单片机主要作用是控制外围的器件,并实现一定的通信和数据处理。但在某些特定场合,不可避免地要用到数学运算,尽管单片机并不擅长实现算法和进行复杂的运算。下面主要是介绍如何用单片机实现数字滤波。

在单片机进行数据采集时,会遇到数据的随机误差,随机误差是由随机干扰引起的,其特点是在相同条件下测量同一量时,其大小和符号会现无规则的变化而无法预测,但多次测量的结果符合统计规律。为克服随机干扰引起的误差,硬件上可采用滤波技术,软件上可采用软件算法实现数字滤波。滤波算法往往是系统测控算法的一个重要组成部分,实时性很强。

采用数字滤波算法克服随机干扰的误差具有以下优点:

1、数字滤波无需其他的硬件成本,只用一个计算过程,可靠性高,不存在阻抗匹配问题。尤其是数字滤波可以对频率很低的信号进行滤波,这是模拟滤波器做不到的。

2、数字滤波使用软件算法实现,多输入通道可共用一个滤波程序,降低系统开支。

3、只要适当改变滤波器的滤波程序或运算,就能方便地改变其滤波特性,这对于滤除低频干扰和随机信号会有较大的效果。

4、在单片机系统中常用的滤波算法有限幅滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、加权平均滤波法、滑动平均滤波等。

(1)限幅滤波算法

该运算的过程中将两次相邻的采样相减,求出其增量,然后将增量的绝对值,与两次采样允许的最大差值A进行比较。A的大小由被测对象的具体情况而定,如果小于或等于允许的最大差值,则本次采样有效;否则取上次采样值作为本次数据的样本。

算法的程序代码如下:

#defineA               //允许的最大差值
chardata;               //上一次的数据
char filter()
{
   chardatanew;       //新数据变量
   datanew=get_data();  //获得新数据变量
   if((datanew-data)>A||(data-datanew>A))
         return data;
   else
         returndatanew;
}

说明:限幅滤波法主要用于处理变化较为缓慢的数据,如温度、物体的位置等。使用时,关键要选取合适的门限制A。通常这可由经验数据获得,必要时可通过实验得到。

(2)中值滤波算法

该运算的过程是对某一参数连续采样N次(N一般为奇数),然后把N次采样的值按从小到大排列,再取中间值作为本次采样值,整个过程实际上是一个序列排序的过程。

算法的程序代码如下:

#define N11   //定义获得的数据个数
char filter()
{
   charvalue_buff[N];           //定义存储数据的数组
char count,i,j,temp;
for(count=0;count<N;count++) //获取数据
{
   value_buf[count]=get_data();
   delay();                //如果采集数据比较慢,那么就需要延时或中断
}
 
for(j=0;j<N-1;j++)           //用冒泡法对数据进行排序,当然最好用其他排序方法
{
   for(value_buff[i]>value_buff[i+1]
      {
        temp=value_buff[i];
        value_buff[i]=value_buff[i+1];
        value_buff[i+1]=temp;
    }
}
returnvalue_buff[(N-1)/2];
}

说明:中值滤波比较适用于去掉由偶然因素引起的波动和采样器不稳定而引起的脉动干扰。若被测量值变化比较慢,采用中值滤波法效果会比较好,但如果数据变化比较快,则不宜采用此方法。

(3)算术平均滤波算法

该算法的基本原理很简单,就是连续取N次采样值后进行算术平均。

算法的程序代码如下:

char filter()
{
int sum=0;
for(count=0;count<N;count++)
{
   sum+=get_data();
   delay():
}
return (char)(sum/N);
}

说明:算术平均滤波算法适用于对具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是有一个平均值,信号在某一数值附近上下波动。信号的平均平滑程度完全到决于N值。当N较大时,平滑度高,灵敏度低;当N较小时,平滑度低,但灵敏度高。为了方便求平均值,N一般取4、8、16、32之类的2的整数幂,以便在程序中用移位操作来代替除法。

(4)加权平均滤波算法

由于前面所说的“算术平均滤波算法”存在平滑度和灵敏度之间的矛盾。为了协调平滑度和灵敏度之间的关系,可采用加权平均滤波。它的原理是对连续N次采样值分别乘上不同的加权系数之后再求累加,加权系数一般先小后大,以突出后面若干采样的效果,加强系统对参数变化趋势的认识。各个加权系数均小于1的小数,且满足总和等于1的结束条件。这样加权运算之后的累加和即为有效采样值。其中加权平均数字滤波的数学模型是:

“”

式中:D为N个采样值的加权平均值:XN-i为第N-i次采样值;N为采样次数;Ci为加权系数。加权系数Ci体现了各种采样值在平均值中所占的比例。一般来说采样次数越靠后,取的比例越大,这样可增加新采样在平均值中所占的比重。加权平均值滤波法可突出一部分信号抵制另一部分信号,以提高采样值变化的灵敏度。
样例程序代码如下:

char codejq[N]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}; //code数组为加权系数表,存在程序存储区
char codesum_jq=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;
char filter()
{
char count;
char value_buff[N];
int sum=0;
for(count=0;count<N;count++)
{
   value_buff[count]=get_data();
      delay();
}
for(count=0;count<N;count++)
      sum+=value_buff[count]*jq[count];
return(char)(sum/sum_jq);
}

(5)滑动平均滤波算法

以上介绍和各种平均滤波算法有一个共同点,即每获取一个有效采样值必须连续进行若干次采样,当采速度慢时,系统的实时得不到保证。这里介绍的滑动平均滤波算法只采样一次,将一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均,得到的有效采样值即可投入使用。如果取N个采样值求平均,存储区中必须开辟N个数据的暂存区。每新采集一个数据便存入暂存区中,同时去掉一个最老数据,保存这N个数据始终是最新更新的数据。采用环型队列结构可以方便地实现这种数据存放方式。

