微控制器的抗干擾軟件編程方法

微控制器越來越多地用于各種電子領(lǐng)域,例如自動化、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)計中的電磁兼容性（EMC）問題,成為采胳膊小尺寸器件進(jìn)行設(shè)計的必須考慮的主要問題。

在嵌入式微控制器內(nèi)部,對于內(nèi)部產(chǎn)生的電磁發(fā)射,采用軟件措施的效果并不明顯。因為發(fā)射主要是由CPU中的內(nèi)部時鐘和噪聲引起,而且高速開關(guān)電流是由微控制器中的多種不同的門所形成。如果芯片版圖設(shè)計時沒有考慮電磁兼容性,那么外部的PCB（印制電路板）將會大大增強(qiáng)那些不必要的噪聲信號。所以在很多設(shè)計中,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抑制外來干擾。本文給出了一些常用設(shè)計技巧和應(yīng)用。

一、內(nèi)嵌抗干擾軟件

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

1.刷新端口引腳（Refreshing port pins)：抗干擾軟件最簡單的一個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,軟件將會執(zhí)行一個有規(guī)律的主循環(huán)。由于微控制器的I/O端口通?？拷B接焊點(diǎn)（bond pads),而這些焊點(diǎn)通常是位于芯片的邊沿。當(dāng)一個確定振幅的噪聲施加到微控制器時,噪聲將會從芯片的邊沿向內(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型。因此有規(guī)律的更新數(shù)據(jù)寄存器和數(shù)據(jù)說明寄存器,就可以把這種故障的威脅降低。

2.檢測輸入腳（Polling inputs)：另一個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,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)。作為一種高頻率檢測某個端腳的Motorola HC05代碼的實(shí)例如圖1所示。

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的一個固有特征）。這個程序的問題在于當(dāng)輸入引腳是處于很嘈雜的環(huán)境時,CPU將會按這個程序持續(xù)很長時間,這在那些對時間要求較苛刻的應(yīng)用中是不實(shí)際的。更好的一個程序就是多次讀出輸入引腳,并使寄存器遞增,如果結(jié)果小于某個數(shù),那么就將它當(dāng)作0;如果大于某個數(shù),就作為1。這個程序通常會在有限時間內(nèi)退出,以保證不會妨礙到該應(yīng)用中其他程序的運(yùn)行。

3.標(biāo)記通過（Token Passing)：在一些重要的處理中,標(biāo)記通過用以確認(rèn)任務(wù)已進(jìn)入受控方式而未失去控制。標(biāo)記通過可以利用RAM里未用到的空間來完成。在應(yīng)用的一段特定時間間隔里,該軟件將通過許多未用的RAM空間循環(huán)一個1.在任何一個重要任務(wù)被執(zhí)行之前。這種循環(huán)檢查將會得出結(jié)果。結(jié)果檢測通過,該任務(wù)將會被執(zhí)行。如果以沒通過,則說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)行一個初始化程序。見圖2。

4.未使用的內(nèi)存（Unused Memory)：在大多數(shù)的應(yīng)用中,程序的存儲器總有一些區(qū)域未使用。如果在一些事件中,程序計數(shù)器（Program Counter)被破壞且跳轉(zhuǎn)進(jìn)入未用的存儲空間,那么有些應(yīng)該執(zhí)行的控制就會起作用。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)的無效激勵將會導(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)來替代,以填充那些未用的區(qū)域,其實(shí)例如圖3所示。

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