51單片機(jī)在微機(jī)自動(dòng)交換系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)計(jì)

　　MCS—51單片機(jī)在電力線載波通信中處理任務(wù)時(shí)的實(shí)時(shí)性尤為突出。由于該系統(tǒng)整機(jī)配置的主要服務(wù)對象是電力調(diào)度，且它的使用環(huán)境將來多為無人值守站，所以系統(tǒng)工作是否穩(wěn)定直接影響到電力線載波機(jī)的整機(jī)性能。針對電力通信特點(diǎn)，在考慮穩(wěn)定運(yùn)行方面我們采取了以下幾項(xiàng)措施。

　　1　設(shè)置上電延時(shí)復(fù)位電路

　　1.1　為什么要進(jìn)行上電復(fù)位46

　　計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都要進(jìn)行復(fù)位。作為在控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)，復(fù)位處理更是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序運(yùn)行直接受程序計(jì)數(shù)器指揮，寄存器的復(fù)位狀態(tài)決定了單片機(jī)內(nèi)有關(guān)功能部件工作用的初始狀態(tài)，而程序的正常運(yùn)行就是從這個(gè)狀態(tài)開始的。如果上電時(shí)沒有做到正確復(fù)位，就可能使CPU從不定地址開始執(zhí)行指令，系統(tǒng)就得不到正確的初始化，也就不能正常工作。

　　1.2　復(fù)位條件

　　單片機(jī)是靠外部電路復(fù)位的。上電復(fù)位步驟：

　　(1)必須首先建立電源Vcc;

　　(2)Vcc穩(wěn)定后(達(dá)到允許值)時(shí)鐘振蕩器起振;

　　(3)復(fù)位腳必須在振蕩器起振后至少保持兩個(gè)機(jī)器周期復(fù)位電平。也就是說，復(fù)位腳(RST)復(fù)位電平維持時(shí)間應(yīng)包括Vcc的建立時(shí)間、振蕩器起振時(shí)間和至少兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間。

　　1.3　一般上電復(fù)位電路

　　在上電時(shí)，電源Vcc的建立時(shí)間應(yīng)小于幾十ms，振蕩器的起振時(shí)間取決于振蕩器頻率，對于10MHz晶體，起振時(shí)間為1ms，對于1MHz晶體，起振時(shí)間一般為10ms。此時(shí)可采用一般上電復(fù)位電路(圖1)。

　　如果對電源Vcc建立運(yùn)行速度相當(dāng)緩慢的系統(tǒng)，RC上電復(fù)位電路將不能保證系統(tǒng)可靠復(fù)位。假如，建立時(shí)間為1s，則RC充電曲線如圖2所示，此時(shí)很難使RC電路輸出正常的復(fù)位電平(隨著RC的充電，RST腳的電位ΔVc越來越低，在電源穩(wěn)定后，ΔVc的幅度不滿足兩個(gè)機(jī)器內(nèi)復(fù)位電平的要求，RST腳就可能退出復(fù)位狀態(tài))。而且，RST腳因易受電源干擾而產(chǎn)生誤復(fù)位。

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　　雖然電力線載波機(jī)電源現(xiàn)都采用開關(guān)工作方式，建立速度比以往的串聯(lián)式或并聯(lián)式調(diào)整電源快，但由于機(jī)器本身使用的電壓等級(jí)多，功率要求大，開機(jī)后各種電源的建立至少還需要500ms時(shí)間才能穩(wěn)定(+5V電源也不例外)，所以在自動(dòng)交換系統(tǒng)中采用一般上電復(fù)位在時(shí)間上幾乎不可能滿足復(fù)位要求，這是因?yàn)?MCS—51采用一般上電復(fù)位電路就要求電源至少在20ms內(nèi)建立才能保證復(fù)位。這屬于硬件特性，對于克服這一時(shí)延性困難來說，我們不可能做到使所有電力電源都迅速建立(該產(chǎn)品要利用與之配套的設(shè)備電源)，只有針對MCS—51自身特性在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)措施。

