到一個(gè)已知的時(shí)間溢出值，微控制器上的I/O端口形成交流耦合，目的在于保證只有邊沿觸發(fā)才能重新發(fā)計(jì)數(shù)器。這樣就保證了一個(gè)恒定的直流電平將不會(huì)有效作用于微控制器或看門(mén)狗。該微控制器必須在Q跳為1之前發(fā)送一個(gè)小的脈沖，以保證微控制器不被復(fù)位(正常情況下該操作至少需要兩個(gè)微控制器的軟件指令)。還有一個(gè)可供選擇的方法就是微控制器在晶片上具有內(nèi)嵌看門(mén)狗電路。例如Motorola 的MC68HC705C8就有它自身的看門(mén)狗，由一個(gè)可編程計(jì)數(shù)器組成，該計(jì)數(shù)器大約在每32768時(shí)鐘周期就要被刷新一次，或是它將在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)清零指令。

CM1，0位通常用來(lái)選擇一個(gè)暫停周期(也就是CPU的時(shí)鐘被2 15，2 17，2 19，2 21 所劃分)。COPE位是只寫(xiě)一次的而且一旦看門(mén)狗有效，就不會(huì)停止，只有重啟才能停止看門(mén)狗的動(dòng)作。COPF位是通知用戶的標(biāo)志，它通知用戶前一次的重啟的由于看門(mén)狗的時(shí)溢或是其它原因所引起。刷新看門(mén)狗的時(shí)序是在COP重啟寄存器(COPRR)上的兩個(gè)寫(xiě)操作。即該序列是一個(gè)對(duì)COPRR進(jìn)行$55 寫(xiě)操作后緊跟$AA的寫(xiě)操作。

不是所有的微控制器都有看門(mén)狗電路的，但是在一些設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者能夠用未使用的中斷來(lái)執(zhí)行它自己的看門(mén)狗功能。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)MC68HC05P1沒(méi)有看門(mén)狗，但是有一個(gè)16bit可自由運(yùn)行的計(jì)時(shí)器。有3種可能的方式，使該計(jì)時(shí)器能夠產(chǎn)生一個(gè)中斷。這3種方式是：

1)一個(gè)從FFFF向0000溢出的定時(shí)器。

2)一個(gè)輸出比較，16bit寄存器和定時(shí)器的值的比較。

3)對(duì)TCAP端口的上升或下降邊沿的一個(gè)輸入捕捉。

如果此輸出比較(Output Compare)中斷不能被執(zhí)行，則其將被當(dāng)做假的看門(mén)狗。在這種情況下，定時(shí)器將與輸出比較(output compare)寄存器作個(gè)比較，以檢驗(yàn)系統(tǒng)是否都正常。如果系統(tǒng)運(yùn)行正確，那么將執(zhí)行一個(gè)中斷返回。如果有不正常情況，那么堆棧指針的復(fù)位和一個(gè)往初始化程序的跳轉(zhuǎn)將會(huì)執(zhí)行。該系統(tǒng)檢驗(yàn)可以是前述的標(biāo)志通過(guò)程序。

在一個(gè)程序里，看門(mén)狗更新(watchdog updates)最優(yōu)選位置的選擇不是一個(gè)簡(jiǎn)單的事情，一般說(shuō)來(lái)，是結(jié)束程序時(shí)的最后進(jìn)程。通常用戶需要測(cè)試軟件流程和所有的中斷程序和子程序的時(shí)序，關(guān)鍵的和非關(guān)鍵的應(yīng)用。在所有的程序中進(jìn)行看門(mén)狗惻新是最好的，但是由于微控制器有很長(zhǎng)的程序和很多的芯片功能，因此這樣是很難做到的。如果可能的話，看門(mén)狗刷新程序不應(yīng)該被放在中斷或是子程序中。原則上應(yīng)該直接放入主程序中。要注意的是刷新速率不要太大，否則將使失控狀態(tài)恢復(fù)的幾率下降。