摘要:文章阐述了电源监视芯片WMS7705的功能、特点及工作原理,结合实际运用创造性的提出了WMS7705与Watchdog两者共同作用提高通信管理器抗干扰的新方法。
关键词:WMS7705;电源干扰;Watchdog;新方法
中图分类号:TN97 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)04-0097-04
1引言
在工业过程控制、数据采集及通信管理中,单片机得到了广泛的应用。在单片机的应用中,最令人头痛的就是如何有效地抗干扰问题。一般来说,对计算机系统,采用加强电源滤波,光电或变压器隔离,加强屏蔽,独用电源线,从变压器根部引线等等都能在一定程度提高系统抗干扰能力,但无法从根本上有效解决各式干扰问题。以UPS为例,它可以保证在干扰期间RAM中数据不丢失,但是其反应时间(毫秒级)跟不上微秒级的干扰脉冲,以至CPU工作状态混乱。笔者在研制红外线测温系统的数据通信管理器时,由于其应用环境恶劣,各种干扰源较多,因此对整个系统的抗干扰措施提出了严格的要求。经多次试验尝试后采用WMS7705,再结合Watchdog软件抗干扰技术取得了良好的效果。本文介绍了WMS7705的功能、特点及其抗干扰的工作原理,结合Watchdog技术的应用以实现通信管理器良好的抗干扰能力。
2WMS7705介绍
2.1电路简介
WMS7705系列电路是一种电压监视器件,有8引脚和10脚两种形式:WMS7705A和WMS7705B。具有电源投入时复位功能,能侦测出电源瞬间短路、降压、尖峰脉冲,产生复位信号(WMS7705B还能产生中断信号),计算机及时复位保护RAM区内的数据(或及时执行中断服务程序保护各断点数据),并具有电源上升时复位信号解除功能。复位信号有正负两种逻辑,输出电压、电流与一般CMOS数字集成电路相同。
2.2功能和特点
①监测电源电压瞬时短路,瞬间降压和微秒级干扰脉冲及掉电。
②及时输出复位信号或中断信号,内部有RC延时电路,可外接RC调整。
③监测电压Vs=4.6 V,可外接电阻调整增大,提高灵敏度,一般调整范围4.5～4.8 V。
④适用于+5 V电源的各类型单片机、单板机、多片CPU机及台式微机。
2.3电路原理
WMS7705B电路原理图如图1所示。
①GND:接地。
②S:对地外接电阻Rs可提高参考电压Vs的值。Rs可按下列公式估算。
Rs=(75-150×△Vs)/0.2 (1)
式中△Vs是需要增加的监测值。
③RE1:中断信号输出端,高电平有效。
④RE1:中断信号输出端,低电平有效。
⑤RE2:低电平有效复位信号。
⑥RX2/CX2中断服务时间ti调整端,对RE1端并接电阻RX2可缩短ti对地并接电容CX2可增加ti,且有公式:
ti≈(Ri//RX2)•(C1+CX2) (2)
⑦Rt:在Rt端到RXl/CX1端接入电阻Rt可降低反应速度ts。采用下列公式计算:Rt=ts/C。
⑧RXl/CX1外接RC延时电路。对地接入CX1(最好选用≤0.1μF),可增加延时时间,对Vcc接入RX1可减小延时时间。延时时间Tl可采用下列公式算出:t1≈(R1/RX1)•(C+CX1)。
⑨Vcc:内部电源。
{10}Vs:监测电源输入端,直接接到CPU、RAM的十5V电源上。
{11}WMS7705B也可当作7705A使用,不过应把RE1作为复位信号。
2.4工作原理