程序代码如下:

char value_buff[N];
char i=0;
char filter()
{
    char count;
    int sum=0;
    value_buff[i++]=get_data();
    if(i==N)
        i=0;
for(count=0;count<N;count++)
      sum=value_buff[count];
return (char)(sum/N);
}

(6)低通滤波

将普通硬件RC低通滤波器的微分方程用差分方程来表求,变可以采用软件算法来模拟硬件滤波的功能,经推导,低通滤波算法如下:

Yn=a* Xn+(1-a) *Yn-1
式中 Xn——本次采样值
Yn-1——上次的滤波输出值;
a——滤波系数,其值通常远小于1;
Yn——本次滤波的输出值。

由上式可以看出,本次滤波的输出值主要取决于上次滤波的输出值(注意不是上次的采样值,这和加权平均滤波是有本质区别的),本次采样值对滤波输出的贡献是比较小的,但多少有些修正作用,这种算法便模拟了具体有教大惯性的低通滤波器功能。滤波算法的截止频率可用以下式计算:

fL=a/2Pit pi为圆周率3.14…
式中 a——滤波系数;
t——采样间隔时间;
例如:当t=0.5s(即每秒2次),a=1/32时;
fL=(1/32)/(2*3.14*0.5)=0.01Hz

当目标参数为变化很慢的物理量时,这是很有效的。另外一方面,它不能滤除高于1/2采样频率的干搅信号,本例中采样频率为2Hz,故对1Hz以上的干搅信号应采用其他方式滤除,低通滤波算法程序于加权平均滤波相似,但加权系数只有两个:a和1-a。为计算方便,a取一整数,1-a用256-a,来代替,计算结果舍去最低字节即可,因为只有两项,a和1-a,均以立即数的形式编入程序中,不另外设表格。虽然采样值为单元字节(8位A/D)。为保证运算精度,滤波输出值用双字节表示,其中一个字节整数,一字节小数,否则有可能因为每次舍去尾数而使输出不会变化。

设Yn-1存放在30H(整数)和31H(小数)两单元中,Yn存放在32H(整数)和33H(小数)中。滤波程序如下:副表6.

今天就写到这,因为数字滤波的算法还有很多种方法,比如一阶滞后低通滤波器(惯性滤波法),限时滤波,容错冗余三中取二滤波法等等。不过由于个人能力和时间的原因,还没能把它们一一地列出。以后我会不断地找资料把它们完善。

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围观 19

这里利用一个实际发生的例子,针对初级工程师经常犯的一个小错误,或者经常要走的一个弯路,做了针对性的纠正。希望可以帮到大家,文笔不好,文章中有叙述不清的地方大家多多指教。

这篇文章我不是想说编程的规范性的东西,如果你想让自己的程序文件最起码直观的看起来美观、可读性强,推荐找华为的“C语言编程规范”。我只想说一说当我们的单片机遇到多个模块的数据需要处理,类似于“多任务”时我们应该怎么办?

背景是这样的,9月份开始安排一个工程师开始做电动汽车交流充电桩,机械设计部分由公司机械结构部门负责。充电桩的电子部分总体上分为X个部分(用到的资源),电阻触摸屏(RS232),M1卡读写(RS232),电能计量表(RS485),语音提示(SPI),电力开关(继电器IO),通讯接口(RS485、CAN)。

工程师做的过程非常勤奋,期间也是困难重重,改了很多个版本,第二年6月总算把充电桩立起来了。

咱们来验收一下吧,结果发现读卡的时候不能处理触摸屏,播放语音的时候不能处理读卡,语音播放不能打断或者跳跃,反正就是所有事件必须一个一个按部就班的来,一旦操作错误就需要多次执行、等待、甚至重新来过。

一个工作3年多的工程师怎么会把产品做成这样呢?看看程序吧!

一看不要紧,吓一跳!整个的程序是没有逻辑的,一条线就往下写……

While(1)
{
//上电进入主程序 或 触发触摸屏
//播放提示语音
Delay();//等待播放完毕
//读取M1卡信息
Delay();//等待读卡数据返回
//播放提示语音
Delay();//等待播放完毕
//M1卡数据交互,判定下一步操作及提示
Delay();//等待数据处理完毕
……
……
}
这里说这个工程师基本上对于自己设计的产品没有任何的整体概念,或者说对自己开发的程序用到设计上会有怎样的实际效果根本就不清楚。

他犯了几个我们在程序开发过程中最忌讳的几个问题:

1、 delay(死等)这类函数只在应该实验室验证某个功能过程中用到,在实际的产品开发时无论是主循环while中,还是其调用的函数中,亦或是中断服务程序中绝对不可以用到。

2、 产品设计的各个子模块之间的逻辑关系太强,例如:必须等待播音完毕才能读卡进入下一步操作等。

我们讲,产品设计中只有各个事件处理模块间的逻辑关系弱化,才能更加灵活地进行处理。例如:两个事件A和B,如果程序开发时将A做成B事件的必要条件,B事件的触发就必须等待A事件的发生。反之,如果A事件作为B事件处理的一个特殊情况,那么程序开发起来就变得灵活很多。

3、 没有考虑到单片机本身是一个单核单任务的架构,每一个事件都会独占CPU内核,当多个任务模块同时存在时我们应该对各个事件进行区分,我们应当分情况、分事件实时性要求等区分对待。

那么针对于这样的问题,或者是遇到类似的项目我们应该如何处理呢?

