1 干擾源的討論

　　很久以前，還在“8031+2764+14433”的年代,，我們做了一批過程監(jiān)控儀表,，用于滅菌過程F0的監(jiān)控，遇到了強烈的干擾問題,。滅菌過程約30 min,，由電觸點壓力表控制進氣電磁閥，間接控制溫度,。F0是一個溫度函數(shù)的積分值,，可以反映滅菌的效果，它綜合考慮了溫度波動的影響,。當時采取了一些抗干擾措施,，例如，硬件上對信號線屏蔽,，信號濾波;軟件上的智能濾波,，程序復(fù)執(zhí)，程序分段保護,，數(shù)據(jù)后備,，端口等重復(fù)初始化，ROM的定時校驗和檢驗,，多種出錯報警,，出錯時重新熱啟動(可使問題有所緩和，但偶然會有判為ROM校驗和錯而停機的情況出現(xiàn)),。由于當時F0只是用作參考,，問題尚不嚴重,，如要掩蓋，也可以用熱啟動代替停機;但很快F0要作為產(chǎn)品工藝參數(shù),，用記錄紙備案,，于是就重新設(shè)計了監(jiān)控儀。新的監(jiān)控儀用89C51+14433,再加上光耦和TI5617 D/A轉(zhuǎn)換器,，將溫度和F0變?yōu)槟M量后送到雙筆記錄儀,，實現(xiàn)產(chǎn)品工藝過程的記錄與存檔。硬件上,，光耦隔離后部分是D/A和模擬電路,，軟件在原有基礎(chǔ)上添加與TI5617有關(guān)的串行通信部分。TI5617的串行通信類似I2C,，由CS,、DIN和SCLK三條線構(gòu)成，SCLK數(shù)據(jù)位時鐘可達到25 ns,，速度很高,。用于計算的周期是6 s,儀表用定點算法配以查表，所以留出了充足的時間做許多抗干擾的工作,。在D/A用的串行通信中甚至考慮了多次重復(fù)發(fā)送的子程序,，希望減少通信錯誤的影響;但結(jié)果卻很壞，記錄紙上是一片墨帶,。由于不知道通信對錯,，很可能最后一次傳送就是錯的，于是不得不重新處理抗干擾問題,。

　　經(jīng)查干擾主要發(fā)生在電磁閥動作的時候,，由于不可能在現(xiàn)場為每一個簡單的小表制作一個良好的地線，一般的市售電源濾波器件根本不起作用?，F(xiàn)場用的是220 V交流電磁閥,，無法設(shè)計緩沖線路。分析認為,，電磁閥斷開時會在電源上產(chǎn)生很大的反向電壓,。交流電源的示波器受到干擾，在無法看清干擾的情況下,，就用數(shù)字萬用表觀察，可以觀察到1 300 V以上的讀數(shù),?？紤]到數(shù)字萬用表輸入的濾波效果，真正的峰值還要大,，因此推想,，高頻的干擾穿越了變壓器繞組間電容,，造成變壓器次級交流電壓瞬間反向。盡管反向波幅的衰減很大,，但因方向已改變,，整流二極管來不及響應(yīng)，已不供電,，而濾波的電解電容器動態(tài)上來不及反應(yīng),，也不供電，造成穩(wěn)壓前直流電源瞬間下降,。同時它通過整流二極管,，78L15、78L05等低頻器件到達二組隔離的電源,，造成直流電源跌落,。循此思路，發(fā)現(xiàn)TI5617的SCLK可能出現(xiàn)不正確的時鐘信號,，造成數(shù)據(jù)傳送的錯誤,。TI5617的讀數(shù)發(fā)生在SCLK的下降沿，說明書上強調(diào),，在非傳送時減少饋通應(yīng)使SCLK=LOW,，為節(jié)省電流消耗，SCLK是從光耦的基極輸出的,。因此若光耦次級電源跌落,，確實會造成SCLK下降而誤讀。然后我們在基極電阻(20 kΩ)上并聯(lián)0.1 μF電容,，在光耦次級電源上串接高頻二極管,，以防0.1 μF電容器通過光耦反向放電。采取此措施后,，記錄曲線不再有墨帶,。對本應(yīng)用而言，干擾問題初步解決,，但仍不徹底,。干擾得到解決本身證實了分析是正確的——來自電源的干擾有可能進到直流電源部分。

