單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的誤區(qū)與對策

ID:83710 · 發(fā)表于 2015-6-24 21:32

單片機(jī)系統(tǒng)在軍事、工業(yè)、民用產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣。它將許多以往用硬件實(shí)現(xiàn)的功能由軟件來完成，體積小巧、功能豐富、智能化程度高，但在可靠性方面也面臨許多新問題。用現(xiàn)代電磁兼容性(EMC)理論剖析單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的某些傳統(tǒng)觀念，會發(fā)現(xiàn)許多誤區(qū)，并且有些誤區(qū)至今還在工程界廣為存在。

1、誤區(qū)之一：有了看門狗就不會死機(jī)
死機(jī)是指CPU的程序指針進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)。無法執(zhí)行正常的程序流程。其外在表現(xiàn)常常是：正常功能喪失，按鍵無響應(yīng)。顯示凝固。單片機(jī)死機(jī)后，只有復(fù)位才能走出死循環(huán)，執(zhí)行正常的程序流程。眾所周知，克服死機(jī)的最有效手段是加看門狗(WatchDog)。
目前用得最廣泛的看門狗實(shí)際上是一個(gè)特殊的定時(shí)器DogTimer。DogTimer接固定速率計(jì)時(shí)，計(jì)滿預(yù)定時(shí)間就發(fā)出溢出脈沖使單片機(jī)復(fù)位。如果每次在DogTimer溢出前強(qiáng)行讓DogTimer清零，就不會發(fā)出溢出脈沖。清零脈沖由CPU發(fā)出，在單片機(jī)程序中每隔一段語句放一個(gè)清DogTimer的語句——FeedDog語句，以保證程序正常運(yùn)行時(shí)DogTimer不會溢出。一旦程序進(jìn)入一個(gè)不含F(xiàn)eedDog語句的死循環(huán)，DogTimer將溢出，導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位，跳出這個(gè)死循環(huán)。本文稱這種看門狗為典型看門狗，典型看門狗已被集成化．如MAX706，MAX791等；還有許多單片機(jī)本身集成了這種看門狗，如PIC16C57、MC68HC705等，具體電路可參閱這些芯片的技術(shù)資料。
有一個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn)：加了看門狗．單片機(jī)就不會死機(jī)。實(shí)際上，看門狗有時(shí)會完全失效。當(dāng)程序進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)，而這個(gè)死循環(huán)中又包含F(xiàn)eedDog語句，這時(shí)DogTimer始終不會溢出，單片機(jī)始終得不到復(fù)位信號，程序也就始終跳不出這個(gè)死循環(huán)。針對這一弊端，筆者設(shè)計(jì)了雙時(shí)限看門狗和定時(shí)復(fù)位看門狗。
雙時(shí)限看門狗有兩個(gè)定時(shí)器：一個(gè)為短定時(shí)器，一個(gè)為長定時(shí)器。短定時(shí)器定時(shí)為T1，長定時(shí)器定時(shí)為T2，0<Tl<<T2；長、短定時(shí)器的FeedDog是各自獨(dú)立的。短定時(shí)器象典型看門狗那樣工作，它保證一般情況下看門狗有快的反應(yīng)速度；長定時(shí)器的定時(shí)T2大于CPU執(zhí)行一個(gè)主循環(huán)程序的時(shí)問，并且每一個(gè)主循環(huán)才FeedDog一次，用來防止看門狗失效。
這樣，當(dāng)程序進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)，如果這個(gè)死循環(huán)包含短定時(shí)器FeedDog語句而不包含長定時(shí)器FeedDog語句．那么長定時(shí)器終將溢出，使單片機(jī)復(fù)位。巧妙安排長定時(shí)器FeedDog語句的位置，可保證出現(xiàn)死機(jī)的概率極低。在水輪發(fā)電機(jī)組微機(jī)控制裝置中的對比應(yīng)用證明了這一點(diǎn)。
目前幾乎所有的看門狗都是依賴于CPU(依賴于CPU FeedDog)。這可以比作：一個(gè)保險(xiǎn)設(shè)備能否起到保險(xiǎn)作用還依賴于被它保護(hù)的對象的行為。顯然，依賴于CPU看門狗是不能保證單片機(jī)百分之百不死機(jī)的。
在絕對不允許死機(jī)的裝置中，筆者設(shè)汁了一種完全不依賴于CPL]的看門狗——定時(shí)復(fù)位看門狗。定時(shí)復(fù)位看門狗的主體也是一個(gè)定時(shí)器，到預(yù)定時(shí)間就發(fā)出溢出脈沖，此溢出脈沖使單片機(jī)強(qiáng)行復(fù)位。定時(shí)復(fù)位看門狗不需要CPU FeedDog。
簡言之，定時(shí)復(fù)位看門狗就是定時(shí)地讓單片機(jī)強(qiáng)行復(fù)位。這樣，即使裝置死機(jī)，其最大死機(jī)時(shí)間也不會大于定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間。顯然，只要硬件完好，這種看門狗百分之百地保證了單片機(jī)不會長時(shí)間死機(jī)。在智能電表(包括IC卡電能表、復(fù)費(fèi)率電能表、多功能電能表)中采用定時(shí)復(fù)位看門狗，每1秒讓CPU強(qiáng)行復(fù)位，迄令數(shù)十萬電表運(yùn)行了近五年，無一例死機(jī)報(bào)告。
必須指出，采用這種看門狗，CPU的編程要適應(yīng)定時(shí)復(fù)位的環(huán)境．保證定時(shí)復(fù)位不打斷那些不能打斷的程序．不造成任何誤動(dòng)作。
2、誤區(qū)之二：加電源濾波器能提高EMC性能
在單片機(jī)系統(tǒng)中，為了抑制電磁干擾(EMI)，常常在交流電源進(jìn)線與電源變壓器之間加電源濾波器。常用的電源濾波器如圖1。