几条建议:

1、将硬件系统区分为独立单元单独做成底层驱动函数和应用函数,并且函数正常应该有参数和返回值,其中返回值是必要的。如何衡量这类函数呢?这类函数可移植性强,只要一个.h文件和一个.c文件就可以随意放到任何工程中。例如:语音播放、M1读卡、485处理等等。

2、将1中的所有函数进行时间评估,评估点有两个。一个是函数的执行时间t,第二个是函数的周期性发生的时间T,一个最基本的条件是t < T,理想情况应该是t << T。

3、建立一个集中逻辑处理函数,在这个函数中对1中的各个函数进行调度。这个函数发挥的作用相当于嵌入式系统中的系统调度。这种调度是整个硬件逻辑中所有事件处理的调度,它的目的是完成一个处理过程,但是绝不依赖于任意事件的必要处理过程。这样就将问题2中提到的事件间的逻辑关系弱化了,处理起来变得十分灵活,使得各个关系不在相互必要。

4、为了保证前面内容的正常实施还需要针对各类事件的周期,建立一个必要的时间管理函数,时间函数的基础一般情况下由一个内部定时器的中断来完成,中断的周期一般我们考虑5-10ms。按照实际需求将N个定时器中断定义为一个事件处理的周期TT,这个周期应该保证处理完最恶劣情况可能发生的所有t,且保证TT < T。

5、 这其中也有例外,一些实时性要求高的事件应当用中断完成。其中中断处理函数的处理事件应尽量短,时间要求参见2。

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围观 11

在工业控制、智能仪表中都普遍采用了单片机,单片机抗干扰措施提到重要议事日程上来。单片机抗干扰措施不解决,其它工作也是白费劲。要解决单片机干扰问题,必须先找出干扰源,然后采用单片机软硬件技术来解决。

干扰源:主要来自外部电源、内部电源,印制板排版走线互相干扰,周围电磁场干扰,外部干扰一般通过IO口输入等。为叙述方便,我们分硬件、软件抗干扰措施来讲:

(一)硬件抗干扰措施

1.交流电源尽量采用电压稳定的电网

2.交流端用电感电容滤波,去掉高频低频干扰脉冲

3.变压器双隔离措施,变压器初级输入端串接电容,初、次级线圈间屏蔽层与初级间电容中心接点接大地,次级外屏蔽层接印板地,这是硬件抗干扰的关键手段

4.次级加低通滤波器,吸收变压器产生的浪涌电压

5.采用集成式直流稳压电源,有过流过压过热等保护

6.IO口光电磁电继电器隔离,避免公共地

7.通讯线用双绞线,排除平行互感

8.防雷电,用光纤隔离最为有效

9.A/D转换用隔离放大器或采用现场转换,减少误差

10.外壳接大地,解决人身安全及防外界电磁场干扰

11.加复位电压检测电路,仿止复位不充份CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,复位不充份会改变EEPROM的内容

12.印制板工艺抗干扰:

(1) 电源线加粗,合理走线接地,三总线分开,减少互感振荡

(2) CPU/RAM/ROM等主芯片,VCC和GND间接电解电容及瓷片电容,去掉高低频干扰脉冲

(3) 独立系统结构,减少接插件与连线,提高可靠性,减少构障率

(4) 集成块与插座接触可靠,用双簧插座,最好集成块直接焊在印制板上,防止器件接触不良故障

(5) 有条件采用四层以上印制板,中间两层为电源和地

(二)软件抗干扰措施

1.多用查询代替中断,把中断源减到最少,中断信号连线不大于0.1米,防止误触发、感应触发

2.A/D转换采用数字滤波,平均法,比较平均法等,防止突发性干扰

3.MCS-51单片机空单元写上00H,最后放跳转指令到ORG 0000H,因干扰程序走飞,可能抓回去

4.多次重复输出,输出信号保持在RAM中,防止干扰信号输出

5.开机自检自诊断,RAM中重要内容要分区存放,经常进行比较检查,机器不能带病工作

6.表格参数放在EPROM中,检验和存于最后单元,防止EPROM内容被修改

7.加看门狗,软件走飞可从头开始

8.开关信号延时去抖动

9.IO口正确操作,必须检查口执行命令情况防止外部故障不执行控制命令

10.通讯应加奇偶校验或查询表决比较等措施,防止通讯出错

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围观 2

单片机应用系统中,常有用单片机的I/O口来实现自关机(彻底关机)的功能。一般用单片机的一个I/O口控制一个电子开关来实现,因单片机关电后,失去电源,所以在关机时,实现关机的IO口的电平必须用低电平。

但在这里有一个矛盾,就是在电子开关关闭电源时,因有电源滤波电容的存在,单片机系统的电压不是立即变为0,而是慢慢变低,当电压低到一定电压时,单片机将进入复位状态、或程序跑飞状态、或不确定状态,此时单片机控制关电的I/O口也可能变回高电平,将使电子开关重新开通。

解决方法:

一般单片机最低工作电压要比正常工作的电压低一些,我们就用这个差别来设计关机电路,就是让电子开关的开通电压必须大于单片机的最低工作压,这样在单片机正常工作时,此控制电压较高,能维持电子开关的正常导通,而当单片机在关电过程中因低压而产生的I/O口的高电平,因电压较低,不足以维持电子开关的导通, 从而实现彻底的关电。

“”

在关机状态时:

S1按下,Q2导通,单片机工作后,POWER输出高电平,Q1导通,维持Q2的导通实现开机。

在开机状态时:

