单片机的干扰分析及MCU的改进

通过一个仪器抗干扰处理的实践，分析干扰形成错误的机理。首先对干扰进行描述，然后分析错误形成的可能性以及目前解决干扰问题的难点，最后提出对MCU改进的建议。

关键词 抗干扰 容错 Watchdog

　　长久以来，计算机系统的抗干扰一直是人们关心的重要问题，因为计算机用得越来越广，可靠性越来越重要，而抗干扰本身就是可靠性的重要组成部分。为了汽车、飞机、卫星、反应堆的安全，人们在抗干扰问题上花费了大量精力与金钱，尽管已经取得了长足的进展，但在性价比上远不能满足要求，以致高抗干扰的要求只是在高技术领域才加以考虑。本文讨论了干扰对错误的形成机制，提出了对MCU改进的建议。这个建议如果实施，不仅有利于高技术领域的应用，也会惠及一般的民用领域。

1 干扰源的讨论

　　很久以前，还在“8031+2764+14433”的年代，我们做了一批过程监控仪表，用于灭菌过程F0的监控，遇到了强烈的干扰问题。灭菌过程约30 min，由电触点压力表控制进气电磁阀，间接控制温度。F0是一个温度函数的积分值，可以反映灭菌的效果，它综合考虑了温度波动的影响。当时采取了一些抗干扰措施，例如，硬件上对信号线屏蔽，信号滤波；软件上的智能滤波，程序复执，程序分段保护，数据后备，端口等重复初始化，ROM的定时校验和检验，多种出错报警，出错时重新热启动（可使问题有所缓和，但偶然会有判为ROM校验和错而停机的情况出现）。由于当时F0只是用作参考，问题尚不严重，如要掩盖，也可以用热启动代替停机；但很快F0要作为产品工艺参数，用记录纸备案，于是就重新设计了监控仪。新的监控仪用89C51+14433,再加上光耦和TI5617 D/A转换器，将温度和F0变为模拟量后送到双笔记录仪，实现产品工艺过程的记录与存档。硬件上，光耦隔离后部分是D/A和模拟电路，软件在原有基础上添加与TI5617有关的串行通信部分。TI5617的串行通信类似I2C，由CS、DIN和SCLK三条线构成，SCLK数据位时钟可达到25 ns，速度很高。用于计算的周期是6 s,仪表用定点算法配以查表，所以留出了充足的时间做许多抗干扰的工作。在D/A用的串行通信中甚至考虑了多次重复发送的子程序，希望减少通信错误的影响；但结果却很坏，记录纸上是一片墨带。由于不知道通信对错，很可能最后一次传送就是错的，于是不得不重新处理抗干扰问题。

　　经查干扰主要发生在电磁阀动作的时候，由于不可能在现场为每一个简单的小表制作一个良好的地线，一般的市售电源滤波器件根本不起作用。现场用的是220 V交流电磁阀，无法设计缓冲线路。分析认为，电磁阀断开时会在电源上产生很大的反向电压。交流电源的示波器受到干扰，在无法看清干扰的情况下，就用数字万用表观察，可以观察到1 300 V以上的读数。考虑到数字万用表输入的滤波效果，真正的峰值还要大，因此推想，高频的干扰穿越了变压器绕组间电容，造成变压器次级交流电压瞬间反向。尽管反向波幅的衰减很大，但因方向已改变，整流二极管来不及响应，已不供电，而滤波的电解电容器动态上来不及反应，也不供电，造成稳压前直流电源瞬间下降。同时它通过整流二极管，78L15、78L05等低频器件到达二组隔离的电源，造成直流电源跌落。循此思路，发现TI5617的SCLK可能出现不正确的时钟信号，造成数据传送的错误。TI5617的读数发生在SCLK的下降沿，说明书上强调，在非传送时减少馈通应使SCLK=LOW，为节省电流消耗，SCLK是从光耦的基极输出的。因此若光耦次级电源跌落，确实会造成SCLK下降而误读。然后我们在基极电阻（20 kΩ）上并联0.1 μF电容，在光耦次级电源上串接高频二极管，以防0.1 μF电容器通过光耦反向放电。采取此措施后，记录曲线不再有墨带。对本应用而言，干扰问题初步解决，但仍不彻底。干扰得到解决本身证实了分析是正确的——来自电源的干扰有可能进到直流电源部分。

　　国际标准ISO 7637是针对汽车电子领域电源的传导干扰问题的。它规定有#1、#2a/b、#3a/b、#4、#5a/b等多种测试波形，反映实际应用中会遇到的情形。其中，关断感性负载（例如雨刮器的马达）引起的电压升高，在12 V系统中可达50 V，虽有瞬间超过元器件耐压而引起损伤的可能性，但不会直接引起误动作。而在波形#1中，关断感性负载（例如电动座椅的马达和座椅的加热系统）产生的脉冲，在电源为12 V的系统中1 μs可达到-100 V，衰减到10%的时间为2 ms。在波形#3a中，电源为12 V的系统里5 ns可达到-138 V,回到0 V的时间大约为100 ns。这些是典型数据，实际上电源线不是匹配的传输线，干扰波还要来回反射，情况更为复杂。在这些场合，也可能发生直流电源的跌落干扰。

　　空间的幅射干扰也是经常遇到的问题，例如在太空或反应堆附近，电子器件会受到重离子的轰击而产生故障；又如在空港区或大电流、高电压区域，电子器件也会受到强电磁辐射而发生故障。在这些场合，干扰也会引起MCU的基本门电路工作失误。

2 Watchdog不能解决软件可靠性问题

　　Vcc的跌落会引起MCU的误动作。MCU里每一个读/写操作都是由门电路实现的，门的开关依赖于门的阈值和信号的时序。电源跌落时阈值发生变化，振荡器产生的信号时序也会变形。下面以8051单片机为例，考察如果干扰发生在执行指令“MOV dir1, dir2”时会产生什么后果。假定错误发生在指令的第1字节，最坏的情形是每个bit都反转，而最大的概率是只有一个bit发生反转。一个bit发生反转的情况如表1所列。

表1