基于32位單片機(jī)的高可靠性系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對單片機(jī)控制的要求也越來越高，需要單片機(jī)具備更高的反應(yīng)速度和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，各種高性能的新型單片機(jī)得到了迅猛的發(fā)展和應(yīng)用。單片機(jī)上主要是高速的數(shù)字信號，弱信號很容易受到外界的電磁干擾，同時(shí)，單片機(jī)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(cuò)誤，將會造成難以估計(jì)的損失。因此，如何提高控制的可靠性是長期以來的一個(gè)重要問題。本文介紹了應(yīng)用32位高性能單片機(jī)MC68HC376的一種實(shí)際開發(fā)方案，同時(shí)重點(diǎn)討論了提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)和實(shí)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(jī)，具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)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(jìn)行仿真開發(fā)和燒錄程序。此外，由于MC68HC376 內(nèi)部集成度高，外部擴(kuò)展工作少，因此本身具有較強(qiáng)的抗干擾能力；同時(shí)通過外 部硬件電路以及軟件的抗干擾設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的可靠性。
1 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(nèi)ROM；10位隊(duì)列式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(QADC)；隊(duì)列式串行通信模塊(QSM)；可構(gòu)造時(shí)鐘模塊(CTM4)；時(shí)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(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，支持32位數(shù)據(jù)操作。
(2) 2個(gè)8位雙功能I/O，1個(gè)7位雙功能I/O，16~44個(gè)模擬量輸入通道。
(3) 具有系統(tǒng)保護(hù)邏輯，同時(shí)可進(jìn)行時(shí)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(shí)鐘可達(dá)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(diào)試。 系統(tǒng)擴(kuò)展的基本結(jié)構(gòu) MC68HC376 內(nèi)部集成度較高，因而其所需的外圍擴(kuò)展工作較少?；窘Y(jié)構(gòu)包括外部Flash ROM、RAM、模擬量輸入通道、數(shù)字量輸入通道、鍵盤、液晶顯示、RS-232電平轉(zhuǎn)換器MAX232和CAN 控制器CAN250等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。本文重點(diǎn)討論系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。
2 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)
微處理器硬件監(jiān)控電路
本文采用監(jiān)控器MAX705 芯片構(gòu)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(shí)器、自動和手動復(fù)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(shí)， CPU 和總線邏輯狀態(tài)不確定，因此應(yīng)該將微控制器維持在復(fù)位的狀態(tài)，以避免控制錯(cuò)誤。對于MAX705，復(fù)位門限電壓為4.65V，故當(dāng)Vcc低于4.65V時(shí)，系統(tǒng)保持在復(fù)位狀態(tài)。同時(shí)，將Vcc 與PFI 引腳相連，當(dāng)Vcc低于1.25V時(shí)，由PFO 引腳輸出示警信號，若較長時(shí)間處于電源示警狀態(tài)，則可能出現(xiàn)電源故障，應(yīng)該加以處理。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由MC68HC376 的CTM4 模塊的CTD4通道以小于1.6s 的間隔定時(shí)向MAX705的WDI 引腳提供脈沖；一旦系統(tǒng)不能正常運(yùn)行而導(dǎo)致MAX705的WDI 引腳失去脈沖時(shí)，看門狗定時(shí)溢出使得/WDO為低，由于/WDO與手動復(fù)位引腳/MR相連，因此/RESET腳向MC68HC376發(fā)出低有效的復(fù)位信號，使系統(tǒng)恢復(fù)到復(fù)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(yīng)盡可能降低XFC 腳的泄露電流，以提高時(shí)鐘的穩(wěn)定性和內(nèi)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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