实例分析单片机系统抗干扰的应用

近年来，单片机以其体积小、价格廉、面向控制等独特优点，在各种工业控制、仪器仪表、设备、产品的自动化、智能化方面获得了广泛的应用。与此同时，单片机应用系统的可靠性成为人们越来越关注的重要课题。影响可靠性的因素是多方面的，如构成系统的元器件本身的可靠性、系统本身各部分之间的相互耦合因素等。其中系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标。
　　1　MAX813L芯片及其工作原理
　　1．1　芯片特点
　　·加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200 ms。
　　·独立的看门狗输出，如果看门狗输入在1．6 s内未被触发，其输出将变为高电平。
　　·1.25 V门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或＋5 V以外的电源监控。
　　·低电平有效的手动复位输入。
　　·8引脚DIP封装。
　　1．2　MAX813L的引脚及功能
　　1．2．1　MAX813L芯片引脚排列见图1—1
　　
　　1．2．2　各引脚功能及工作原理
　　（1）手动复位输入端
　　当该端输入低电平保持140 ms以上，MAX813L就输出复位信号。该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关的抖动。与TTL/CMOS兼容。
　　（2）工作电源端（VCC）：接+5V电源。
　　（3）电源接地端（GND）：接0 V参考电平。
　　（4）电源故障输入端（PFI）
　　当该端输入电压低于1．25 V时，5号引脚输出端的信号由高电平变为低电平。
　　（5）电源故障输出端
　　电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。
　　（6）看门狗信号输入端（WDI）
　　程序正常运行时，必须在小于1．6 s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1．6 s该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。
　　（7）复位信号输出端（RST）
　　上电时，自动产生200 ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。
　　（8）看门狗信号输出端
　　正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。
　　2　电路设计
　　2．1　基本工作原理
　　工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成微机系统故障的多数现象为“死机”。究其原因是CPU在执行某条指令时，受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错。这时，CPU执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。为使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，一种有效的办法是采用硬件“看门狗”威廉希尔官方网站 。用看门狗监视程序的运行。若程序发生“死机”，则看门狗产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。
　　此外，工业现场由于诸多大型用电设备的投入或撤出电网运行，往往造成系统的电源电压不稳，当电源电压降低或掉电时，会造成重要的数据丢失，系统不能正常运行。若设法在电源电压降至一定的限值之前，单片机快速地保存重要数据，将会最大限度地减少损失。
　　单片机的掉电工作方式电路原理图如图2—1所示：当PD设置为1时，激活掉电方式，与非门输出为低电平，时钟发生器停止工作，单片机内所有运行状态均被停止，只有片内RAM和SFR中的数据被保存起来。在单片机系统中可借助于一定的外部附加电路监测电源电压，并在电源发生故障时及时通知单片机（如通过引发中断来实现）快速保存重要数据，且断开外围设备用电电源，使整个应用系统的功耗降到最少。当电源恢复正常时，取消掉电工作方式，通过复位单片机，使系统重新正常工作。
　　
　　2．2　硬件实现电路图
　　图2—2给出了MAX813L在单片机系统中的典型应用线路图。此电路可以实现上电、瞬时掉电以及程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以实时地监视电源故障，以便及时地保存数据。

　　
　　本电路巧妙地利用了MAX813L的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机”，端电平由高到低，当变低超过140 ms，将引起MAX813L产生一个200 ms的复位脉冲。同时使看门狗定时器清0和使引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使MAX813L产生复位脉冲，由于为产生复位脉冲端要求低电平至少保持140ms以上，故可以有效地消除开关抖动。
　　该电路可以实时地监视电源故障（掉电、电压降低等）。图2—2中R1的一端接未经稳压的直流电源。电源正常时，确保R2上的电压高于1．26 V，即保证MAX813L的PFI输入端电平高于1.26 V。当电源发生故障，PFI输入端的电平低于1．25 V时，电源故障输出端电平由高变低，引起单片机中断，CPU响应中断，执行相应的中断服务程序，保护数据，断开外部用电电路等。
　　3　抗干扰程序设计
　　3．1　程序运行“死机”及相应对策
　　程序正常运行时，由主程序在小于1．6 s的时间间隔内周期性地从P1．7端向MAX813L的WDI输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。实现指令为：
　　RST－PRG：SETB　P1．7
　　NOP
　　CLR　P1．7
　　若超过1．6 s该输入端收不到脉冲信号，则内部看门狗定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。引起MAX813L产生一个200 ms的复位脉冲。同时使看门狗定时器清0和使引脚变成高电平。