1、软件关机:MCU的POWER引脚输出低电平,Q1截止,Q2关断,关机。(一般用于延时关机,象数字万用表即是)

2、S1按下,低电平通过D3使MCU的输入脚ON-OFF电平为低,MCU检测到后,通过软件关机(如1所述)

D3用于隔离,不然关机状态时MCU的ON-OFF脚为低电平,Q2将导通。

POWER 是单片机输出开关电源的,低电平是0,高电平等于单片机的供电电压(近似)

ON-OFF是单片机的输入脚,用于单片机检测S1的状态,如果不用S1关机ON-OFF脚可以不用。

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围观 5

在提高硬件系统抗干扰能力的同时,软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到重视。下面以MCS-51单片机系统为例,对微机系统软件抗干扰方法进行研究。

1 软件抗干扰方法的研究

在工程实践中,软件抗干扰研究的内容主要是:一、消除模拟输入信号的噪声(如数字滤波技术);二、程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。本文针对后者提出了几种有效的软件抗干扰方法。

1.1 指令冗余

CPU取指令过程是先取操作码,再取操作数。当PC受干扰出现错误,程序便脱离正常轨道“乱飞”,当乱飞到某双字节指令,若取指令时刻落在操作数上,误将操作数当作操作码,程序将出错。若“飞” 到了三字节指令,出错机率更大。

在关键地方人为插入一些单字节指令,或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上,由于空操作指令NOP的存在,避免了后面的指令被当作操作数执行,程序自动纳入正轨。

此外,对系统流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP,也可将乱飞程序纳入正轨,确保这些重要指令的执行。

1.2 拦截技术

所谓拦截,是指将乱飞的程序引向指定位置,再进行出错处理。通常用软件陷阱来拦截乱飞的程序。因此先要合理设计陷阱,其次要将陷阱安排在适当的位置。

(1 )软件陷阱的设计

当乱飞程序进入非程序区,冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱,拦截乱飞程序,将其引向指定位置,再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序区填入以下指令作为软件陷阱:

NOPNOPLJMP 0000H其机器码为0000020000。

(2 ) 陷阱的安排

通常在程序中未使用的EPROM空间填0000020000。最后一条应填入020000,当乱飞程序落到此区,即可自动入轨。在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放时,在对应的中断服务程序中设置软件陷阱,能及时捕获错误的中断。如某应用系统虽未用到外部中断1,外部中断1的中断服务程序可为如下形式:

NOPNOPRETI返回指令可用“RETI”,也可用“LJMP 0000H”。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可靠、 完善,用“LJMP 0000H”作返回指令可直接进入故障诊断程序,尽早地处理故障并恢复程序的运行。

考虑到程序存贮器的容量,软件陷阱一般1K空间有2-3个就可以进行有效拦截。

1.3软件“看门狗”技术

若失控的程序进入“死循环”,通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间,若发现程序循环时间超过最大循环运行时间,则认为系统陷入“死循环”,需进行出错处理。

“看门狗”技术可由硬件实现,也可由软件实现。在工业应用中,严重的干扰有时会破坏中断方式控制字,关闭中断。则系统无法定时“喂狗”,硬件看门狗电路失效。而软件看门狗可有效地解决这类问题。

笔者在实际应用中,采用环形中断监视系统。用定时器T0监视定时器T1,用定时器T1监视主程序,主程序监视定时器T0。采用这种环形结构的软件“看门狗”具有良好的抗干扰性能,大大提高了系统可靠性。对于需经常使用T1定时器进行串口通讯的测控系统,则定时器T1不能进行中断,可改由串口中断进行监控(如果用的是MCS-52系列单片机,也可用T2代替T1进行监视)。这种软件“看门狗”监视原理是:在主程序、T0中断服务程序、T1中断服务程序中各设一运行观测变量,假设为MWatch、T0Watch 、T1Watch,主程序每循环一次,MWatch加1,同样T0、T1中断服务程序执行一次,T0Watch、 T1Watch加1。在T0中断服务程序中通过检测T1Watch的变化情况判定T1运行是否正常,在T1中断服务程序中检测MWatch的变化情况判定主程序是否正常运行,在主程序中通过检测T0Watch的变化情况判别T0是否正常工作。若检测到某观测变量变化不正常,比如应当加1而未加1,则转到出错处理程序作排除故障处理。当然,对主程序最大循环周期、定时器T0和T1定时周期应予以全盘合理考虑。限于篇幅不赘述。

2 、系统故障处理、自恢复程序的设计

单片机系统因干扰复位或掉电后复位均属非正常复位,应进行故障诊断并能自动恢复非正常复位前的状态。

2.1 非正常复位的识别

程序的执行总是从0000H开始,导致程序从 0000H开始执行有四种可能:一、系统开机上电复位;二、软件故障复位;三、看门狗超时未喂狗硬件复位; 四、任务正在执行中掉电后来电复位。四种情况中除第一种情况外均属非正常复位,需加以识别。

(1 )硬件复位与软件复位的识别

此处硬件复位指开机复位与看门狗复位,硬件复位对寄存器有影响,如复位后PC=0000H, SP=07H,PSW=00H等。而软件复位则对SP、SPW无影响。故对于微机测控系统,当程序正常运行时,将SP设置地址大于07H,或者将PSW的第5位用户标志位在系统正常运行时设为1。那么系统复位时只需检测PSW.5标志位或SP值便可判此是否硬件复位。

