基于32位單片機(jī)MC68HC376高可靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　MC68HC376的基本性能

　　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(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)。

　　系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

　　硬件可靠性設(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。

　　*輸出驅(qū)動電路可靠性設(shè)計(jì)

　　控制裝置通過對系統(tǒng)狀況進(jìn)行監(jiān)測和分析后，向控制和調(diào)節(jié)的動作單元提供控制信號。如果輸出信號受到干擾或者由于裝置故障而發(fā)出錯誤的控制信號，那么會因產(chǎn)生錯誤的調(diào)節(jié)控制動作而使系統(tǒng)受到危害。因此，對于輸出驅(qū)動電路應(yīng)該加以相應(yīng)的閉鎖控制和抗干擾設(shè)計(jì)，以提高控制的可靠性。

　　(1) 閉鎖控制電路

　　這里采用可再觸發(fā)雙/單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74LS123 來構(gòu)成輸出閉鎖電路，電路接線如圖4所示。

　　將74LS123的A腳與MC68HC376的CTM4模塊的CTD4通道相連，由于在正常情況下CTD4定時(shí)提供脈沖，使得振蕩電路不能發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此時(shí)，/Q保持為1；如果裝置故障，使得CTD4失去脈沖，則振蕩電路使得/Q翻轉(zhuǎn)變?yōu)?，因此閉鎖信號變?yōu)?對輸出控制信號閉鎖。

　　同時(shí)，與門4081的另一腳接至MC68HC376的TPU模塊的TCH15腳，直接由 MC68HC376控制。在正常運(yùn)行中，當(dāng)需要輸出控制信號時(shí)，置TCH15為1；當(dāng)不需要輸出控制信號時(shí)，置TCH15為0，則使閉鎖信號為0，閉鎖輸出部分，這樣就防止了由于干擾或其他原因造成的誤動作。

　　(2) 控制信號輸出部分的抗干擾設(shè)計(jì)

　　當(dāng)閉鎖信號開通時(shí)，輸出控制信號可能由于擾動而出現(xiàn)偏差，因此應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的輸出電路形式來減小擾動的影響。輸出電路的形式如圖5所示（這里只畫出一路輸出信號）。

　　采用單線控制時(shí)，一旦受到干擾就會使控制信號的電平發(fā)生變化，從而造成誤動。這里采用 “0,1”控制方式，用兩根臨近的控制線，一根直接接至與門4081，另一根經(jīng)過非門4069接至4081，即當(dāng)兩根控制線為“0,1”時(shí)輸出有效的電平信號1。這樣，當(dāng)存在高擾動或低擾動使得控制線同時(shí)變?yōu)?或0時(shí)，輸出無效的電平信號0。本系統(tǒng)中，以CTM4模塊的CPWM7引腳和閉鎖信號一起控制開啟信號；開啟信號與MC68HC376的控制信號一起控制動作輸出信號。這樣就充分提高了輸出控制的可靠性。注意，單片機(jī)的I/O控制信號應(yīng)使用上拉電阻。

　　　　圖5 控制輸出通道的抗干擾設(shè)計(jì)