微控制器應用中采用軟件方式抑制外來(lái)干擾解析方案

微控制器越來(lái)越多地用于各種電子領(lǐng)域，例如自動(dòng)化、工業(yè)控制中。隨著(zhù)金屬氧化物半導體的硅晶體管幾何尺寸的不斷縮小，系統設計中的電磁兼容性(EMC)問(wèn)題，成為采胳膊小尺寸器件進(jìn)行設計的必須考慮的主要問(wèn)題。

在嵌入式微控制器內部，對于內部產(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中的內部時(shí)鐘和噪聲引起，而且高速開(kāi)關(guān)電流是由微控制器中的多種不同的門(mén)所形成。如果芯片版圖設計時(shí)沒(méi)有考慮電磁兼容性，那么外部的PCB(印制電路板)將會(huì )大大增強那些不必要的噪聲信號。所以在很多設計中，采用軟件很難消除這種固有的電子發(fā)射影響。

但是，在控制器應用中，卻可采用軟件的方式來(lái)抑制外來(lái)干擾。本文給出了一些常用設計技巧和應用。

一、內嵌抗干擾軟件

在很多的應用中，用簡(jiǎn)單的抗干擾設計，就可以將一個(gè)微控制器的干擾抑制效果大大提高。這種抗干擾設計的魅力就在于實(shí)現該設計的費用較低，還可以節省PCB板上硬件成本?？垢蓴_設計的常用技巧如下：

1.刷新端口引腳(Refreshing port pins)：抗干擾軟件最簡(jiǎn)單的一個(gè)例子就是可以不斷地更新I/O端口和一些重要的寄存器。在大多數微控制器的應用中，軟件將會(huì )執行一個(gè)有規律的主循環(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。當一個(gè)確定振幅的噪聲施加到微控制器時(shí)，噪聲將會(huì )從芯片的邊沿向內傳入硅晶體中。這意味著(zhù)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(lèi)型。因此有規律的更新數據寄存器和數據說(shuō)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(gè)方法就是采用多次讀輸入腳數據，且取平均值作為該腳的正確數據方式。其典型的應用就是用軟件每隔10ms讀一次鍵盤(pán)，以保證真實(shí)的鍵入發(fā)生。這種表決式做法被稱(chēng)作反彈跳保護。 圖1的程序可以很迅速地連續讀出該端口，如果有3次讀出結果相同，那么CPU將以進(jìn)位標志的狀態(tài)作為讀結果返回(這是HC05 CPU的BRSET和BRCLR的一個(gè)固有特征)。這個(gè)程序的問(wèn)題在于當輸入引腳是處于很嘈雜的環(huán)境時(shí)，CPU將會(huì )按這個(gè)程序持續很長(cháng)時(shí)間，這在那些對時(shí)間要求較苛刻的應用中是不實(shí)際的。更好的一個(gè)程序就是多次讀出輸入引腳，并使寄存器遞增，如果結果小于某個(gè)數，那么就將它當作0;如果大于某個(gè)數，就作為 1。這個(gè)程序通常會(huì )在有限時(shí)間內退出，以保證不會(huì )妨礙到該應用中其他程序的運行。

3.標記通過(guò)(Token Passing)：在一些重要的處理中，標記通過(guò)用以確認任務(wù)已進(jìn)入受控方式而未失去控制。標記通過(guò)可以利用RAM里未用到的空間來(lái)完成。在應用的一段特定時(shí)間間隔里，該軟件將通過(guò)許多未用的RAM空間循環(huán)一個(gè)1.在任何一個(gè)重要任務(wù)被執行之前。這種循環(huán)檢查將會(huì )得出結果。結果檢測通過(guò)，該任務(wù)將會(huì )被執行。如果以沒(méi)通過(guò)，則說(shuō)明微控制器是從未指定的跳轉進(jìn)入該任務(wù)，那么就跳轉去執行一個(gè)初始化程序。 4.未使用的內存(Unused Memory)：在大多數的應用中，程序的存儲器總有一些區域未使用。如果在一些事件中，程序計數器(Program Counter)被破壞且跳轉進(jìn)入未用的存儲空間，那么有些應該執行的控制就會(huì )起作用。例如，在16K字節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(mǎn)這些未用空間，那么任何指向未用地區的無(wú)效激勵將會(huì )導致微控制器去讀取SWI矢量，而該向量是被編程跳轉到程序中的已知的起始位置。同樣，在微管制器的應用中，SWI也可用其它函數來(lái)替代，以填充那些未用的區域。

請注意：記錄這些未用區域已被9D指令填滿(mǎn)，且由一個(gè)有條件的跳變(Jump)跳到已知區域(known-place)。當這個(gè)微控制器運行至該已知區域時(shí)，它將會(huì )被強制跳轉去執行初始化程序。

