對(duì)于微機(jī)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性是至關(guān)重要的，只有高可靠性才能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因工作環(huán)境惡劣，干擾源較多，對(duì)于那些需要作連續(xù)數(shù)據(jù)記錄的智能儀器對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求更高。本文以智能電能表的抗干擾設(shè)計(jì)為例，根據(jù)電能表的工作環(huán)境特點(diǎn)，分析了影響電能表可靠性的因素，并針對(duì)影響其可靠性最為嚴(yán)重的供電系統(tǒng)干擾，提出了相應(yīng)的抗干擾措施。

一、引言
對(duì)于微機(jī)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性是至關(guān)重要的，只有高可靠性才能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因工作環(huán)境惡劣，干擾源較多，對(duì)于那些需要作連續(xù)數(shù)據(jù)記錄的智能儀器對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求更高，這類儀器的特點(diǎn)是：能夠根據(jù)用戶的要求選擇量程范圍，掉電時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)記錄，其中包括用戶設(shè)定的量程參數(shù)和累加記錄的數(shù)據(jù)結(jié)果等；而當(dāng)系統(tǒng)上電恢復(fù)工作時(shí)又能將保存的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的讀出，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)作累加記錄。但在上電或掉電階段，系統(tǒng)工作狀態(tài)往往不夠穩(wěn)定，容易造成讀寫數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，需要在硬件和軟件設(shè)計(jì)上采取抗干擾和容錯(cuò)措施。本文以智能電能表的抗干擾設(shè)計(jì)為例，根據(jù)電能表的工作環(huán)境特點(diǎn)，分析了影響電能表可靠性的因素，并針對(duì)影響其可靠性最為嚴(yán)重的供電系統(tǒng)干擾，提出了相應(yīng)的抗干擾措施。

二、系統(tǒng)功能電路圖
圖1給出系統(tǒng)中與本文內(nèi)容相關(guān)的功能電路圖，其功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)掉電時(shí)記錄數(shù)據(jù)保護(hù)，系統(tǒng)上電工作時(shí)恢復(fù)記錄數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)功能圖

電路中包括一個(gè)單片機(jī)AT89C52，一個(gè)看門狗芯片MAX813，一個(gè)E2PROM存儲(chǔ)芯片AT24C02，一個(gè)電壓比較器A由LM393芯片構(gòu)成，兩個(gè)反相器由74HC04芯片構(gòu)成。兩反向器用于實(shí)現(xiàn)電壓匹配，以確保外部中斷信號(hào)電壓在0～5V。電壓比較器是在系統(tǒng)掉電時(shí)發(fā)出外部中斷信號(hào)，保證系統(tǒng)在停止工作前，將記錄在單片機(jī)內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)，保存到掉電保護(hù)芯片AT24C02中。圖中僅用了一片AT24C02，所以片選端A0、A1和A2接地。WP為寫保護(hù)輸入端即當(dāng)其為高電平時(shí)具有寫保護(hù)功能，低電平時(shí)可進(jìn)行正常的讀寫，SCL為串行時(shí)鐘輸入端，SDL為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端。AT24C02是Atmel公司生產(chǎn)的，具有I2C總線接口的串行E2PROM。AT24C02自定時(shí)寫周期包括自動(dòng)擦除時(shí)間不超過(guò)10ms，典型時(shí)間為5ms，擦寫次數(shù)一般為10萬(wàn)次以上，寫人數(shù)據(jù)的有效保存時(shí)問(wèn)一般可達(dá)100年，采用單一電源供電，電源電壓為5V。

三、影響系統(tǒng)正常工作的干擾因素
對(duì)于微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，工作環(huán)境中會(huì)遇到各種干擾，按竄入微機(jī)系統(tǒng)的渠道主要有三種：空間干擾，如電磁輻射；供電系統(tǒng)干擾，如電網(wǎng)的欠壓或過(guò)壓等；過(guò)程通道干擾，如測(cè)量通道中的干擾。其中供電系統(tǒng)的干擾最為嚴(yán)重。大部分微機(jī)嵌入式系統(tǒng)的直流電源都是通過(guò)市電經(jīng)過(guò)整流、穩(wěn)壓、濾波后提供的，然而電網(wǎng)電壓并非純凈的正弦波，其污染程度不容忽視。在工礦企業(yè)中，電網(wǎng)的污染主要來(lái)自各電氣設(shè)備的投切、故障跳閘和對(duì)地短路等原因。