由于硬件复位时片内RAM状态是随机的,而软件复位片内RAM则可保持复位前状态,因此可选取片内某一个或两个单元作为上电标志。设40H用来做上电标志,上电标志字为78H,若系统复位后40H单元内容不等于78H,则认为是硬件复位,否则认为是软件复位,转向出错处理。若用两个单元作上电标志,则这种判别方法的可靠性更高。

(2 )开机复位与看门狗故障复位的识别

开机复位与看门狗故障复位因同属硬件复位, 所以要想予以正确识别,一般要借助非易失性RAM或者EEROM。当系统正常运行时,设置一可掉电保护的观测单元。当系统正常运行时,在定时喂狗的中断服务程序中使该观测单元保持正常值(设为 AAH),而在主程中将该单元清零,因观测单元掉电可保护,则开机时通过检测该单元是否为正常值可判断是否看门狗复位。

(3 )正常开机复位与非正常开机复位的识别

识别测控系统中因意外情况如系统掉电等情况引起的开机复位与正常开机复位,对于过程控制系统尤为重要。如某以时间为控制标准的测控系统,完成一次测控任务需1小时。在已执行测控50分钟的情况下,系统电压异常引起复位,此时若系统复位后又从头开始进行测控则会造成不必要的时间消耗。因此可通过一监测单元对当前系统的运行状态、系统时间予以监控,将控制过程分解为若干步或若干时间段,每执行完一步或每运行一个时间段则对监测单元置为关机允许值,不同的任务或任务的不同阶段有不同的值,若系统正在进行测控任务或正在执某时间段,则将监测单元置为非正常关机值。那么系统复位后可据此单元判系统原来的运行状态,并跳到出错处理程序中恢复系统原运行状态。

2.2 非正常复位后系统自恢复运行的程序设计

对顺序要求严格的一些过程控制系统,系统非正常复位否,一般都要求从失控的那一个模块或任务恢复运行。所以测控系统要作好重要数据单元、参数的备份,如系统运行状态、系统的进程值、当前输入、输出的值,当前时钟值、观测单元值等,这些数据既要定时备份,同时若有修改也应立即予以备份。

当在已判别出系统非正常复位的情况下,先要恢复一些必要的系统数据,如显示模块的初始化、片外扩展芯片的初始化等。其次再对测控系统的系统状态、运行参数等予以恢复,包括显示界面等的恢复。之后再把复位前的任务、参数、运行时间等恢复, 再进入系统运行状态。

应当说明的是,真实地恢复系统的运行状态需 要极为细致地对系统的重要数据予以备份,并加以数据可靠性检查,以保证恢复的数据的可靠性。

其次,对多任务、多进程测控系统,数据的恢复需考虑恢复的次序问题。

系统基本初始化是指对芯片、显示、输入输出方式等进行初始化,要注意输入输出的初始化不应造成误动作。而复位前任务的初始化是指任务的执行状态、运行时间等。

对于软件抗干扰的一些其它常用方法如数字滤波、RAM数据保护与纠错等,限于篇幅,本文未作讨论。在工程实践中通常都是几种抗干扰方法并用,互相补充 完善,才能取得较好的抗干扰效果。从根本上来说,硬件抗干扰是主动的,而软件是抗干扰是被动的。细致周到地分析干扰源,硬件与软件抗干扰相结合,完善系统监控程序,设计一稳定可靠的单片机系统是完全可行的。

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围观 16

单片机在正常工作时,因某种原因造成突然掉电,将会丢失数据存储器(RAM)里的数据。在某些应用场合如测量、控制等领域,单片机正常工作中采集和运算出一些重要数据,待下次上电后需要恢复这些重要数据。因此,在一些没有后备供电系统的单片机应用系统中,有必要在系统完全断电之前,把这些采集到的或计算出的重要数据存在在EEPROM中。为此,通常做法是在这些系统中加入单片机掉电检测电路与单片机掉电数据保存。

用法拉电容可从容实现单片机掉电检测与数据掉电保存。电路见下图。这里首先用6V供电(如7806),为什么用6V不用5V是显而易见的.电路中的二极管们一般都起两个作用,一是起钳位作用,钳去0.6V,保证使大多数51系列的单片机都能在4.5V--5.5V之间的标称工作电压下工作.而4.5-5.5间这1V电压在0.47F电容的电荷流失时间就是我们将来在单片机掉电检测报警后我们可以规划的预警回旋时间。二是利用单向导电性保证向储能电容0.47F/5.5V单向冲电。

两只47欧电阻作用:第一,对单片机供电限流。一般地单片机电源直接接7805上,这是个不保险的做法,为什么?因为7805可提供高达2A的供电电流,异常时足够把单片机芯片内部烧毁.有这个47欧姆电阻保护,即使把芯片或者极性插反也不会烧单片机和三端稳压器,但这个电阻也不能太大,上限不要超过220欧,否则对单片机内部编程时,会编程失败(其实是电源不足).第二,和47UF和0.01UF电容一起用于加强电源滤波.第三,对0.47F/5.5V储能电容,串入的这只47欧电阻消除"巨量法拉电容"的上电浪涌.实现冲电电流削峰。

“”

现在我们算一算要充满0.47F电容到5.5V,即使用5.5A恒流对0.47F电容冲电,也需要0.47秒才能冲到5.5V,因此我们可以知道:

1.如果没有47欧姆电阻限流,上电瞬间三端稳压器必然因强大过电流而进入自保.

2.长达0.47秒(如果真有5.5A恒流充电的话)缓慢上电,如此缓慢的上电速率,将使得以微分(RC电路)为复位电路的51单片机因为上电太慢无法实现上电复位.(其实要充满0.47UF电容常常需要几分种).

