淺析MCU的抗干擾能力

長(zhǎng)久以來，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的抗干擾一直是人們關(guān)心的重要問題，因?yàn)橛?jì)算機(jī)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(jī)、衛(wèi)星、反應(yīng)堆的安全，人們?cè)诳垢蓴_問題上花費(fèi)了大量精力與金錢，盡管已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但在性價(jià)比上遠(yuǎn)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(duì)錯(cuò)誤的形成機(jī)制，提出了對(duì)MCU改進(jìn)的建議。這個(gè)建議如果實(shí)施，不僅有利于高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，也會(huì)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(qiáng)烈的干擾問題。滅菌過程約30 min，由電觸點(diǎn)壓力表控制進(jìn)氣電磁閥，間接控制溫度。F0是一個(gè)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(dòng)的影響。當(dāng)時(shí)采取了一些抗干擾措施，例如，硬件上對(duì)信號(hào)線屏蔽，信號(hào)濾波；軟件上的智能濾波，程序復(fù)執(zhí)，程序分段保護(hù)，數(shù)據(jù)后備，端口等重復(fù)初始化，ROM的定時(shí)校驗(yàn)和檢驗(yàn)，多種出錯(cuò)報(bào)警，出錯(cuò)時(shí)重新熱啟動(dòng)（可使問題有所緩和，但偶然會(huì)有判為ROM校驗(yàn)和錯(cuò)而停機(jī)的情況出現(xiàn)）。由于當(dāng)時(shí)F0只是用作參考，問題尚不嚴(yán)重，如要掩蓋，也可以用熱啟動(dòng)代替停機(jī)；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(jì)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)?a href="http://wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬量后送到雙筆記錄儀，實(shí)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(shí)鐘可達(dá)到25 ns，速度很高。用于計(jì)算的周期是6 s，儀表用定點(diǎn)算法配以查表，所以留出了充足的時(shí)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(cuò)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(duì)錯(cuò)，很可能最后一次傳送就是錯(cuò)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(dòng)作的時(shí)候，由于不可能在現(xiàn)場(chǎng)為每一個(gè)簡(jiǎn)單的小表制作一個(gè)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(chǎng)用的是220 V交流電磁閥，無法設(shè)計(jì)緩沖線路。分析認(rèn)為，電磁閥斷開時(shí)會(huì)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(jí)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(dòng)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(shí)它通過整流二極管，78L15、78L05等低頻器件到達(dá)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(shí)鐘信號(hào)，造成數(shù)據(jù)傳送的錯(cuò)誤。TI5617的讀數(shù)發(fā)生在SCLK的下降沿，說明書上強(qiáng)調(diào)，在非傳送時(shí)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(jí)電源跌落，確實(shí)會(huì)造成SCLK下降而誤讀。然后我們?cè)诨鶚O電阻（20 kΩ）上并聯(lián)0.1 μF電容，在光耦次級(jí)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(duì)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(shí)了分析是正確的——來自電源的干擾有可能進(jìn)到直流電源部分。

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637是針對(duì)汽車電子領(lǐng)域電源的傳導(dǎo)干擾問題的。它規(guī)定有5a/b等多種測(cè)試波形，反映實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到的情形。其中，關(guān)斷感性負(fù)載（例如雨刮器的馬達(dá)）引起的電壓升高，在12 V系統(tǒng)中可達(dá)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(huì)直接引起誤動(dòng)作。而在波形#1中，關(guān)斷感性負(fù)載（例如電動(dòng)座椅的馬達(dá)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(dá)到-100 V，衰減到10%的時(shí)間為2 ms。在波形#3a中，電源為12 V的系統(tǒng)里5 ns可達(dá)到-138 V，回到0 V的時(shí)間大約為100 ns。這些是典型數(shù)據(jù)，實(shí)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(chǎng)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(huì)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(huì)受到強(qiáng)電磁輻射而發(fā)生故障。在這些場(chǎng)合，干擾也會(huì)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(huì)引起MCU的誤動(dòng)作。MCU里每一個(gè)讀/寫操作都是由門電路實(shí)現(xiàn)的，門的開關(guān)依賴于門的閾值和信號(hào)的時(shí)序。電源跌落時(shí)閾值發(fā)生變化，振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)時(shí)序也會(huì)變形。下面以8051單片機(jī)為例，考察如果干擾發(fā)生在執(zhí)行指令“MOV dir1， dir2”時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么后果。假定錯(cuò)誤發(fā)生在指令的第1字節(jié)，最壞的情形是每個(gè)bit都反轉(zhuǎn)，而最大的概率是只有一個(gè)bit發(fā)生反轉(zhuǎn)。一個(gè)bit發(fā)生反轉(zhuǎn)的情況如表1所列。

表1

從表1可見，一個(gè)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(cè)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(dòng)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(cuò)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(cuò)了。因此，即使Watchdog沒動(dòng)作，也不表示程序運(yùn)行正常。對(duì)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(jī)，卻有可能掩蓋了數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。

F0設(shè)計(jì)中，在關(guān)鍵點(diǎn)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(duì)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(shí)，先將Treh送tmp1，然后將數(shù)據(jù)由tmp1送到備份Tbkh，再校驗(yàn)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(dòng)下使用。對(duì)于直流電源的跌落干擾，MCU根本來不及作現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)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(jī)線路中還有很多外圍線路，例如F0中的光耦，3個(gè)光耦同時(shí)導(dǎo)通時(shí)要消耗約50 mA的電流，它們形成的動(dòng)態(tài)電阻很小，發(fā)生電源跌落時(shí)，并聯(lián)于MCU的解耦電容對(duì)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(huì)引起額外的電源消耗，在低功耗的應(yīng)用中也會(huì)形成新的缺點(diǎn)。有些功能強(qiáng)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(duì)抗電源跌落還需要檢驗(yàn)。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(diǎn)與限制。

3 MCU要增加的功能

由于干擾而使指令出錯(cuò)的問題不是Watchdog能解決的，特別是造成源數(shù)據(jù)錯(cuò)時(shí)，程序復(fù)執(zhí)也不能糾正錯(cuò)誤的結(jié)果。程序設(shè)計(jì)者要在現(xiàn)成的指令體系中找到對(duì)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(shí)源數(shù)據(jù)不錯(cuò)。另外，有些指令錯(cuò)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(jì)程序也不是好辦法，它既耗ROM空間，又費(fèi)運(yùn)行時(shí)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(yàn)位，一旦指令通不過校驗(yàn)，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(jì)與生產(chǎn)水平而言，在技術(shù)與成本上這種增加不會(huì)有很大困難。雖然這一辦法在添加的校驗(yàn)位有限時(shí)仍會(huì)有一定出錯(cuò)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(yàn)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(jì)者，這些指令的添加位應(yīng)該在寫入ROM時(shí)自動(dòng)生成，這樣就不會(huì)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(shí)現(xiàn)上述功能，MCU的抗干擾能力會(huì)更強(qiáng)，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(yuǎn)。