單片機的干擾分析及MCU的改進

　　通過一個儀器抗干擾處理的實踐，分析干擾形成錯誤的機理。首先對干擾進行描述，然后分析錯誤形成的可能性以及目前解決干擾問題的難點，最后提出對MCU改進的建議。

　　長久以來，計算機系統(tǒng)的抗干擾一直是人們關(guān)心的重要問題，因為計算機用得越來越廣，可靠性越來越重要，而抗干擾本身就是可靠性的重要組成部分。為了汽車、飛機、衛(wèi)星、反應(yīng)堆的安全，人們在抗干擾問題上花費了大量精力與金錢，盡管已經(jīng)取得了長足的進展，但在性價比上遠不能滿足要求，以致高抗干擾的要求只是在高技術(shù)領(lǐng)域才加以考慮。本文討論了干擾對錯誤的形成機制，提出了對MCU改進的建議。這個建議如果實施，不僅有利于高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，也會惠及一般的民用領(lǐng)域。

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。

2 Watchdog不能解決軟件可靠性問題

　　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8051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。