　　MCS—51硬件復(fù)位要保證在Vcc穩(wěn)定、振蕩器起振后至少有兩個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩器周期)的高電平出現(xiàn)在RST端，即執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位。為此我們設(shè)計(jì)了一個(gè)上電延時(shí)電路，該電路能針對不同電源建立時(shí)間的長短，改變R、C參數(shù)，可調(diào)整延時(shí)時(shí)間。由于采用了該電路，在無人值守站，系統(tǒng)不會(huì)因停電、再上電而出現(xiàn)“死機(jī)”造成通信中斷現(xiàn)象，如圖3所示。R1、R2提供比較電位(2/3Vcc)，RC充電時(shí)間由R、C參數(shù)決定，R4為復(fù)原信號(hào)邊緣校正，V1二級(jí)管為頻繁上電時(shí)電容C的泄放電路，V2與Watchdog電路在邏輯上成或關(guān)系。開機(jī)時(shí)同相端電位大于反相端電位，輸出為上升的電位(在電源建立期間)，RC充電時(shí)間足夠延遲到電源穩(wěn)定，當(dāng)RC充電電壓大于2/3Vcc時(shí)，該電路輸出“0”，至此上電復(fù)位正常完成。

　　2　應(yīng)用看門狗電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)

　　2.1　復(fù)位寬度設(shè)計(jì)要求

　　因?yàn)镸CS—51內(nèi)部無Watchdog功能(8096系列單片機(jī)有)，所以需在外部擴(kuò)展此電路，如圖4所示。單穩(wěn)電路為可再觸發(fā)電路，只要觸發(fā)脈沖(CP)正常地作周期性輸出，單穩(wěn)一直處于瞬態(tài)階段，輸出低電平。通過V1嵌位，振蕩電路停振，振蕩器輸出“0”不影響RST腳，CPU處于正常工作狀態(tài)，如果因某種原因CP無輸出，單穩(wěn)處于穩(wěn)態(tài)，輸出“1”振蕩器起振，輸出方波，送至RST腳。為了保證復(fù)位，方波寬度遠(yuǎn)大于兩機(jī)器周期，且至少應(yīng)大于CP兩個(gè)周期，以保證程序有時(shí)間作Watchdog

　　處理(輸出正常的觸發(fā)脈沖，使振蕩器停振，輸出“0”不影響RST腳)。

　　2.2　周期性觸發(fā)脈沖軟件設(shè)計(jì)考慮

　　由軟件產(chǎn)生周期性觸發(fā)信號(hào)來控制該電路工作，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。在產(chǎn)生該周期性信號(hào)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　(1)信號(hào)不采取定時(shí)器中斷方式獲得。這基于以下考慮：在初始化后，定時(shí)中斷即開始工作，假如由于某種信號(hào)干擾使主程序轉(zhuǎn)飛，但并未破壞定時(shí)器有關(guān)中斷控制設(shè)置，定時(shí)中斷有可能正常工作，則周期性脈沖可能輸出正常，此時(shí)Watchdog則不能使主程序恢復(fù)正常。

　　(2)Watchdog輸出模塊放在主程序中，主程序有幾個(gè)循環(huán)體就應(yīng)放入幾個(gè)Watchdog輸出模塊，以確保主程序不被破壞。

　　(3)工作程序部分包括主程序和中斷程序，Watchdog不僅要保護(hù)主程序轉(zhuǎn)飛，而且也要保護(hù)中斷程序轉(zhuǎn)飛。保護(hù)流程如圖5所示。設(shè)高級(jí)中斷運(yùn)行標(biāo)志為1，次級(jí)中斷運(yùn)行正常標(biāo)志為2。

