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單片機
來源︰亚博登录平台|官网科技開發有限公司作者︰日期︰2015-02-09 16:14:49點擊︰11656次
單片機(Microcontrollers)是一種集成電路芯片,是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能(可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)集成到一塊 片上構成的一個小而完善的微型計算機系統,在工業控制領域廣泛應用。從上世紀80年代,由當時的4位、8位單片機,發展到現在的300M的高速單片機。
中文名
單片機
外文名
Microcontrollers
類    別
電路芯片
種    類
3種
 
 

1簡介

單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機,和計算機相比,單片機只缺少了I/O設備。概括的講︰一塊芯片就成了一台計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時,學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。
單片機的使用領域已十分廣泛,如亚博登录平台儀表、實時工控、通訊設備、導航系統、家用電器等。各種產品一旦用上了單片機,就能起到使產品升級換代的功效,常在產品名稱前冠以形容詞——“亚博登录平台型”,如亚博登录平台型洗衣機等 。
 

2應用分類

單片機(Microcontrollers)作為計算機發展的一個重要分支領域,根據發展情況,從不同角度,單片機大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。

通用型

這是按單片機(Microcontrollers)適用範圍來區分的。例如,80C51式通用型單片機,它不是為某種專門用途設計的;專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的,例如為了滿足電子體溫計的要求,在片內集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。

總線型

這是按單片機(Microcontrollers)是否提供並行總線來區分的。總線型單片機普遍設置有並行地址總線、 數據總線、控制總線,這些引腳用以擴展並行外圍器件都可通過串行口與單片機連接,另外,許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內,因此在許多情況下可以不要並行擴展總線,大大減省封裝成本和芯片體積,這類單片機稱為非總線型單片機。

控制型

這是按照單片機(Microcontrollers)大致應用的領域進行區分的。一般而言,工控型尋址範圍大,運算能力強;用于家電的單片機多為專用型,通常是小封裝、低價格,外圍器件和外設接口集成度高。 顯然,上述分類並不是惟一的和嚴格的。例如,80C51類單片機既是通用型又是總線型,還可以作工控用。
 

3發展歷史

單片機(Microcontrollers)誕生于1971年,經歷了SCM、MCU、SoC三大階段,早期的SCM單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051,此後在8051上發展出了MCS51系列MCU系統。基于這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。隨著工業控制領域要求的提高,開始出現了16位單片機,但因為性價比不理想並未得到很廣泛的應用。90年代後隨著消費電子產品大發展,單片機技術得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是後來的ARM系列的廣泛應用,32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位,並且進入主流市場。
而傳統的8位單片機的性能也得到了飛速提高,處理能力比起80年代提高了數百倍。高端的32位Soc單片機主頻已經超過300MHz,性能直追90年代中期的專用處理器,而普通的型號出廠價格跌落至1美元,最高端的型號也只有10美元。
當代單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用,大量專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統。

主要階段

早期階段
SCM即單片微型計算機(Microcontrollers)階段,主要是尋求最佳的單片形態嵌入式系統的最佳體系結構。“創新模式”獲得成功,奠定了SCM與通用計算機完全不同的發展道路。在開創嵌入式系統獨立發展道路上,Intel公司功不可沒。
中期發展
MCU即微控制器(Micro Controller Unit)階段,主要的技術發展方向是︰不斷擴展滿足嵌入式應用時,對象系統要求的各種外圍電路與接口電路,突顯其對象的亚博登录平台化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統相關,因此,發展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看,Intel逐漸淡出MCU的發展也有其客觀因素。在發展MCU方面,最著名的廠家當數Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優勢,將MCS-51從單片微型計算機迅速發展到微控制器。因此,當我們回顧嵌入式系統發展道路時,不要忘記Intel和Philips的歷史功績。
當前趨勢
SoC嵌入式系統(System on Chip)式的獨立發展之路,向MCU階段發展的重要因素,就是尋求應用系統在芯片上的最大化解決,因此,專用單片機的發展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發展,基于SoC的單片機應用系統設計會有較大的發展。因此,對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統。

早期發展

1971年intel公司研制出世界上第一個4位的微處理器;Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel 4004,標志著第一代微處理器問世,微處理器和微機時代從此開始。因發明微處理器,霍夫被英國《經濟學家》雜志列為“二戰以來最有影響力的7位科學家”之一。
1971年11月,Intel推出MCS-4微型計算機系統(包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器)其中4004(下圖)包含2300個晶體管,尺寸規格為3mm×4mm,計算性能遠遠超過當年的ENIAC,最初售價為200美元。
1972年4月,霍夫等人開發出第一個8位微處理器Intel 8008。由于8008采用的是P溝道MOS微處理器,因此仍屬第一代微處理器。
1973年intel公司研制出8位的微處理器8080;1973年8月,霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080,以N溝道MOS電路取代了P溝道,第二代微處理器就此誕生。
主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍,可存取64KB存儲器,使用了基于6微米技術的6000個晶體管,處理速度為0.64MIPS(Million Instructions Per Second )。
1975年4月,MITS發布第一個通用型Altair 8800,售價375美元,帶有1KB存儲器。這是世界上第一台微型計算機。
1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的單片機,這也是單片機的問世。
Zilog公司于1976年開發的Z80微處理器,廣泛用于微型計算機和工業自動控制設備。當時,Zilog、Motorola和Intel在微處理器領域三足鼎立。
20世紀80年代初,Intel公司在MCS-48系列單片機的基礎上,推出了MCS-51系列8位高檔單片機。MCS-51系列單片機無論是片內RAM容量,I/O口功能,系統擴展方面都有了很大的提高。
 

