用現場(chǎng)電磁兼容性理論剖析單片機系統設計解析方案

單片機系統在軍事、工業(yè)、民用產(chǎn)品中的應用越來(lái)越廣。它將許多以往用硬件實(shí)現的功能由軟件來(lái)完成，體積小巧、功能豐富、智能化程序度，但在可靠性方面也面臨許多新問(wèn)題。用現場(chǎng)電磁兼容性(EMC)理論剖析單片機系統設計中的某些傳統觀(guān)念，會(huì )發(fā)現許多誤區，并且有些誤區至今還在工程界廣為存在。

1 誤區之一：有了看門(mén)狗就不會(huì )死機

死機是指CPU的程序指針進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)，無(wú)法執行正常的程序流程。其外在表現常常是：正常功能喪失，按鍵無(wú)響應，顯示凝固。單片機死機后，只有復全才能走出死循環(huán)，執行正常的程序流程。眾所屬知，克服死機的最有效手段是加看門(mén)狗(WatchDog)。

目前用得最廣泛的看門(mén)狗實(shí)際上是一個(gè)特殊的定時(shí)器DogTimer。DogTimer按固定速率計時(shí)，計滿(mǎn)預定時(shí)間就發(fā)出溢出脈沖使單片機復位。如果每次在 DogTimer溢出前強行讓DogTimer清零，就不會(huì )發(fā)出溢出脈沖。清零脈沖由CPU發(fā)出，在單片機程序中每隔一段語(yǔ)句放一個(gè)清DogTimer的語(yǔ)句——FeedDog語(yǔ)句，以保證程序正常運行時(shí)DogTimer不會(huì )溢出。一旦程序進(jìn)入一個(gè)不含FeedDog語(yǔ)句的死循環(huán)，DogTimer將溢出，導致單片機復位，跳出這個(gè)死循環(huán)。本文稱(chēng)這種看門(mén)狗為典型看門(mén)狗，典型看門(mén)狗已被集成比，如MAX706、MAX791等[1];還有許多單片機本身集成了這種看門(mén)狗，如PIC16C57、MC68HC705等，具體電路可參閱這些芯片的技術(shù)資料[2]。

有一個(gè)錯誤觀(guān)點(diǎn)：加了看門(mén)狗，單片機就不會(huì )死機。實(shí)際上，看門(mén)狗有時(shí)間會(huì )完全失效。當程序進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)，而這個(gè)死循環(huán)中又包含FeedDog語(yǔ)句，這時(shí) DogTimer始終不會(huì )溢出，單片機始終得不到復位信號，程序也就始終跳不出這個(gè)死循環(huán)。針對這一弊端，筆者設計了雙對限看門(mén)狗和定時(shí)復位看門(mén)狗。

雙時(shí)限看門(mén)狗有兩個(gè)定時(shí)器;一個(gè)為短定時(shí)器，一個(gè)為長(cháng)定時(shí)器。短定時(shí)器定時(shí)為T(mén)1，長(cháng)定時(shí)器定時(shí)為 T2，0

這樣，當程序進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)，如果這個(gè)死循環(huán)包含短定時(shí)器FeedDog語(yǔ)句而不包含長(cháng)定時(shí)器 FeedDog語(yǔ)句，那么長(cháng)定時(shí)順終將溢出，使單片機復位。巧妙安排長(cháng)定時(shí)器FeedDog語(yǔ)句的位置，可保證出現死機的概率根低。在水輪發(fā)電機組微機控制裝置中的對比應用證明了這一點(diǎn)[3]。

目前幾乎所有的看門(mén)狗都是依賴(lài)于CPU(依賴(lài)于CPU FeedDog)。這可以比作：一個(gè)保險設備能否起到保險作用還依賴(lài)于被它保護的對象的行為。顯然，依賴(lài)于CPU的看門(mén)狗是不能保證單片機在分之百不死機的。

在絕對不允許死機的裝置中，筆者設計了一種完全不依賴(lài)于CPU的看門(mén)狗——定時(shí)復位看門(mén)狗。定時(shí)復位看門(mén)狗的主體也是一個(gè)定時(shí)器，到預定時(shí)間就發(fā)出溢出脈沖，此溢出脈沖使單片機強行復位。定時(shí)復位看門(mén)狗不需要CPU FeedDog。

簡(jiǎn)言之，定時(shí)復位看門(mén)狗就是定時(shí)地讓單片機強行復位。這樣，即使裝置死機，其最大死機時(shí)間也不會(huì )大于定時(shí)器定時(shí)時(shí)間。顯然，只要硬件完好，這種看門(mén)狗百分之百地保證了單片機不會(huì )長(cháng)時(shí)間死機。在智能電表(包括IC卡電能表、復費率電能表、多功能電能表 [4])中采用了定時(shí)復位看門(mén)狗，每1秒讓CPU強行復位，迄今數十萬(wàn)電表運行了近五年，無(wú)一例死機報告。

必須指出，采用這種看門(mén)狗，CPU的編程要適應定時(shí)復位的環(huán)境，保證定時(shí)復位不打斷那些不能打斷的程序，不造成任何誤動(dòng)作。

2 誤區之二：加電源濾波器能提高EMC性能

在單片機系統中，為了抑制電磁干擾(EMI)，常常在交流電源進(jìn)線(xiàn)與電源變壓器之間加電磁濾波器。常用電源濾波器如圖1。

圖1都是雙II型LC濾波器，其中C0專(zhuān)用于旁路差模干擾。兩者的不同之處在于：圖1(b)兩個(gè)電容接大地。設電感的電阻為R，它們的隔頻特性分別是：

當R很小時(shí)，上述兩個(gè)濾波器的諧振頻率分別為：