基于32位单片机的高可靠性系统设计

引言

随着工业技术的不断发展，对单片机控制的要求也越来越高，需要单片机具备更高的反应速度和更强的数据处理能力，各种高性能的新型单片机得到了迅猛的发展和应用。单片机上主要是高速的数字信号，弱信号很容易受到外界的电磁干扰，同时，单片机系统也会发生掉电、死循环等问题。在工业控制场合，一旦控制发生错误，将会造成难以估计的损失。因此，如何提高控制的可靠性是长期以来的一个重要问题。本文介绍了应用32位高性能单片机mc68hc376的一种实际开发方案，同时重点讨论了提高系统可靠性的设计和实现方法。 mc68hc376 是motorola 公司推出的一种新型的32 位高性能单片机，具有极强的数据处理、逻辑运算和信息存储能力，且支持bdm(background debug mode)模式。通过简易的专用电缆接口，可以直接对微控制器系统进行仿真开发和烧录程序。此外，由于mc68hc376 内部集成度高，外部扩展工作少，因此本身具有较强的抗干扰能力；同时通过外 部硬件电路以及软件的抗干扰设计，控制系统可以实现较高的可靠性。

1 控制系统的基本结构设计

mc68hc376 的集成度高，其主要功能模块包括32位cpu；系统集成模块(sim)；4k备用ram；8k 片内rom；10位队列式的模数转换器(qadc)；队列式串行通信模块(qsm)；可构造时钟模块(ctm4)；时间处理单元(tpu)；3.5k静态tpuram；can 控制模块(toucan)。其基本性能如下：

(1) 24位地址总线、16位数据总线结构，支持32位数据操作。

(2) 2个8位双功能i/o，1个7位双功能i/o，16~44个模拟量输入通道。

(3) 具有系统保护逻辑，同时可进行时钟监视和总线监视。

(4) 速度快，在4.194mhz的晶振下系统时钟可达20.97mhz。

(5) 功耗低，具备低功率休眠功能。

(6) 支持高级语言和背景调试。 系统扩展的基本结构 mc68hc376 内部集成度较高，因而其所需的外围扩展工作较少。基本结构包括外部flash rom、ram、模拟量输入通道、数字量输入通道、键盘、液晶显示、rs-232电平转换器max232和can 控制器can250等，其结构框图如图1 所示。本文重点讨论系统的可靠性设计。

2 系统的可靠性设计

微处理器硬件监控电路

本文采用监控器max705 芯片构成外部监控电路，电路外部接线如图2 所示。该电路具有看门狗定时器、自动和手动复位功能，以及电压门限监测功能。 由于在系统上电、掉电以及供电电压不足时， cpu 和总线逻辑状态不确定，因此应该将微控制器维持在复位的状态，以避免控制错误。对于max705，复位门限电压为4.65v，故当vcc低于4.65v时，系统保持在复位状态。同时，将vcc 与pfi 引脚相连，当vcc低于1.25v时，由pfo 引脚输出示警信号，若较长时间处于电源示警状态，则可能出现电源故障，应该加以处理。当系统正常运行时，由mc68hc376 的ctm4 模块的ctd4通道以小于1.6s 的间隔定时向max705的wdi 引脚提供脉冲；一旦系统不能正常运行而导致max705的wdi 引脚失去脉冲时，看门狗定时溢出使得/wdo为低，由于/wdo与手动复位引脚/mr相连，因此/reset脚向mc68hc376发出低有效的复位信号，使系统恢复到复位状态。
外部滤波电路 由于系统采用外部参考频率源，为了提高系统频率的稳定性和可靠性，所以需要在mc68hc376 的xfc 脚上接入滤波电路。该电路应尽可能降低xfc 脚的泄露电流，以提高时钟的稳定性和内部锁相环的性能。图3所示为高稳定的滤波电路。

输出驱动电路可靠性设计

控制装置通过对系统状况进行监测和分析后，向控制和调节的动作单元提供控制信号。如果输出信号受到干扰或者由于装置故障而发出错误的控制信号，那么会因产生错误的调节控制动作而使系统受到危害。因此，对于输出驱动电路应该加以相应的闭锁控制和抗干扰设计，以提高控制的可靠性。

(1) 闭锁控制电路 这里采用可再触发双/单稳态多谐振荡器74ls123 来构成输出闭锁电路，电路接线如图4 所示。 将74ls123 的a 脚与mc68hc376 的ctm4 模块的ctd4通道相连，由于在正常情况下ctd4定时提供脉冲，使得振荡电路不能发生翻转，此时，/q保持为1；如果装置故障，使得ctd4 失去脉冲，则振荡电路使得/q翻转变为0，因此闭锁信号变为0 对输出控制信号闭锁。同时，与门40