對(duì)一機(jī)械制造廠車間電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)表明，平均2～3小時(shí)出現(xiàn)一次欠壓，最大欠壓約為40伏，最長(zhǎng)時(shí)間達(dá)2秒，平均為0.3秒。平均5～6小時(shí)出現(xiàn)一次過(guò)壓，最大過(guò)壓為17伏，最大過(guò)壓時(shí)間為0.8秒，平均為0.2秒。
另外，除電網(wǎng)竄入的干擾外，電源電路本身也是一個(gè)干擾源，例如電源電路本身產(chǎn)生的紋波和自激振蕩，開關(guān)電源產(chǎn)生的尖鋒脈沖噪聲等。研究表明，浪涌與下陷幅度過(guò)大也會(huì)影響系統(tǒng)正常工作，如果有連續(xù)幾個(gè)±10%?！?5%的浪涌或下陷，由此造成的振蕩能產(chǎn)生±30%～±40%的電源電壓變化，而使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤的原因，主要集中在系統(tǒng)上電階段和系統(tǒng)工作階段電網(wǎng)電壓波動(dòng)，即供電系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。因而本文針對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，在系統(tǒng)硬件上和軟件上分別采用相應(yīng)的抗干擾措施。

另外，對(duì)于記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求極高的系統(tǒng)，為了保證記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，防止系統(tǒng)在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤以及存儲(chǔ)器部分存儲(chǔ)單元損壞造成的記錄數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，還必須通過(guò)多次記錄的方法，即數(shù)據(jù)備份冗余來(lái)提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

四、系統(tǒng)硬件抗干擾措施
對(duì)于具有掉電保護(hù)記錄功能的系統(tǒng)，必須提高供電系統(tǒng)供電質(zhì)量，如使用各種穩(wěn)壓器、電源調(diào)節(jié)器等措施消除電網(wǎng)噪聲影響。對(duì)于印刷電路板電感造成的供電電壓上升緩慢的影響，可采用給PCB板上的集成電路增加去耦電容方法來(lái)解決，電容容量一般取0.01μF～0.1μF。

為了有效地消除系統(tǒng)因電源電壓波動(dòng)造成誤中斷的影響，在系統(tǒng)硬件電路上仍要采取相應(yīng)的措施，解決由電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的電壓比較器A的誤翻轉(zhuǎn)。為此，本系統(tǒng)電路中的電壓比較電路采用施密特電路結(jié)構(gòu)，施密特電路的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，能夠有效地消除電路中各種噪聲和電壓波動(dòng)的影響，使比較器輸出波形不因各種干擾的影響而出現(xiàn)無(wú)故的翻轉(zhuǎn)，從而減少因干擾而引起的誤中斷信號(hào)，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，也可減少AT24C02的誤擦寫次數(shù)，從而可以提高AT24C02的使用壽命，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

五、系統(tǒng)軟件抗干擾措施
硬件上雖對(duì)電壓波動(dòng)的干擾采取了一定措施，但對(duì)CPU與存儲(chǔ)器的工作狀態(tài)匹配，系統(tǒng)上電過(guò)程中產(chǎn)生外部誤中斷干擾及系統(tǒng)工作過(guò)程中的電壓波動(dòng)的誤中斷的克服仍需采用軟件方法。軟件的抗干擾措施主要是針對(duì)兩個(gè)方面的干擾影響：一個(gè)是系統(tǒng)上電階段，系統(tǒng)工作不協(xié)調(diào)可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)讀寫錯(cuò)誤；一個(gè)是系統(tǒng)工作過(guò)程中供電電壓波動(dòng)干擾造成的誤中斷，而造成不必要的對(duì)AT24C02的寫操作。