　　國際標準ISO 7637是針對汽車電子領(lǐng)域電源的傳導(dǎo)干擾問題的,。它規(guī)定有#1,、#2a/b、#3a/b,、#4,、#5a/b等多種測試波形，反映實際應(yīng)用中會遇到的情形,。其中,，關(guān)斷感性負載(例如雨刮器的馬達)引起的電壓升高,，在12 V系統(tǒng)中可達50 V，雖有瞬間超過元器件耐壓而引起損傷的可能性,，但不會直接引起誤動作,。而在波形#1中，關(guān)斷感性負載(例如電動座椅的馬達和座椅的加熱系統(tǒng))產(chǎn)生的脈沖,，在電源為12 V的系統(tǒng)中1 μs可達到-100 V,，衰減到10%的時間為2 ms。在波形#3a中,，電源為12 V的系統(tǒng)里5 ns可達到-138 V,回到0 V的時間大約為100 ns,。這些是典型數(shù)據(jù)，實際上電源線不是匹配的傳輸線,，干擾波還要來回反射,，情況更為復(fù)雜。在這些場合,，也可能發(fā)生直流電源的跌落干擾,。

　　空間的幅射干擾也是經(jīng)常遇到的問題，例如在太空或反應(yīng)堆附近,，電子器件會受到重離子的轟擊而產(chǎn)生故障;又如在空港區(qū)或大電流,、高電壓區(qū)域，電子器件也會受到強電磁輻射而發(fā)生故障,。在這些場合,，干擾也會引起MCU的基本門電路工作失誤。

　　Vcc的跌落會引起MCU的誤動作,。MCU里每一個讀/寫操作都是由門電路實現(xiàn)的,，門的開關(guān)依賴于門的閾值和信號的時序。電源跌落時閾值發(fā)生變化,，振蕩器產(chǎn)生的信號時序也會變形,。下面以80單片機" title="51單片機" target="_blank">51單片機為例，考察如果干擾發(fā)生在執(zhí)行指令“MOV dir1, dir2”時會產(chǎn)生什么后果,。假定錯誤發(fā)生在指令的第1字節(jié),，最壞的情形是每個bit都反轉(zhuǎn)，而最大的概率是只有一個bit發(fā)生反轉(zhuǎn),。一個bit發(fā)生反轉(zhuǎn)的情況如表1所列,。

　　表1

　　從表1可見，一個bit的變化完全改變了指令的意義,，程序流或數(shù)據(jù)產(chǎn)生不可預(yù)測的變化,。例如，表中的跳轉(zhuǎn)部分(bit 0, 2或5發(fā)生變化)可能不轉(zhuǎn)入死循環(huán),，不引起Watchdog動作,，也有可能跳到非正常指令處，直至死循環(huán),。表中非跳轉(zhuǎn)指令則有可能改變累加器(bit 0, 1, 3, 4,，6或7發(fā)生變化)，數(shù)據(jù)RAM(bit 1,3, 6或7發(fā)生變化)或狀態(tài)寄存器(bit 0, 1, 3, 4,6或7發(fā)生變化),。如果錯誤發(fā)生在指令的第2或第3字節(jié),，數(shù)據(jù)的源或目的地址就錯了。因此,，即使Watchdog沒動作,，也不表示程序運行正常。對8051其他指令作分析可得到類似的結(jié)果,。由此可見,，Watchdog至多保證系統(tǒng)不死機，卻有可能掩蓋了數(shù)據(jù)的錯誤,。