　　如果高級(jí)中斷不能正常運(yùn)行，那么無標(biāo)志1，雖然次級(jí)中斷工作正常，但因無標(biāo)志1，則無標(biāo)志2，最終主程序因無標(biāo)志2，故Watchdog無輸出，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。同理，如次級(jí)中斷不能正常工作，那么標(biāo)志2產(chǎn)生，最終導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位;若主程序自身失效，則也無定時(shí)輸出，最終也導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位，重新使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。[next]

3　被破壞數(shù)據(jù)的修復(fù)

　　Watchdog電路只能保證系統(tǒng)失效后能得到復(fù)位處理，重新恢復(fù)正常工作，但這說明以前有的工作狀態(tài)已被破壞，只是不“死機(jī)”而已。程序的失效、轉(zhuǎn)飛往往是因?yàn)橛嘘P(guān)轉(zhuǎn)移標(biāo)志、數(shù)據(jù)或SFR控制字被破壞所致，不管如何好的系統(tǒng)，要想完全避免這些破壞是不可能的，因?yàn)槎喾N多樣的干擾源根本無法消除，要想保護(hù)這些過程數(shù)據(jù)不被破壞，只有設(shè)法在保護(hù)方面盡可能做得更加完善些。

　　3.1　特殊功能寄存器(SFR)內(nèi)容的實(shí)時(shí)刷新

　　一般情況下，在初始化程序中SFR已被預(yù)置好初值，它代表一定的工作方式。在正常運(yùn)行后，SFR的內(nèi)容一般是不變的。因?yàn)镾FR內(nèi)容代表特定的工作方式，該內(nèi)容被破壞也就改變了原來設(shè)定的工作方式，從而使系統(tǒng)失常。比如，系統(tǒng)設(shè)置為以中斷方式工作后，就存在中斷返回問題，在初始化程序中已設(shè)置堆棧(SP)內(nèi)容，如果由于某種干擾，SP內(nèi)容被改變，那么中斷返回將不能轉(zhuǎn)向預(yù)定地址，系統(tǒng)工作必然失常。為了盡量減少破壞的機(jī)會(huì)，我們將有關(guān)SFR放在主程序Watchdog循環(huán)輸出模塊中，以使其不斷得到刷新，程序示意圖如下：

　　LOOP：　　·

　　·

　　·

　　MOV　　SP，　　#10H

　　MOV TMOD， #12H

　　MOV SCON， #00H

　　ANL PSW， #0E7H

　　SETB TR0

　　SETB TR1

　　SETB IT0

　　MOV IE， #8AH

　　MOV IP， #02H

　　·

　　·

　　·

　　LJMP LOOP

　　 [next]

　　數(shù)據(jù)RAM區(qū)的單元內(nèi)容多數(shù)是運(yùn)行中經(jīng)運(yùn)算或經(jīng)各種處理而得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被破壞的可能性更大些，除了干擾源破壞，另外運(yùn)算錯(cuò)誤或處理失誤，也會(huì)造成錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。比如，要想確切地取得一個(gè)收信標(biāo)志位01H的值，首先需查尋收信端是否有效，收信處理將作出判斷是否被干擾，如被干擾，則刷新標(biāo)志(SETB 01H)，若有效，則標(biāo)志為CLR 01H，然后進(jìn)入收信處理。下面的這些處理都是以位01H作前提的，如果該位被破壞(SETB01H)，那么收信處理將無法進(jìn)行，所以一旦確定進(jìn)入收信狀態(tài)后，在處理階段，要經(jīng)常重復(fù)確認(rèn)使標(biāo)志保持有效，即CLR01H，直到該任務(wù)完成為止。這也就是說，在完成某一具體任務(wù)時(shí)，對相關(guān)的標(biāo)志或數(shù)據(jù)要進(jìn)行可靠性診斷，作為實(shí)時(shí)修復(fù)，盡量減少被破壞的可能。

　　4　結(jié)束語

　　我們所采取的上述方法，經(jīng)幾年來的使用表明比較適合WCZ—X型交換系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中該產(chǎn)品的可靠性得到了很好的驗(yàn)征。