圖1電源濾波器
圖1都是雙Π型LC濾波器。其中Co專用于旁路差模干擾。兩者的不同之處在于：圖1(b)兩個(gè)電容接大地。設(shè)電感的電阻為R，它們的幅頻特性分別是：

當(dāng)R很小時(shí)，上述兩個(gè)濾波器的諧振頻率分別為：

可見，它們的幅頻特性相似．諧振頻率不同。從濾波效果來看，兩者對于降低來自交流電的差模干擾效果差不多，但是后者對于降低共模干擾效果更好。不過，對于采用浮地方式的裝置，由于電容不可能直接到大地，所以只能用前者。
設(shè)計(jì)濾波器時(shí)必須注意讓諧振頻率遠(yuǎn)小于干擾頻率，處理不好不僅不能衰減干擾，反而放大干擾。以圖1(a)的雙Π型濾波器為例，如果取L=1mh，R=lΩ．C=0.47uF(這是許多資料推薦的參數(shù))，可計(jì)算出f0=5.2kHz。而EMC測試中的快速脈沖群頻率是5.0kHz(2kV)或2.5kHz(4kV)；5.0kHz剛好諧振，2.5kHz也不會被衰減，如圖2虛線所示。可見，不是所有的電源濾波器都能提高EMC性能。工程中．許多裝置盡管采用了成本不菲的濾波器，但EMC測試仍難通過，原因大多在此。