3.正因为上电时间太慢,将无法和今天大多数主流的以在线写入(ISP)类单片机与写片上位计算机软件上预留的等待应答时间严重不匹配(一般都不大于500MS),从而造成应答失步,故总是提示"通信失败".

知道这个道理你就不难理解这个电路最上面的二极管和电阻串联起来就是必须要有上电加速电路.这里还用了一只(内部空心不带蓝色的)肖特基二极管(1N5819)从法拉电容向单片机VCC放电,还同时阻断法拉电容对上电加速电路的旁路作用,用肖特基二极管是基于其在小电流下导通电压只有0.2V左右考虑的,目的是尽量减少法拉电容在单片机掉电时的电压损失.多留掉点维持时间。

三极管9014和钳制位二极管分压电阻垫位电阻(470欧姆)等构成基极上发射极双端输入比较器,实现单片机掉电检测和发出最高优先级的掉电中断,单片机掉电保存程执行。这部分电路相当于半只比较器LM393,但电路更简单耗电更省(掉电时耗电小于0.15MA).

47K电阻和470欧姆二极管1N4148一道构成嵌位电路,保证基极电位大约在0.65V左右 (可这样计算0.6(二极管导通电压)+5*0.47/47),这样如果9014发射极电压为0(此时就是外部掉电),三极管9014正好导通,而且因为51单片机P3.2高电平为弱上拉(大约50UA),此时9014一定是导通且弱电流饱和的,这样就向单片机内部发出最高硬件优先级的INX0掉电检测中断.

而在平时正常供电时,因发射极上也大约有6*0.22/2.2=0.6V电压上顶,不难发现三极管9014一定处于截止状态,而使P3.2维持高电平的,单片机掉电保存中断程序不被触发。

最后还有两个重要软件和硬件note:

软件上:首先INX0在硬件上(设计)是处于最高优先级的,这里还必须要在软件保证最高级别的优先.从而确保单片机掉电时外部中断0能打断其他任何进程,最高优先地被检测和执行.其次在INX0的掉电保存写入子程序模块入口,还要用:

MOV P1,#00H
MOV P2,#00H
MOV P3,#00H
MOV P0,#00H
SJMP 掉电保存

来阻断法拉电容的电荷通过单片机口线外泄和随后跳转掉电保存写入子程序模块.(见硬件要点)

硬件上:凡是驱动单片机外部口线等的以输出高电平驱动外部设备,其电源不能和电片机的供电电压VCC去争抢(例如上拉电阻供电不取自单片机VCC).而应直接接在电源前方,图中4.7K电阻和口线PX.Y就是一个典型示例,接其它口线PX.Y'和负载也雷同.这里与上拉4.7K电阻相串联二极管也有两个作用:1、钳去0.6V电压以便与单片机工作电压相匹配,防止口线向单片机内部反推电.造成单片机口线功能紊乱.2、利用二极管单向供电特性,防止掉电后单片机通过口线向电源和外部设备反供电.

上面的单片机掉电检测电路,在与掉电保存写入子程序模块结合起来就可以保证在单片机掉电期间,不会因法拉电容上的积累电荷为已经掉电的外部电路无谓供电和向电源反供电造成电容能量泄放缩短掉电维持时间.

有了这些基础,我们来计算0.47UF的电容从5.5V跌落到4.5V(甚至可以下到3.6V)所能维持的单片机掉电工作时间.这里假设设单片机工作电流为20MA(外设驱动电流已经被屏蔽)不难算出:

T=1V*0.47*1000(1000是因为工作电流为豪安)/20=23.5秒!

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围观 6

刚拿到STM32时,你只编写一个死循环

“”

编译后,就会发现这么个程序已用了1600多的RAM,这要是在51单片机上,会心疼死了,这1600多的RAM跑哪儿去了,分析.map文件,你会发现是堆和栈占用的

在startup_stm32f10x_md.s文件中,它的前面几行就有以下定义:

“”

这下明白了吧,STM32在启动的时候,RAM首先分配给使用到的全局变量,还有调用库占用的一些数据(不太清楚是什么数据),然后再将剩余的空间分配给Heap和Stack。由于内存空间是启动时实现分配好的,所以当动态分配内存的需求过多的时候,就会产生堆栈空间不足的问题。

查阅网上的资料,理解堆和栈的区别:

- (1)栈区(stack):由编译器自动分配和释放,存放函数的参数值、局部变量的值等,其操作方式类似于数据结构中的栈。

- (2)堆区(heap):一般由程序员分配和释放,若程序员不释放,程序结束时可能由操作系统回收。分配方式类似于数据结构中的链表。

- (3)全局区(静态区)(static):全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的全局变量和静态变量在一块区域,未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统自动释放。

- (4)文字常量区:常量字符串就是存放在这里的。

- (5)程序代码区:存放函数体的二进制代码。

例如:

“”

所以堆和栈的区别:

- stack的空间由操作系统自动分配/释放,heap上的空间手动分配/释放。
- stack的空间有限,heap是很大的自由存储区。
- 程序在编译期和函数分配内存都是在栈上进行,且程序运行中函数调用时参数的传递也是在栈上进行。

显然 Cortex-m3资料可知:__initial_sp是堆栈指针,它就是FLASH的0x8000000地址前面4个字节(它根据堆栈大小,由编译器自动生成)
显然堆和栈是相邻的。

“”

堆和栈空间分配:
- 栈:向低地址扩展
- 堆:向高地址扩展

显然如果依次定义变量,先定义的栈变量的内存地址比后定义的栈变量的内存地址要大,先定义的堆变量的内存地址比后定义的堆变量的内存地址要小。

堆和栈变量:
- 栈:临时变量,退出该作用域就会自动释放
- 堆:malloc变量,通过free函数释放

写程序时应该注意:

