51單片機在微機自動(dòng)交換系統中穩定運行的設計方法

　 在電力線(xiàn)載波通信中，微機自動(dòng)盤(pán)的功能多，邏輯性強，MCS—51單片機在該系統中處理任務(wù)時(shí)的實(shí)時(shí)性尤為突出。由于該系統整機配置的主要服務(wù)對象是電力調度，且它的使用環(huán)境將來(lái)多為無(wú)人值守站，所以系統工作是否穩定直接影響到電力線(xiàn)載波機的整機性能。針對電力通信特點(diǎn)，在考慮穩定運行方面我們采取了以下幾項措施。

　　1　設置上電延時(shí)復位電路

　　1．1　為什么要進(jìn)行上電復位46

　　計算機在啟動(dòng)運行時(shí)都要進(jìn)行復位。作為在控制領(lǐng)域中應用最廣泛的單片機，復位處理更是設計中的關(guān)鍵。單片機內部的各個(gè)功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序運行直接受程序計數器指揮，寄存器的復位狀態(tài)決定了單片機內有關(guān)功能部件工作用的初始狀態(tài)，而程序的正常運行就是從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始的。如果上電時(shí)沒(méi)有做到正確復位，就可能使CPU從不定地址開(kāi)始執行指令，系統就得不到正確的初始化，也就不能正常工作。

　　1．2　復位條件

　　單片機是靠外部電路復位的。上電復位步驟：

　?。?）必須首先建立電源Vcc；

　?。?）Vcc穩定后（達到允許值）時(shí)鐘振蕩器起振；

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

　　1．3　一般上電復位電路

　　在上電時(shí)，電源Vcc的建立時(shí)間應小于幾十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)可采用一般上電復位電路（圖1）。

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

　　1．4　上電延時(shí)復位電路

　　雖然電力線(xiàn)載波機電源現都采用開(kāi)關(guān)工作方式，建立速度比以往的串聯(lián)式或并聯(lián)式調整電源快，但由于機器本身使用的電壓等級多，功率要求大，開(kāi)機后各種電源的建立至少還需要500ms時(shí)間才能穩定（＋5V電源也不例外），所以在自動(dòng)交換系統中采用一般上電復位在時(shí)間上幾乎不可能滿(mǎn)足復位要求，這是因為 MCS—51采用一般上電復位電路就要求電源至少在20ms內建立才能保證復位。這屬于硬件特性，對于克服這一時(shí)延性困難來(lái)說(shuō)，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備電源），只有針對MCS—51自身特性在系統設計上采取相應措施。

　　MCS—51硬件復位要保證在Vcc穩定、振蕩器起振后至少有兩個(gè)機器周期（24個(gè)振蕩器周期）的高電平出現在RST端，即執行內部復位。為此我們設計了一個(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(cháng)短，改變R、C參數，可調整延時(shí)時(shí)間。由于采用了該電路，在無(wú)人值守站，系統不會(huì )因停電、再上電而出現“死機”造成通信中斷現象，如圖3所示。R1、R2提供比較電位（2／3Vcc），RC充電時(shí)間由R、C參數決定，R4為復原信號邊緣校正，V1二級管為頻繁上電時(shí)電容C的泄放電路，V2與Watchdog電路在邏輯上成或關(guān)系。開(kāi)機時(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定，當RC充電電壓大于2／3Vcc時(shí)，該電路輸出“0”，至此上電復位正常完成。

　　2　應用看門(mén)狗電路實(shí)現系統保護

　　2．1　復位寬度設計要求

　　因為MCS—51內部無(wú)Watchdog功能（8096系列單片機有），所以需在外部擴展此電路，如圖4所示。單穩電路為可再觸發(fā)電路，只要觸發(fā)脈沖（CP）正常地作周期性輸出，單穩一直處于瞬態(tài)階段，輸出低電平。通過(guò)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(wú)輸出，單穩處于穩態(tài)，輸出“1”振蕩器起振，輸出方波，送至RST腳。為了保證復位，方波寬度遠大于兩機器周期，且至少應大于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)脈沖軟件設計考慮