在Vs端输入被监视电压,经过采样电路处理,送到比较器A的1,与2对应4.6 V参考电压Vsi进行比较。当+5 V电源电压降压到小于4.6 V时,A输出低电平,当外部Rt,RXl/CX1两个端子连入电阻Rt(也可短接)后,电容C经过Rt和D快速放电,放电速度即对干扰的反应速度,它决定于A的翻转速度和CRt的取值。电容电压Vc为低电平,控制电路迅速发出复位信号RE1和RE1。只有当+5 V电源正常后(大于4.7 V),A快速翻转成高电平,D为开关二极管,只能由+5 V电源经R对C充电,当Vc上升到一定值时,由控制电路解除复位信号。Vc的上升过程所需的时间,就是复位信号的延时时间T1,T1由RC决定。在控制电路发出中断信号RE1时,电容Ci经Ri充电,经ti(即中断服务时间)到达一定值,控制电路发出复位信号RE2。考虑到当+5 V电源掉电后,WMS7705电路自身也将失去电源,它发出的RE1,RE2将一直保持为低,但RE1信号将在+5 V电源下降到3 V以下时,不再保持高电平。所以,一般采用RE1,RE2负逻辑信号控制复位信号,中断信号低电平有效的CPU。
3软件Watchdog系统
WMS7705能侦测出电源瞬间短路、降压、尖峰脉冲,产生复位信号,CPU及时复位保护RAM区内的数据,但如果受到强烈干扰时,程序可能弹飞到一个临时构成的死循环中时,造成系统完全瘫痪。因此必须有一个程序运行监控系统(Watchdog)来监视系统运行情况,以避免进入死循环中。它有如下特性:
①本身能独立工作,基本上不依赖CPU。
②CPU在一个固定的时间间隔中和该系统打一次交道,以表明系统"目前尚正常"。
③当CPU掉入死循环后,能及时发觉并使系统复位。
当系统掉进死循环后,什么程序才能使它离开呢?只有比这个死循环更高级的中断子程序才能夺走对CPU的控制权。为此,我们用一个定时器来做Watchdog,将它的溢出中断设定为高级中断(掉电中断选用INT0时,也可设为高级中断,并享有比定时中断稍微优先的地位)。系统中的其它中断均设为低级中断。例如用T0作Watchdog,定时约为16 ms,则可以在初始化时这样建立Watchdog:
MOVTMOD,#01H;设置T0~16位定时器
SETBET0 ;允许T0中断
SETBPT0 ;设置T0为高级中断
MOVTH0,#0E0H;定时约16ms(6MHz晶体)
SETBTR0 ;启动T0
SETBEA;开中断
以上初始化过程可和其它资源初始化一并进行。Watchdog启动以后,系统工作程序必须经常喂它。每两次之间的间隔不得大于16 ms(例如每10 ms喂一次)。执行一条MOVTHO,#0E0H指令即可将它暂时喂饱。如果用MOVTH0,#0来喂它,它将安静131 ms(而不是我们要求的16 ms)这条指令安放在监控循环中或另外一个定时中断中(定时周期小于16 ms)。当程序掉入死循环后,16 ms之内即可引起T0溢出,产生高级中断,从而退出死循环。在T0中断向量区安放一个软件陷井,引导到出错处理程序,由出错处理程序来完成各种善后工作,并用软件方法使系统复位。
软件Watchdog通过"热启动"来使系统恢复正常,过程如下:
①为使热启动过程能顺利进行,首先要关闭中断,重新设置堆栈,为主程序(后台程序)重新指定初始区工作寄存器。
②将所有的I/O设备设置为安全状态,封锁I/O操作,以免事态扩大。具体程序由系统硬件配备决定。
③对系统残留信息进行查错和纠错。系统被干扰后一般均会使RAM中的信息遭受程度不等的破坏。
④系统状态重入。关键信息恢复后,再配合一些其它必要的准备工作,如对系统外围芯片重新设置,补充必要的新信息后,就可以重新进入系统工作循环了。
4WMS7705与Watchdog结合在通信管理器中的应用
通信管理器用于红外线测温系统,通信管理器在设计时按照控制单元的环境工作特点进行抗干扰,抗冲击震动和低温升设计,首先考虑的系统的高可靠性,其次是要节省硬件资源。
通信管理器使用的CPU是8位FLASH型单片机89C52。89C52是8031相兼容的单片机,内部具有8KFLASHEEPROM用于存放用户程序。256字节的RAM,3个定时器。
系统扩展了一片62256,32K外部RAM用于数据的存放,62256的供电除利用系统电源供电以外,在系统不工作时尚可由后备电源供电,以保证停电时数据不会丢失。
为了保证系统可靠地工作,在系统的设计中使用了专用的CPU监控电路WMS7705B。电路图如图2所示。
