單片機系統設計的誤區與對策

ID:83710 · 發表于 2015-6-24 21:32

單片機系統在軍事、工業、民用產品中的應用越來越廣。它將許多以往用硬件實現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。用現代電磁兼容性(EMC)理論剖析單片機系統設計中的某些傳統觀念，會發現許多誤區，并且有些誤區至今還在工程界廣為存在。

1、誤區之一：有了看門狗就不會死機
死機是指CPU的程序指針進入一個死循環。無法執行正常的程序流程。其外在表現常常是：正常功能喪失，按鍵無響應。顯示凝固。單片機死機后，只有復位才能走出死循環，執行正常的程序流程。眾所周知，克服死機的最有效手段是加看門狗(WatchDog)。
目前用得最廣泛的看門狗實際上是一個特殊的定時器DogTimer。DogTimer接固定速率計時，計滿預定時間就發出溢出脈沖使單片機復位。如果每次在DogTimer溢出前強行讓DogTimer清零，就不會發出溢出脈沖。清零脈沖由CPU發出，在單片機程序中每隔一段語句放一個清DogTimer的語句——FeedDog語句，以保證程序正常運行時DogTimer不會溢出。一旦程序進入一個不含FeedDog語句的死循環，DogTimer將溢出，導致單片機復位，跳出這個死循環。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資料。
有一個錯誤觀點：加了看門狗．單片機就不會死機。實際上，看門狗有時會完全失效。當程序進入某個死循環，而這個死循環中又包含FeedDog語句，這時DogTimer始終不會溢出，單片機始終得不到復位信號，程序也就始終跳不出這個死循環。針對這一弊端，筆者設計了雙時限看門狗和定時復位看門狗。
雙時限看門狗有兩個定時器：一個為短定時器，一個為長定時器。短定時器定時為T1，長定時器定時為T2，0<Tl<<T2；長、短定時器的FeedDog是各自獨立的。短定時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速度；長定時器的定時T2大于CPU執行一個主循環程序的時問，并且每一個主循環才FeedDog一次，用來防止看門狗失效。
這樣，當程序進入某個死循環，如果這個死循環包含短定時器FeedDog語句而不包含長定時器FeedDog語句．那么長定時器終將溢出，使單片機復位。巧妙安排長定時器FeedDog語句的位置，可保證出現死機的概率極低。在水輪發電機組微機控制裝置中的對比應用證明了這一點。
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：一個保險設備能否起到保險作用還依賴于被它保護的對象的行為。顯然，依賴于CPU看門狗是不能保證單片機百分之百不死機的。
在絕對不允許死機的裝置中，筆者設汁了一種完全不依賴于CPL]的看門狗——定時復位看門狗。定時復位看門狗的主體也是一個定時器，到預定時間就發出溢出脈沖，此溢出脈沖使單片機強行復位。定時復位看門狗不需要CPU FeedDog。
簡言之，定時復位看門狗就是定時地讓單片機強行復位。這樣，即使裝置死機，其最大死機時間也不會大于定時器的定時時間。顯然，只要硬件完好，這種看門狗百分之百地保證了單片機不會長時間死機。在智能電表(包括IC卡電能表、復費率電能表、多功能電能表)中采用定時復位看門狗，每1秒讓CPU強行復位，迄令數十萬電表運行了近五年，無一例死機報告。
必須指出，采用這種看門狗，CPU的編程要適應定時復位的環境．保證定時復位不打斷那些不能打斷的程序．不造成任何誤動作。
2、誤區之二：加電源濾波器能提高EMC性能
在單片機系統中，為了抑制電磁干擾(EMI)，常常在交流電源進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)兩個電容接大地。設電感的電阻為R，它們的幅頻特性分別是：

當R很小時，上述兩個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。
設計濾波器時必須注意讓諧振頻率遠小于干擾頻率，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)，可計算出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
實際上：如果取L=30mh，R=5Ω，C=O.47uF。可計算出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，電源濾波器確實提高了系統的EMC性能。圖2實線是相應的幅頻特性。
3、誤區之三：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。例如現場的開關量引到測控裝置后都要加光隔，以切斷來自現場的傳導干擾；RS485通訊口經光隔再與外部通訊線連接，防止來自外部通訊線的傳導干擾。
有不少人認為：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，光電隔離并非萬全之策。
首先，光偶器件本身只能隔離傳導干擾，它隔離不斷幅射、感應干擾。幅射來自空間，感應來自相鄰的導體。最常見的敗筆是：設計PCB時將光偶器件的輸入和輸出電路布在了一起．這時干擾從光偶器件是過不去了，但卻很容易經輸入電路感應到輸出電路。
其次．光偶器件隔離傳導干擾的能力也只有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、誤區之四：PCB布線要橫平豎直
提起PCB布線，許多工程技術人員都知道一個傳統的經驗：正面橫向走線、反面縱向走線，橫平豎直，既美觀又短捷；還有一個傳統經驗是：只要空間允許，走線越粗越好。可以明確地說，這些經驗在注重EMC的今天已經過時。
要使單片機系統有良好的EMC性能，PCB設計十分關鍵。一個具有良好的EMC性能的PCB，必須按高頻電路來設計——這是反傳統的。單片機系統按高頻電路來設計PCB的理由在于：盡管單片機系統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的設計必須考慮高頻電路的特點。PCB按高頻電路設計的要點是：
(1)要有良好的地線層。最好的地線層處處等電位，不會產生共模電阻偶合，也不會經地線形成環流產生天線效應；良好的地線層能使EMI 以最短的路徑進人地線而消失。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．應當盡量從正面走線，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，不得已走的長線應當在合理的位置插入C、RC或LC低通濾波器。
(4)除了地線，能用細線的不要用粗線。因為PCB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，天線效應越強。
5、誤區之五：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。一股認為：貼片式和雙列直插式的區別主要是體積不同和焊接方法不同．對系統性能影響不大。其實不然。
前面說到，PCB上的每一根走線都存在天線效應。現在要說，PCB上的每一個元件也存在天線效應，元件的導電部分越大，天線效應越強。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弱。這就解釋了許多工程師已經注意到的一個現象：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，天線效應還跟每個芯片的工作電流環路有關。要削弱天線效應，除了減小封裝尺寸，還應盡量減小工作電流環路尺寸、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)的管腳布局會發現：它們大多拋棄了傳統方式——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路尺寸。
實際上，不僅是IC芯片，電阻、電容封裝也與EMC有關。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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