　　由軟件產(chǎn)生周期性觸發(fā)信號來(lái)控制該電路工作，以確保系統正常運行。在產(chǎn)生該周期性信號時(shí)應注意以下幾點(diǎn)：

　?。?）信號不采取定時(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(kāi)始工作，假如由于某種信號干擾使主程序轉飛，但并未破壞定時(shí)器有關(guān)中斷控制設置，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正常。

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

　?。?）工作程序部分包括主程序和中斷程序，Watchdog不僅要保護主程序轉飛，而且也要保護中斷程序轉飛。保護流程如圖5所示。設高級中斷運行標志為1，次級中斷運行正常標志為2。

　　如果高級中斷不能正常運行，那么無(wú)標志1，雖然次級中斷工作正常，但因無(wú)標志1，則無(wú)標志2，最終主程序因無(wú)標志2，故Watchdog無(wú)輸出，結果導致系統復位。同理，如次級中斷不能正常工作，那么標志2產(chǎn)生，最終導致系統復位；若主程序自身失效，則也無(wú)定時(shí)輸出，最終也導致系統復位，重新使系統恢復正常運行。

　　3　被破壞數據的修復

　　Watchdog電路只能保證系統失效后能得到復位處理，重新恢復正常工作，但這說(shuō)明以前有的工作狀態(tài)已被破壞，只是不“死機”而已。程序的失效、轉飛往往是因為有關(guān)轉移標志、數據或SFR控制字被破壞所致，不管如何好的系統，要想完全避免這些破壞是不可能的，因為多種多樣的干擾源根本無(wú)法消除，要想保護這些過(guò)程數據不被破壞，只有設法在保護方面盡可能做得更加完善些。

　　3．1　特殊功能寄存器（SFR）內容的實(shí)時(shí)刷新

　　一般情況下，在初始化程序中SFR已被預置好初值，它代表一定的工作方式。在正常運行后，SFR的內容一般是不變的。因為SFR內容代表特定的工作方式，該內容被破壞也就改變了原來(lái)設定的工作方式，從而使系統失常。比如，系統設置為以中斷方式工作后，就存在中斷返回問(wèn)題，在初始化程序中已設置堆棧（SP）內容，如果由于某種干擾，SP內容被改變，那么中斷返回將不能轉向預定地址，系統工作必然失常。為了盡量減少破壞的機會(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，　?。?0H

　　MOV TMOD， ＃12H

　　MOV SCON， ＃00H

　　ANL PSW， ＃0E7H

　　SETB TR0

　　SETB TR1

　　SETB IT0

　　MOV IE， ＃8AH

　　MOV IP， ＃02H

　　·

　　·

　　·

　　LJMP LOOP

　　3．2　數據區以及位區嵌套式保護

　　數據RAM區的單元內容多數是運行中經(jīng)運算或經(jīng)各種處理而得到的關(guān)鍵數據，這些數據被破壞的可能性更大些，除了干擾源破壞，另外運算錯誤或處理失誤，也會(huì )造成錯誤數據。比如，要想確切地取得一個(gè)收信標志位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，則刷新標志（SETB 01H），若有效，則標志為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(wú)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)常重復確認使標志保持有效，即CLR01H，直到該任務(wù)完成為止。這也就是說(shuō)，在完成某一具體任務(wù)時(shí)，對相關(guān)的標志或數據要進(jìn)行可靠性診斷，作為實(shí)時(shí)修復，盡量減少被破壞的可能。

　　4　結束語(yǔ)

　　保證系統穩定運行和設計一種系統的抗干擾方式，手段多種多樣，不能局限于常規方法，要根據應用系統的具體狀況及干擾源的種類(lèi)，采取相應措施。我們所采取的上述方法，經(jīng)幾年來(lái)的使用表明比較適合WCZ—X型交換系統，在實(shí)際應用中該產(chǎn)品的可靠性得到了很好的驗征。

　　參　考　文　獻

　　1　何立民．MCS—51系列單片機應用系統設計、系統配置與接口技術(shù)．北京：航空航天大學(xué)出版社，1990

　　2　涂時(shí)亮，張友德，陳章龍．單片微機MCS—51用戶(hù)手冊．上海：復旦大學(xué)出版社，1990