　　F0設(shè)計中,，在關(guān)鍵點大量采用了“MOV dir1,tmp”，“MOV tmp, dir2”的形式將數(shù)據(jù)從dir1送到dir2,，而不采用“MOV A,@R1”類指令,，以減小對原始數(shù)據(jù)破壞的可能性，從而為程序復(fù)執(zhí)創(chuàng)造條件,。例如在備份數(shù)據(jù)Treh到Tbkh時,，先將Treh送tmp1，然后將數(shù)據(jù)由tmp1送到備份Tbkh,，再校驗Tbkh與Treh是否一樣,。若不一樣，就重作備份,。采用的部分程序如下：

　　MOVtmp1, Tbkh85 53 19

　　MOVA, tmp1E5 19

　　XRLA, Treh65 4C

　　JNZtbkp70 F1

　　其中“MOV A, tmp1”仍有破壞tmp1的可能性,，但tmp1是Treh的拷貝，壞了可重做;“XRL A, Treh”有可能破壞Treh,，但已無法作其他選擇,。

　　在硬件抗干擾方面，有許多專用的電源監(jiān)控芯片,，如TL7705等,，但是它們只適合在較慢的電源擾動下使用。對于直流電源的跌落干擾,，MCU根本來不及作現(xiàn)場的保護工作,，所以它不是解決快速干擾問題的辦法。

　　在F0中使用的辦法也不盡完善，一般單片機線路中還有很多外圍線路,，例如F0中的光耦,，3個光耦同時導(dǎo)通時要消耗約50 mA的電流，它們形成的動態(tài)電阻很小,，發(fā)生電源跌落時,，并聯(lián)于MCU的解耦電容對此電阻放電，無法保證MCU正常工作的額定電壓,。如在MCU電源中串接高頻二極管,，就會引起額外的電源消耗，在低功耗的應(yīng)用中也會形成新的缺點,。有些功能強大的MCU本身功耗就大,，容許的電源變化范圍小，能否依靠解耦電容對抗電源跌落還需要檢驗,。綜上所述,，軟件解決辦法不徹底，硬件解決辦法也有很多缺點與限制,。

　　3 MCU要增加的功能

　　由于干擾而使指令出錯的問題不是Watchdog能解決的,，特別是造成源數(shù)據(jù)錯時，程序復(fù)執(zhí)也不能糾正錯誤的結(jié)果,。程序設(shè)計者要在現(xiàn)成的指令體系中找到對源數(shù)據(jù)危害性概率最小的指令不容易,。即使找到，也不能保證指令在有多bit跳變時源數(shù)據(jù)不錯,。另外,，有些指令錯誤也可能破壞其他處的數(shù)據(jù)。利用破壞數(shù)據(jù)概率最小的指令設(shè)計程序也不是好辦法,，它既耗ROM空間,，又費運行時間。

　　增大指令的Hamming距離可以改善這一情況,。例如,，給指令增加一到數(shù)位校驗位，一旦指令通不過校驗,，就不執(zhí)行,，并重新取指。這樣,，問題就有可能在產(chǎn)生后果前解決,。就目前MCU的設(shè)計與生產(chǎn)水平而言，在技術(shù)與成本上這種增加不會有很大困難,。雖然這一辦法在添加的校驗位有限時仍會有一定出錯概率,，但這種概率可以小到能接受的程度,。

　　為了更為可靠，作校驗的線路可有某種冗余,。連續(xù)重取指可能反映有其他故障,，應(yīng)通過某種方式通知應(yīng)用層。為了不打擾程序設(shè)計者,，這些指令的添加位應(yīng)該在寫入ROM時自動生成,，這樣就不會產(chǎn)生與現(xiàn)有產(chǎn)品的兼容性問題。

　　在早期的MCU應(yīng)用中,，Watchdog是外置的，后來都集成到MCU里面去了,。如果實現(xiàn)上述功能,，MCU的抗干擾能力會更強，Watchdog可能就不需要了,。軟件的可靠性分析就可以將程序走飛和數(shù)據(jù)的完整性問題分割出來加以處理,，軟件部分更專注于邏輯分析，意義深遠,。