對(duì)于智能累加性記錄儀器，剛開始工作時(shí)，必須讀出上次記錄結(jié)果，以及用戶所設(shè)定的一些量程和換算比例參數(shù)等。在系統(tǒng)上電過(guò)程中，存在兩種造成讀寫數(shù)據(jù)出錯(cuò)的干擾。 1. 對(duì)供電電源上升緩慢干擾的克服
由于PCB板印制線條電感的影響，電源電壓上升緩慢，當(dāng)CPU已正常工作時(shí)，電壓比較電路輸出仍為低電平，發(fā)出外部中斷信號(hào)。雖然AT24C02帶有寫保護(hù)端，但因系統(tǒng)工作不穩(wěn)，如不采取必要的軟件處理措施，仍會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生中斷響應(yīng)，而誤改記錄結(jié)果，即將上電階段CPU的RAM中的隨機(jī)數(shù)寫入AT24C02。因此，必須在軟件上使CPU等待，只有當(dāng)比較電路輸出電平為高后，才允許CPU讀外部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，然后才可打開中斷，允許中斷。

2. 對(duì)系統(tǒng)各部分工作狀態(tài)不匹配干擾克服
系統(tǒng)上電過(guò)程中，還存在CPU和存儲(chǔ)器工作狀態(tài)的匹配問(wèn)題，即在讀取數(shù)據(jù)前，必須先判斷外部存儲(chǔ)器是否已正常工作。因此，需測(cè)試AT24C02的工作狀態(tài)，即向存儲(chǔ)器中送入特征字，然后再讀出來(lái)，并判斷結(jié)果是否與送入的特征數(shù)據(jù)一樣，如相同，證明外部存儲(chǔ)器已正常工作，否則等待10ms，再送入特征字，直到讀出結(jié)果和寫入的數(shù)據(jù)相同，特征字可用55H（01010101B）或AAH（10101010B）。但由于AT24C02擦寫次數(shù)是有限的，為防止可能出現(xiàn)的惡性情況，當(dāng)測(cè)試3次仍不正確的話，CPU進(jìn)入死循環(huán)，在死循環(huán)中不訪問(wèn)看門狗，超過(guò)一定時(shí)間后（大約1.6s，看門狗允許最大訪問(wèn)時(shí)間間隔），看門狗發(fā)出復(fù)位信號(hào)，重新啟動(dòng)CPU。系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程抗干擾程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖2所示。

當(dāng)系統(tǒng)正常工作后，對(duì)于電網(wǎng)電壓欠壓造成的電壓波動(dòng)，雖在硬件上采用了抗干擾措施，但當(dāng)欠壓過(guò)大，仍會(huì)使電壓比較器誤翻轉(zhuǎn)，引起不必要的外部中斷。在軟件上仍需進(jìn)行必要的處理，即在進(jìn)入外部中斷響應(yīng)后，程序需等待300ms，并判斷外部中斷信號(hào)是否仍為低電平，當(dāng)外部中斷信號(hào)電平變高時(shí)，應(yīng)結(jié)束中斷，返回正常工作；當(dāng)300ms后仍為低電平，CPU才進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)保護(hù)記錄。300ms是根據(jù)電網(wǎng)的欠壓的平均值確定的。

六、系統(tǒng)的容錯(cuò)措施
對(duì)于數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確性要求極高的微機(jī)系統(tǒng)，除了必要的抗干擾措施，還必須具有容錯(cuò)能力。所謂的容錯(cuò)，就是通過(guò)增加冗余資源的方法來(lái)掩蓋故障造成的影響，使得系統(tǒng)即使出錯(cuò)或發(fā)生故障，其功能仍不受影響。對(duì)于數(shù)據(jù)記錄的容錯(cuò)方法就是通過(guò)數(shù)據(jù)多次備份。本系統(tǒng)中采用了常用的三模冗余（Triple Modular Redundancy，TMR）方法，即對(duì)需要記錄的數(shù)據(jù)記錄三次，讀出時(shí)兩兩進(jìn)行比較，以比較結(jié)果來(lái)決定記錄結(jié)果正確與否。只有當(dāng)至少兩個(gè)記錄結(jié)果相同時(shí)，系統(tǒng)才能以此為基礎(chǔ)繼續(xù)累加記錄，否則發(fā)出出錯(cuò)信號(hào)報(bào)警。通過(guò)多次記錄能有效地克服單次記錄可能造成的錯(cuò)誤，并能有效地彌補(bǔ)因存儲(chǔ)器部分存儲(chǔ)單元物理介質(zhì)損壞而造成的數(shù)據(jù)記錄結(jié)果破壞，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性。