1. 所以最好是不要调用太深。
2. 局部变量不要太大太多,如局部数组,超过某个数量需定义为全局数组,因为局部数组同样储存在堆栈中。

本文转载自:lighthear的博客
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围观 10

对于新手来说,在单片机的电路设计中可能不会很注意电路设计中电磁干扰对设计本身的输入输出的影响,但是对于一个电子工程师来说其中的厉害关系就不言而喻了,它不仅关系了单片机在控制在中的能力和准确度,还关系到企业在行业中的竞争。

对电磁干扰的设计我们主要从硬件和软件方面进行设计处理,下面就是从单片机的PCB设计到软件处理方面来介绍对电磁兼容性的处理。

一、影响EMC的因数

1.电压

电源电压越高,意味着电压振幅越大,发射就更多,而低电源电压影响敏感度。

2.频率

高频产生更多的发射,周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中,当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中,当负载电流变化时产生电流尖峰信号。

3.接地

在所有EMC题目中,主要题目是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在频率低于1MHz时,可采用单点接地方法,但不适宜高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的接地电路尽不能混合。

4.PCB设计

适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。

5.电源往耦

当器件开关时,在电源线上会产生瞬态电流,必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压,高di/dt产生大范围的高频电流,激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降,减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

二、对干扰措施的硬件处理方法

1.印刷线路板(PCB)的电磁兼容性设计

PCB是单片机系统中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对单片机系统的电磁兼容性影响很大,实践证实,即使电路原理图设计正确,印刷电路板设计不当,也会对单片机系统的可靠性产生不利影响。例如,假如印刷电路板的两条细平行线靠的很近,会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声。因此,在设计印刷电路板的时候,应留意采用正确的方法,遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰的设计要求。要使电子电路获得最佳性能,元器件的布局及导线的布设是很重要的。

2.输入/输出的电磁兼容性设计

在单片机系统中输进/输出也是干扰源的传导线,和接收射频干扰信号的拾检源,我们设计时一般要采取有效的措施:

①采用必要的共模/差模抑制电路,同时也要采取一定的滤波和防电磁屏蔽措施以减小干扰的进进。
②在条件许可的情况下尽可能采取各种隔离措施(如光电隔离或者磁电隔离),从而阻断干扰的传播。

3.单片机复位电路的设计

在的单片机系统中,看门狗系统对整个单片机的运行起着特别重要的作用,由于所有的干扰源不可能全部被隔离或往除,一旦进进CPU干扰程序的正常运行,那么复位系统结合软件处理措施就成了一道有效的纠错防御的屏障了。常用的复位系统有以下两种:

①外部复位系统。外部“看门狗”电路可以自己设计也可以用专门的“看门狗”芯片来搭建。然而,他们各有优缺点,大部分专用“看门狗”芯片对低频 “喂狗”信号不能响应,而高频“喂狗”信号都能响应,使其在低频“喂狗”信号下产生复位动作而在高频的“喂狗”信号下不产生复位动作,这样,假如程序系统陷进一个死循环,而该循环中恰巧有着“喂狗”信号的话,那么该复位电路就无法实现它的应有的功能了。然而,我们自己可以设计一个具有带通的“喂狗”电路和其他复位电路构成的系统就是一个很有效外部监控系统了。

②现在越来越多的单片机都带有自己的片上复位系统,这样用户就可以很方便的使用其内部的复位定时器了,但是,有一些型号的单片机它的复位指令太过于简单,这样也会存在象上述死循环那样的“喂狗”指令,使其失往监控作用。有一些单片机的片上复位指令就做的比较好,一般他们把“喂狗”信号做成固定格式的多条指令依顺序来执行,假如有一定错误则该“喂狗”操纵无效,这样就大大进步了复位电路的可靠性。

4.振荡器

大部分的单片机都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。在PCB上,要求外接是电容、晶体或陶瓷谐振器的引线越短越好。RC振荡器对干扰信号有潜伏的敏感性,它能产生很短的时钟周期,因而最好选晶体或陶瓷谐振器。另外,石英晶体的外壳要接地。

5.防雷击措施

室外使用的单片机系统或从室外排挤引进室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击题目。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。气体放电管是当电源的电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导进大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃上千A的电流。

三、对干扰措施的软件处理方法

电磁干扰源所产生的干扰信号在一些特定的情况下(比如在一些电磁环境比较恶劣的情况下)是无法完全消除的,终极将会进进CPU处理的的核心单元,这样在一些大规模集成电路经常会受到干扰,导致不能正常工作或在错误状态下工作。特别是像RAM这种利用双稳态进行存储的器件,往往会在强干扰下发生翻转,使原来存储的“0”变为“1”,或者“1”变为“0”;一些串行传输的时序及数据会因干扰而发生改变;更严重的会破坏一些重要的数据参数等;造成的后果往往是很严重的。在这种情况下软件设计的好坏直接影响到整个系统的抗干扰能力的高低。

1. 程序会由于电磁干扰大致会一下几种情况:

①程序跑飞。
这种情况是最常见的干扰结果,一般来说有一个好的复位系统或软件帧测系统即可,对整个运行系统的不会产生太大的影响。

②死循环或不正常程序代码运行。
当然这种死循环和不正常程序代码并非设计职员有意写进的,我们知道程序的指令是由字节组成的,有的是单字节指令而有的是多字节指令,当干扰产生后使得 PC指针发生变化,从而使原来的程序代码发生了重组产生了不可猜测的可执行的程序代码,那么,这种错误是致命的,它会有可能会往修改重要的数据参数,有可能产生不可猜测的控制输出等一系列错误状态。

