單片機干擾分析MCU的改進

　　Vcc的跌落會引起MCU的誤動作。MCU里每一個讀/寫操作都是由門電路實現(xiàn)的，門的開關(guān)依賴于門的閾值和信號的時序。電源跌落時閾值發(fā)生變化，振蕩器產(chǎn)生的信號時序也會變形。下面以8051單片機為例，考察如果干擾發(fā)生在執(zhí)行指令“MOV dir1, dir2”時會產(chǎn)生什么后果。假定錯誤發(fā)生在指令的第1字節(jié)，最壞的情形是每個bit都反轉(zhuǎn)，而最大的概率是只有一個bit發(fā)生反轉(zhuǎn)。一個bit發(fā)生反轉(zhuǎn)的情況如表1所列。

　　表1

　　從表1可見，一個bit的變化完全改變了指令的意義，程序流或數(shù)據(jù)產(chǎn)生不可預(yù)測的變化。例如，表中的跳轉(zhuǎn)部分(bit 0, 2或5發(fā)生變化)可能不轉(zhuǎn)入死循環(huán)，不引起Watchdog動作，也有可能跳到非正常指令處，直至死循環(huán)。表中非跳轉(zhuǎn)指令則有可能改變累加器(bit 0, 1, 3, 4，6或7發(fā)生變化)，數(shù)據(jù)RAM(bit 1,3, 6或7發(fā)生變化)或狀態(tài)寄存器(bit 0, 1, 3, 4,6或7發(fā)生變化)。如果錯誤發(fā)生在指令的第2或第3字節(jié)，數(shù)據(jù)的源或目的地址就錯了。因此，即使Watchdog沒動作，也不表示程序運行正常。對8051其他指令作分析可得到類似的結(jié)果。由此可見，Watchdog至多保證系統(tǒng)不死機，卻有可能掩蓋了數(shù)據(jù)的錯誤。

　　F0設(shè)計中，在關(guān)鍵點大量采用了“MOV dir1,tmp”，“MOV tmp, dir2”的形式將數(shù)據(jù)從dir1送到dir2，而不采用“MOV A,@R1”類指令，以減小對原始數(shù)據(jù)破壞的可能性，從而為程序復(fù)執(zhí)創(chuàng)造條件。例如在備份數(shù)據(jù)Treh到Tbkh時，先將Treh送tmp1，然后將數(shù)據(jù)由tmp1送到備份Tbkh，再校驗Tbkh與Treh是否一樣。若不一樣，就重作備份。采用的部分程序如下：

　　MOVtmp1, Tbkh85 53 19

　　MOVA, tmp1E5 19

　　XRLA, Treh65 4C

　　JNZtbkp70 F1

　　其中“MOV A, tmp1”仍有破壞tmp1的可能性，但tmp1是Treh的拷貝，壞了可重做;“XRL A, Treh”有可能破壞Treh，但已無法作其他選擇。

　　在硬件抗干擾方面，有許多專用的電源監(jiān)控芯片，如TL7705等，但是它們只適合在較慢的電源擾動下使用。對于直流電源的跌落干擾，MCU根本來不及作現(xiàn)場的保護工作，所以它不是解決快速干擾問題的辦法。

　　在F0中使用的辦法也不盡完善，一般單片機線路中還有很多外圍線路，例如F0中的光耦，3個光耦同時導(dǎo)通時要消耗約50 mA的電流，它們形成的動態(tài)電阻很小，發(fā)生電源跌落時，并聯(lián)于MCU的解耦電容對此電阻放電，無法保證MCU正常工作的額定電壓。如在MCU電源中串接高頻二極管，就會引起額外的電源消耗，在低功耗的應(yīng)用中也會形成新的缺點。有些功能強大的MCU本身功耗就大，容許的電源變化范圍小，能否依靠解耦電容對抗電源跌落還需要檢驗。綜上所述，軟件解決辦法不徹底，硬件解決辦法也有很多缺點與限制。

　　3 MCU要增加的功能

　　由于干擾而使指令出錯的問題不是Watchdog能解決的，特別是造成源數(shù)據(jù)錯時，程序復(fù)執(zhí)也不能糾正錯誤的結(jié)果。程序設(shè)計者要在現(xiàn)成的指令體系中找到對源數(shù)據(jù)危害性概率最小的指令不容易。即使找到，也不能保證指令在有多bit跳變時源數(shù)據(jù)不錯。另外，有些指令錯誤也可能破壞其他處的數(shù)據(jù)。利用破壞數(shù)據(jù)概率最小的指令設(shè)計程序也不是好辦法，它既耗ROM空間，又費運行時間。

　　增大指令的Hamming距離可以改善這一情況。例如，給指令增加一到數(shù)位校驗位，一旦指令通不過校驗，就不執(zhí)行，并重新取指。這樣，問題就有可能在產(chǎn)生后果前解決。就目前MCU的設(shè)計與生產(chǎn)水平而言，在技術(shù)與成本上這種增加不會有很大困難。雖然這一辦法在添加的校驗位有限時仍會有一定出錯概率，但這種概率可以小到能接受的程度。

　　為了更為可靠，作校驗的線路可有某種冗余。連續(xù)重取指可能反映有其他故障，應(yīng)通過某種方式通知應(yīng)用層。為了不打擾程序設(shè)計者，這些指令的添加位應(yīng)該在寫入ROM時自動生成，這樣就不會產(chǎn)生與現(xiàn)有產(chǎn)品的兼容性問題。

　　在早期的MCU應(yīng)用中，Watchdog是外置的，后來都集成到MCU里面去了。如果實現(xiàn)上述功能，MCU的抗干擾能力會更強，Watchdog可能就不需要了。軟件的可靠性分析就可以將程序走飛和數(shù)據(jù)的完整性問題分割出來加以處理，軟件部分更專注于邏輯分析，意義深遠。