上述軟件抗干擾措施具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：
wdi equ p3.4
wp equ p3.5
ORG 0000H
ljmp main
ORG 0003H
ljmp int0
ORG 0030H
Main：……
setb wp；AT24C02寫保護(hù)，禁止寫入，但可正常讀
wait0：cpl wdi；訪問(wèn)看門狗
jnb p3.2，wait0；查看外部中斷電壓信號(hào)是否已變高
mov r1，#10；當(dāng)外部中斷消失后再等l0ms
waita：mov r0,#250
wait1：cpl wdi
nop
djnz r0，waitl
jnb p3.2，wait0
djnz r1，waita
clr wp；取消寫保護(hù)
mov r0，#3
retry：mov a，#55H；正常后，檢查外部存儲(chǔ)器是否正常工作送人；特征字#55H
mov b．#XXH；#XXH為外部存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元地址
lcall wrt24c02
mov a，#XXH
lcall rd24c02
cjne a，#55H，number
……；省略的為讀出記錄數(shù)據(jù)和結(jié)果比較程序
setb ea：開中斷進(jìn)入主循環(huán)
limp loop
number：djnz r0，retry
waitrest：ajmp waitrest；等待看門狗復(fù)位，重啟
loop：……
……
ljmp loop
int0：push psw
push acc
mov r0，#100
intwait0：mov r1#250

intwaitl：cpl wdi；進(jìn)人中斷后等待大約l00ms，以防止電；網(wǎng)波動(dòng)造成的誤中斷
nop
djnz r1，intwaitl
djnz r0，intwait0
jb p3.2，noclose；當(dāng)l00ms后中斷信號(hào)消失，結(jié)束中斷
mov r0，#ramaddreH；#ramaddreH為CPU中記錄數(shù)據(jù)的地址，有兩個(gè)字節(jié)
mov b，#rom24c02H；#rom24c02H為E2PROM中要寫入的單元地址
mov a，@r0
lcall wrt24e02
inc r0

mov a，@r0
mov b，#rom24c02H+1
lcall rt24c02
intwait：ajmp intwait；數(shù)據(jù)寫完以后，在此等待直到完全關(guān)機(jī)
noclose：pop acc
pop psw
reti
……
end
wrt24c02，rd24c02是寫和讀AT24C02子程序，由于AT89C52無(wú)I2c串行接口，所以是以軟件模擬12C串口。因篇幅有限，這里省略了有關(guān)讀寫程序。

需要說(shuō)明的是，對(duì)于進(jìn)入外部中斷int0后，在進(jìn)行數(shù)據(jù)保存前，等待300ms，這一時(shí)間是根據(jù)電網(wǎng)欠壓平均時(shí)間確定的，但要確保外部電源下降到CPU停止工作前，即2.7V前，將要保存的數(shù)據(jù)可靠地寫入AT24C02中。本文中的電能表電能讀數(shù)的表示是用三個(gè)字節(jié)來(lái)表示的，并且每一個(gè)數(shù)據(jù)要保存三次，共需寫入9個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)寫操作需5ms，共要45ms，考慮可能出現(xiàn)最長(zhǎng)的寫入時(shí)間，故選擇總寫入時(shí)間為100ms。因而需要選擇合適的分壓電阻R6和R8或穩(wěn)壓二極管z來(lái)確保電壓比較器的翻轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)，用以保證系統(tǒng)在掉電時(shí)響應(yīng)外部中斷到停止工作前，有0.4s的時(shí)間間隔，確保將要保存的數(shù)據(jù)可靠地寫入存儲(chǔ)器，又盡可能地減少因誤中斷造成的不必要的數(shù)據(jù)擦寫。

七、結(jié)束語(yǔ)
實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，采用上述的硬件和軟件兩方面的抗干擾設(shè)計(jì)方法及數(shù)據(jù)冗余措施，大大地提高系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)性，有效地克服了各種干擾因素造成記錄數(shù)據(jù)出錯(cuò)的可能性，保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高了產(chǎn)品在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性。因而，對(duì)于智能記錄儀器的數(shù)據(jù)記錄來(lái)說(shuō)，這一硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾設(shè)計(jì)方法和容錯(cuò)技術(shù)是有效的，可行的。