2.对重要参数储存的措施

一般情况下,我们可以采用错误检测与纠正来有效地减少或避免这种情况的出现。根据检错、纠错的原理,主要思想是在数据写进时,根据写进的数据天生一定位数的校验码,与相应的数据一起保存起来;当读出时,同时也将校验码读出,进行判决。假如出现一位错误则自动纠正,将正确的数据送出,并同时将改正以后的数据回写覆盖原来错误的数据;假如出现两位错误则产生中断报告,通知CPU进行异常处理。所有这一切动作都是靠软件设计自动完成的,具有实时性和自动完成的特点。通过这样的设计,能大大进步系统的抗干扰能力,从而进步系统的可靠性。
检错与纠错原理:

首先来看看检错和纠错的基本原理。进行差错控制的基本思想是在信息码组中以一定规则加进不同方式的冗余码,以便在信息读出的时候依靠多余的监视码或校码码来发现或自动纠正错误。

针对误码发生的特点,即错误发生的随机性和小概任性,它几乎总是随机地影响某个字节中的某一位(bit),因此,假如能够设计自动纠正一位错误,而检查两位错误的编码方式。就可以大大进步系统的可靠性。

3.对RAM和FLASH(ROM)的检测

在编制程序时我们最好是写进一些检测程序来测试RAM和FLASH(ROM)的数据代码,看有无发生错误,一旦发生要立即纠正,纠正不了的要及时给出错误指示,以便用户往处理。

另外,在编制程序时加进程序冗余是不可缺少的。在一定的地方加进三条或三条以上NOP指令对程序的重组有着很有效防止作用。同时,在程序的运行状态中要引进标志数据和检测状态,从而及时发现和纠正错误产生。

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围观 5

(1)存储器扩展:容量需求,在选择时就考虑到单片机的内部存储器资源,如能满足要求就不需要进行扩展,在必须扩展时注意存储器的类型、容量和接口,一般尽量留有余地,并且尽可能减少芯片的数量。选择合适的方法、ROM和RAM的形式,RAM是否要进行掉电保护等。

(2)I/O接口的扩展:单片机应用系统在扩展I/O接口时应从体积、价格、负载能力、功能等几个方面考虑。应根据外部需要扩展电路的数量和所选单片机的内部资源(空闲地址线的数量)选择合适的地址译码方法。

(3)输入通道的设计:输入通道设计包括开关量和模拟输入通道的设计。开关量要考虑接口形式、电压等级、隔离方式、扩展接口等。模拟量通道的设计要与信号检测环节(传感器、信号处理电路等)结合起来,应根据系统对速度、精度和价格等要求来选择,同时还需要和传感器等设备的性能相匹配,要考虑传感器类型、传输信号的形式(电流还是电压)、线性化、补偿、光电隔离、信号处理方式等,还应考虑A/D转换器的选择(转换精度、转换速度、结构、功耗等)及相关电路、扩展接口,有时还涉及软件的设计。高精度的模数转换器价格十分昂贵,因而应尽量降低对A/D转换器的要求,能用软件实现的功能尽量用软件来实现。

“”

(4)输出通道的设计:输出通道设计包括开关量和模拟量输出通道的设计。开关量要考虑功率、控制方式(继电器、可控硅、三极管等)。模拟量输出要考虑D/A转换器的选择(转换精度、转换速度、结构、功耗等)、输出信号的形式(电流还是电压)、隔离方式、扩展接口等。

(5)人机界面的设计:人机界面的设计包括输入键盘、开关、拨码盘、启/停操作、复位、显示器、打印、指示、报警等。输入键盘、开关、拨码盘应考虑类型、个数、参数及相关处理(如按键的去抖处理)。启/停、复位操作要考虑方式(自动、手动)及其切换。显示器要考虑类型(LED,LCD)、显示信息的种类、倍数等。此外还要考虑各种人机界面的扩展接口。

(6)通信电路的设计:单片机应用系统往往作为现场测控设备,常与上位机或同位机构成测控网络,需要其有数据通信的能力,通常设计为RS-232C、RS-485、红外收发等通信标准。

(7)印刷电路板的设计与制作:电路原理图和印刷电路板的设计常采用专业设计软件进行设计,如Protel,OrCAD等。设计印刷电路板需要有很多的技巧和经验,设计好印刷电路板图后应送到专业化制作厂家生产,在生产出来的印刷电路板上安装好元件,则完成和制作。

(8)负载容限的考虑:单片机总线的负载能力是有限的。如MCS-51的P0口的负载能力为4mA,最多驱动8个TTL电路,P1~P3口的负载能力为2mA,最多驱动4个TTL电路。若外接负载较多,则应采取总线驱动的方法提高系统的负载容限。常用驱动器有:单向驱动器74LS244,双向驱动器74LS245等。

(9)信号逻辑电平兼容性的考虑:在所设计的电路中,可能兼有TTL和CMOS器件,也有非标准的信号电平,要设计相应的电平兼容和转换电路。当有RS-232,RS-485接口时,还要实现电平兼容和转换。常用的集成电路有MAX232,MAX485等。

(10)电源系统的配置:单片机应用系统一定需要电源,要考虑电源的组数、输出功率、抗干扰。要熟悉常用三端稳压器(78хх系列、79хх系列)、精密电源(AD580,MC1403,CJ313/336/385,W431)的应用。

(11)抗干扰的实施:采取必要的抗干扰措施是保证单片机系统正常工作的重要环节。它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。

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