基于32位單片機的高可靠性系統(tǒng)設計
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隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，對單片機控制的要求也越來越高，需要單片機具備更高的反應速度和更強的數據處理能力，各種高性能的新型單片機得到了迅猛的發(fā)展和應用。單片機上主要是高速的數字信號，弱信號很容易受到外界的電磁干擾，同時，單片機系統(tǒng)也會發(fā)生掉電、死循環(huán)等問題。在工業(yè)控制場合，一旦控制發(fā)生錯誤，將會造成難以估計的損失。因此，如何提高控制的可靠性是長期以來的一個重要問題。本文介紹了應用32位高性能單片機MC68HC376的一種實際開發(fā)方案，同時重點討論了提高系統(tǒng)可靠性的設計和實現(xiàn)方法。 MC68HC376 是Motorola 公司推出的一種新型的32 位高性能單片機，具有極強的數據處理、邏輯運算和信息存儲能力，且支持BDM(Background Debug Mode)模式。通過簡易的專用電纜接口，可以直接對微控制器系統(tǒng)進行仿真開發(fā)和燒錄程序。此外，由于MC68HC376 內部集成度高，外部擴展工作少，因此本身具有較強的抗干擾能力；同時通過外 部硬件電路以及軟件的抗干擾設計，控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)較高的可靠性。
1 控制系統(tǒng)的基本結構設計
MC68HC376 的集成度高，其主要功能模塊包括32位CPU；系統(tǒng)集成模塊(SIM)；4K備用RAM；8K 片內ROM；10位隊列式的模數轉換器(QADC)；隊列式串行通信模塊(QSM)；可構造時鐘模塊(CTM4)；時間處理單元(TPU)；3.5K靜態(tài)TPURAM；CAN 控制模塊(TOUCAN)。其基本性能如下：
(1) 24位地址總線、16位數據總線結構，支持32位數據操作。
(2) 2個8位雙功能I/O，1個7位雙功能I/O，16~44個模擬量輸入通道。
(3) 具有系統(tǒng)保護邏輯，同時可進行時鐘監(jiān)視和總線監(jiān)視。
(4) 速度快，在4.194MHz的晶振下系統(tǒng)時鐘可達20.97MHz。
(5) 功耗低，具備低功率休眠功能。
(6) 支持高級語言和背景調試。 系統(tǒng)擴展的基本結構 MC68HC376 內部集成度較高，因而其所需的外圍擴展工作較少。基本結構包括外部Flash ROM、RAM、模擬量輸入通道、數字量輸入通道、鍵盤、液晶顯示、RS-232電平轉換器MAX232和CAN 控制器CAN250等，其結構框圖如圖1 所示。本文重點討論系統(tǒng)的可靠性設計。
2 系統(tǒng)的可靠性設計
微處理器硬件監(jiān)控電路
本文采用監(jiān)控器MAX705 芯片構成外部監(jiān)控電路，電路外部接線如圖2 所示。該電路具有看門狗定時器、自動和手動復位功能，以及電壓門限監(jiān)測功能。 由于在系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓不足時， CPU 和總線邏輯狀態(tài)不確定，因此應該將微控制器維持在復位的狀態(tài)，以避免控制錯誤。對于MAX705，復位門限電壓為4.65V，故當Vcc低于4.65V時，系統(tǒng)保持在復位狀態(tài)。同時，將Vcc 與PFI 引腳相連，當Vcc低于1.25V時，由PFO 引腳輸出示警信號，若較長時間處于電源示警狀態(tài)，則可能出現(xiàn)電源故障，應該加以處理。當系統(tǒng)正常運行時，由MC68HC376 的CTM4 模塊的CTD4通道以小于1.6s 的間隔定時向MAX705的WDI 引腳提供脈沖；一旦系統(tǒng)不能正常運行而導致MAX705的WDI 引腳失去脈沖時，看門狗定時溢出使得/WDO為低，由于/WDO與手動復位引腳/MR相連，因此/RESET腳向MC68HC376發(fā)出低有效的復位信號，使系統(tǒng)恢復到復位狀態(tài)。
外部濾波電路 由于系統(tǒng)采用外部參考頻率源，為了提高系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性和可靠性，所以需要在MC68HC376 的XFC 腳上接入濾波電路。該電路應盡可能降低XFC 腳的泄露電流，以提高時鐘的穩(wěn)定性和內部鎖相環(huán)的性能。圖3所示為高穩(wěn)定的濾波電路。
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