二、看門(mén)狗電路

一個(gè)看門(mén)狗電路通常被描述成一塊在有規律的時(shí)間間隔中進(jìn)行更新的硬件，該更新必須由微控制器或是使微控制器重新啟動(dòng)的電路來(lái)完成。一個(gè)外部的看門(mén)狗電路是最好的，因為它不依賴(lài)微控制器，如果微控制器發(fā)生故障需要看門(mén)狗更新，則該電路將給出reset信號使微控制器重新啟動(dòng)。一個(gè)看門(mén)狗通常由一個(gè)硬件定時(shí)器構成，如果沒(méi)有來(lái)看微控制器的更新或是報告信息，該定時(shí)器將會(huì )溢出。 在加電的POR時(shí)延內，微控制器將保持在復位狀態(tài)。時(shí)鐘可以來(lái)自一個(gè)外部源或是來(lái)自用于微控制器的晶振的一個(gè)脈沖。當該微控制器處于復位狀態(tài)時(shí)，輸入/輸出引腳就成為輸入，而此時(shí)計數器也開(kāi)始運作。如果Q是0，那么C1就會(huì )被充電，而微控制器將會(huì )跳離復位狀態(tài)。

微控制器的首要任務(wù)是給出一個(gè)小脈沖來(lái)重啟計數器到一個(gè)已知的時(shí)間溢出值，微控制器上的I/O端口形成交流耦合，目的在于保證只有邊沿觸發(fā)才能重新發(fā)計數器。這樣就保證了一個(gè)恒定的直流電平將不會(huì )有效作用于微控制器或看門(mén)狗。該微控制器必須在Q跳為1之前發(fā)送一個(gè)小的脈沖，以保證微控制器不被復位(正常情況下該操作至少需要兩個(gè)微控制器的軟件指令)。還有一個(gè)可供選擇的方法就是微控制器在晶片上具有內嵌看門(mén)狗電路。例如Motorola 的MC68HC705C8就有它自身的看門(mén)狗，由一個(gè)可編程計數器組成，該計數器大約在每32768時(shí)鐘周期就要被刷新一次，或是它將在內部產(chǎn)生一個(gè)清零指令。

CM1，0位通常用來(lái)選擇一個(gè)暫停周期(也就是CPU的時(shí)鐘被2 15，2 17，2 19，2 21 所劃分)。COPE位是只寫(xiě)一次的而且一旦看門(mén)狗有效，就不會(huì )停止，只有重啟才能停止看門(mén)狗的動(dòng)作。COPF位是通知用戶(hù)的標志，它通知用戶(hù)前一次的重啟的由于看門(mén)狗的時(shí)溢或是其它原因所引起。刷新看門(mén)狗的時(shí)序是在COP重啟寄存器(COPRR)上的兩個(gè)寫(xiě)操作。即該序列是一個(gè)對COPRR進(jìn)行$55 寫(xiě)操作后緊跟$AA的寫(xiě)操作。

不是所有的微控制器都有看門(mén)狗電路的，但是在一些設計中，設計者能夠用未使用的中斷來(lái)執行它自己的看門(mén)狗功能。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)MC68HC05P1沒(méi)有看門(mén)狗，但是有一個(gè)16bit可自由運行的計時(shí)器。有3種可能的方式，使該計時(shí)器能夠產(chǎn)生一個(gè)中斷。這3種方式是：

1)一個(gè)從FFFF向0000溢出的定時(shí)器。

2)一個(gè)輸出比較，16bit寄存器和定時(shí)器的值的比較。

3)對TCAP端口的上升或下降邊沿的一個(gè)輸入捕捉。

如果此輸出比較(Output Compare)中斷不能被執行，則其將被當做假的看門(mén)狗。在這種情況下，定時(shí)器將與輸出比較(output compare)寄存器作個(gè)比較，以檢驗系統是否都正常。如果系統運行正確，那么將執行一個(gè)中斷返回。如果有不正常情況，那么堆棧指針的復位和一個(gè)往初始化程序的跳轉將會(huì )執行。該系統檢驗可以是前述的標志通過(guò)程序。

在一個(gè)程序里，看門(mén)狗更新(watchdog updates)最優(yōu)選位置的選擇不是一個(gè)簡(jiǎn)單的事情，一般說(shuō)來(lái)，是結束程序時(shí)的最后進(jìn)程。通常用戶(hù)需要測試軟件流程和所有的中斷程序和子程序的時(shí)序，關(guān)鍵的和非關(guān)鍵的應用。在所有的程序中進(jìn)行看門(mén)狗惻新是最好的，但是由于微控制器有很長(cháng)的程序和很多的芯片功能，因此這樣是很難做到的。如果可能的話(huà)，看門(mén)狗刷新程序不應該被放在中斷或是子程序中。原則上應該直接放入主程序中。要注意的是刷新速率不要太大，否則將使失控狀態(tài)恢復的幾率下降。