该电路完成以下的功能:
①复位功能。
WMS7705B提供以下的复位功能:上电复位,电源监控复位当系统上电时,WMS7705B产生宽度为50ms的复位信号,使单片机工作当系统电源由于某种原因发生波动下降至复位门限电压以下时,WMS7705B产生复位信号,当电源回复到正常时,WMS7705B仍维持50ms的复位电平,以保证单片机可靠地复位。
②存储器备电切换。
在记录仪停电期间,外部RAM芯片62256依靠备电保持其中的数据不致丢失。WMS7705B自动检测系统电源,当系统电源正常时,WMS7705B将系统的电源切换至62256。当系统电源低于工作电压门限值以下时,WMS7705将62256的电源切换至备用电源,保证存储器中的数据不发生丢失。
为了防止当系统电源低于一定的数据后,单片机由于电源的异常会处于一种紊乱的工作状态,此时有可能因为程序的无序工作而误操作RAM,致使片内的数据丢失或产生非法的记录,因此有必要在电源电压低于一定的值后单片机失去工作能力以前防止对存贮器进行读写操作。
WMS7705B的使用可以实现该功能。WMS7705B通过接管62256的片选信号来实现。当WMS7705B监视系统电压而发现异常后,将使62256的片选信号无效,从而防止单片机对62256的误操作。
现在市面上有专用的Watchdog芯片,但是为了增强系统的可靠性,且由于通信管理器的CPU的利用率比较低,因此可采用纯软件Watchdog来实现,以简化系统的硬件设计。
纯软件Watchdog需要系统让出一定时器资源,这在通信管理器中是不难以办到的,这时我们可以另外用一个单元作为计数器,来统计T0中断的次数。当T0中断次数达到某个规定值时(例如5次),即作出错处理。这时在主程序和其它低级中断子程序中均插入若干条使计数器清零的指令,系统正常运行时,使该计数器的值是增加不起来的,故不会引起出错处理。当系统受干扰掉进死循环后,T0中断迫使程序退出死循环,将计数器加1,然后返回到死循环中继续进行死循环,隔一段时间再中断,计数器再加1,如此下去,直到计数器加到指定值便作出错处理。设计数单元为39H,T0定时为5 ms,最大允许死循环时间为25 ms(5次),中断子程序如下:
WATDOG:PUSHACC;保护现场PUSHPSWORL TL0,#40H ;置初值(5ms)MOVTHO,#0F6HINC 39H ;计数器加1MOVA,39HADDA,#0FBH;是否达到5次JNCWATCHLJMP ERR ;出错处理
WATCHPOPPSW ;恢复现场POPACCRET ;中断返回
在所有的指令中,只有RETI指令能清除中断激活标志。前面提到的出错处理程序ERR主要是完成这一功能,其它的善后工作交由复位后的系统去完成。这部分程序如下:
ERR: CLR EA ;关中断. MOVDPTR,#ERRl;准备返回地址 PUSH DPL PUSH DPH RETI ;清除高级中断激活标志
ERR1 MOV 66H,#0AAH ;重建上电标志 MOV67H,#55H CLRA ;准备复位地址 PUSH ACC ;压入复位地址 RETI ;清除低级中断激活标志
这段程序先关中断,以便后续处理能顺利进行,然后用两个RETI指令代替两个LJMP指令,从而清除了全部中断激活标志。
5结语
WMS7705与Watchdog结合在红外线测温系统通信管理器中的成功应用,为提高单片机的抗干扰性能提供了一条新的技术途径。改变了过去人们花很大精力从软件到硬件、从系统到电源层层设防,即便如此仍然为干扰所困扰的难题。在单片机的应用方面有效广泛的代表性,具有较大的推广使用价值。
参考文献:
[1] 何立民.单片机应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.
[2] 最新CMOS元器件资料大全[M].北京:中国电子出版社,2000.