圖2雙Π型濾波器的幅頻特性
實(shí)際上：如果取L=30mh，R=5Ω，C=O.47uF。可計(jì)算出f0=0.95kHz，5.0kHz脈沖群幅值衰減為3.73％，2.5kHz脈沖群幅值衰減為16.78％。這時(shí)，電源濾波器確實(shí)提高了系統(tǒng)的EMC性能。圖2實(shí)線是相應(yīng)的幅頻特性。
3、誤區(qū)之三：光偶器件隔離干擾很徹底
光偶器件是最常用的隔離干擾器件。例如現(xiàn)場的開關(guān)量引到測控裝置后都要加光隔，以切斷來自現(xiàn)場的傳導(dǎo)干擾；RS485通訊口經(jīng)光隔再與外部通訊線連接，防止來自外部通訊線的傳導(dǎo)干擾。
有不少人認(rèn)為：光偶器件隔離干擾很徹底，用了光偶隔離干擾就過不去了。其實(shí)，光電隔離并非萬全之策。
首先，光偶器件本身只能隔離傳導(dǎo)干擾，它隔離不斷幅射、感應(yīng)干擾。幅射來自空間，感應(yīng)來自相鄰的導(dǎo)體。最常見的敗筆是：設(shè)計(jì)PCB時(shí)將光偶器件的輸入和輸出電路布在了一起．這時(shí)干擾從光偶器件是過不去了，但卻很容易經(jīng)輸入電路感應(yīng)到輸出電路。
其次．光偶器件隔離傳導(dǎo)干擾的能力也只有1kV左右，1kV以上的干擾或浪涌一般是力所不能及的。比如EMC的快速脈沖群測試，施加的干擾信號幅值是2kV、4kV、8kV，光偶器件是無法隔離的。
4、誤區(qū)之四：PCB布線要橫平豎直
提起PCB布線，許多工程技術(shù)人員都知道一個(gè)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)：正面橫向走線、反面縱向走線，橫平豎直，既美觀又短捷；還有一個(gè)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)是：只要空間允許，走線越粗越好。可以明確地說，這些經(jīng)驗(yàn)在注重EMC的今天已經(jīng)過時(shí)。
要使單片機(jī)系統(tǒng)有良好的EMC性能，PCB設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。一個(gè)具有良好的EMC性能的PCB，必須按高頻電路來設(shè)計(jì)——這是反傳統(tǒng)的。單片機(jī)系統(tǒng)按高頻電路來設(shè)計(jì)PCB的理由在于：盡管單片機(jī)系統(tǒng)大部分電路的工作頻率并不高，但是EMI的頻率是高的。EMC測試的模擬干擾頻率也是高的。要有效抑制EMI，順利通過EMC測試．PCB的設(shè)計(jì)必須考慮高頻電路的特點(diǎn)。PCB按高頻電路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是：
(1)要有良好的地線層。最好的地線層處處等電位，不會產(chǎn)生共模電阻偶合，也不會經(jīng)地線形成環(huán)流產(chǎn)生天線效應(yīng)；良好的地線層能使EMI 以最短的路徑進(jìn)人地線而消失。建立良好的地線層最好的辦法是采用多層板，一層專門用作地線層；如果只能用雙面板．應(yīng)當(dāng)盡量從正面走線，反面用作地線層，不得已才從反面過線
(2)保持足夠的距離。對于可能出現(xiàn)有害耦合或幅射的兩根線或兩組線要保持足夠的距離，如濾波器的輸人與輸出、光偶的輸人與輸出、交流電源線與弱信號線等；
(3)長線加低通濾波器；走線盡量短捷，不得已走的長線應(yīng)當(dāng)在合理的位置插入C、RC或LC低通濾波器。
(4)除了地線，能用細(xì)線的不要用粗線。因?yàn)镻CB上的每一根走線既是有用信號的載體，又是接收幅射干擾的天線，走線越長、越粗，天線效應(yīng)越強(qiáng)。
5、誤區(qū)之五：lC芯片的封裝形式不影響性能
眾所周知，IC芯片的封裝有貼片式和雙列直插式之分。一股認(rèn)為：貼片式和雙列直插式的區(qū)別主要是體積不同和焊接方法不同．對系統(tǒng)性能影響不大。其實(shí)不然。
前面說到，PCB上的每一根走線都存在天線效應(yīng)。現(xiàn)在要說，PCB上的每一個(gè)元件也存在天線效應(yīng)，元件的導(dǎo)電部分越大，天線效應(yīng)越強(qiáng)。所以，同一型號芯片。封裝尺寸小的比封裝尺寸大的天線效應(yīng)弱。這就解釋了許多工程師已經(jīng)注意到的一個(gè)現(xiàn)象：同一裝置，采用貼片元件比采用雙列直插元件更易通過EMC測試。
此外，天線效應(yīng)還跟每個(gè)芯片的工作電流環(huán)路有關(guān)。要削弱天線效應(yīng)，除了減小封裝尺寸，還應(yīng)盡量減小工作電流環(huán)路尺寸、降低工作頻率和di/dt。留意最新型號的IC芯片(尤其是單片機(jī))的管腳布局會發(fā)現(xiàn)：它們大多拋棄了傳統(tǒng)方式——左下角為GND右上角為VCC，而將VCC和GND安排在相鄰位置，就是為了減小工作電流環(huán)路尺寸。
實(shí)際上，不僅是IC芯片，電阻、電容封裝也與EMC有關(guān)。用0805封裝比1206封裝有更好的EMC性能，用0603封裝又比0805封裝有更好的EMC性能。目前國際上流行的是0603封裝。

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