4硬件特性

1、主流單片機包括CPU、4KB容量的RAM、128 KB容量的ROM、 2個16位定時/計數器、4個8位並行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。
2、系統結構簡單,使用方便,實現模塊化;
3、單片機可靠性高,可工作到10^6 ~10^7小時無故障;
4、處理功能強,速度快。
5、低電壓,低功耗,便于生產便攜式產品
6、控制功能強
7、環境適應能力強。
 

5基本結構

運算器

運算器由運算部件——算術邏輯單元(Arithmetic & Logical Unit,簡稱ALU)、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來的數據進行算術或邏輯運算,輸入來源為兩個8位數據,分別來自累加器和數據寄存器。ALU能完成對這兩個數據進行加、減、與、或、比較大小等操作,最後將結果存入累加器。例如,兩個數6和7相加,在相加之前,操作數6放在累加器中,7放在數據寄存器中,當執行加法指令時,ALU即把兩個數相加並把結果13存入累加器,取代累加器原來的內容6。
運算器有兩個功能︰
(1) 執行各種算術運算。
(2) 執行各種邏輯運算,並進行邏輯測試,如零值測試或兩個值的比較。
運算器所執行全部操作都是由控制器發出的控制信號來指揮的,並且,一個算術操作產生一個運算結果,一個邏輯操作產生一個判決。

控制器

控制器由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器和操作控制器等組成,是發布命令的“決策機構”,即協調和指揮整個微機系統的操作。其主要功能有︰
(1) 從內存中取出一條指令,並指出下一條指令在內存中的位置。
(2) 對指令進行譯碼和測試,並產生相應的操作控制信號,以便于執行規定的動作。
(3) 指揮並控制CPU、內存和輸入輸出設備之間數據流動的方向。
微處理器內通過內部總線把ALU、計數器、寄存器和控制部分互聯,並通過外部總線與外部的存儲器、輸入輸出接口電路聯接。外部總線又稱為系統總線,分為數據總線DB、地址總線AB和控制總線CB。通過輸入輸出接口電路,實現與各種外圍設備連接。

主要寄存器

(1)累加器A
圖1-2 單片機組成框圖
累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術和邏輯運算時它有雙功能︰運算前,用于保存一個操作數;運算後,用于保存所得的和、差或邏輯運算結果。
(2)數據寄存器DR
數據寄存器通過數據總線向存儲器和輸入/輸出設備送(寫)或取(讀)數據的暫存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令,也可以保存正在送往存儲器中存儲的一個數據字節等等。
(3)指令寄存器IR和指令譯碼器ID
指令包括操作碼和操作數。
指令寄存器是用來保存當前正在執行的一條指令。當執行一條指令時,先把它從內存中取到數據寄存器中,然後再傳送到指令寄存器。當系統執行給定的指令時,必須對操作碼進行譯碼,以確定所要求的操作,指令譯碼器就是負責這項工作的。其中,指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。
(4)程序計數器PC
PC用于確定下一條指令的地址,以保證程序能夠連續地執行下去,因此通常又被稱為指令地址計數器。在程序開始執行前必須將程序的第一條指令的內存單元地址(即程序的首地址)送入PC,使它總是指向下一條要執行指令的地址。
(5)地址寄存器AR
地址寄存器用于保存當前CPU所要訪問的內存單元或I/O設備的地址。由于內存與CPU之間存在著速度上的差異,所以必須使用地址寄存器來保持地址信息,直到內存讀/寫操作完成為止。
顯然,當CPU向存儲器存數據、CPU從內存取數據和CPU從內存讀出指令時,都要用到地址寄存器和數據寄存器。同樣,如果把外圍設備的地址作為內存地址單元來看的話,那麼當CPU和外圍設備交換信息時,也需要用到地址寄存器和數據寄存器。[2]
 

6應用範圍

單片機滲透到我們生活的各個領域,幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置,飛機上各種儀表的控制,計算機的網絡通訊與數據傳輸,工業自動化過程的實時控制和數據處理,廣泛使用的各種亚博登录平台IC卡,民用豪華轎車的安全保障系統,錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制,以及程控玩具、電子寵物等等,這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、亚博登录平台儀表、醫療器械以及各種亚博登录平台機械了。因此,單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與亚博登录平台化控制的科學家、工程師。
單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的亚博登录平台化管理及過程控制等領域,大致可分如下幾個範疇︰

亚博登录平台儀器

單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點,廣泛應用于儀器儀表中,結合不同類型的傳感器,可實現諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數字化、亚博登录平台化、微型化,且功能比起采用電子或數字電路更加強大。
例如精密的測量設備(電壓表、功率計,示波器,各種分析儀)。

工業控制

單片機具有體積小、控制功能強、功耗低、環境適應能力強、擴展靈活和使用方便等優點,用單片機可以構成形式多樣的控制系統、數據采集系統、通信系統、信號檢測系統、無線感知系統、測控系統、機器人等應用控制系統。例如工廠流水線的亚博登录平台化管理,電梯亚博登录平台化控制、各種報警系統,與計算機聯網構成二級控制系統等。

家用電器

家用電器廣泛采用了單片機控制,從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備和白色家電等。

網絡和通信

現代的單片機普遍具備通信接口,可以很方便地與計算機進行數據通信,為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件,通信設備基本上都實現了單片機亚博登录平台控制,從手機,電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話,集群移動通信,無線電對講機等。

設備領域

單片機在醫用設備中的用途亦相當廣泛,例如醫用呼吸機,各種分析儀,監護儀,超聲診斷設備及病床呼叫系統等等。

模塊化系統

某些專用單片機設計用于實現特定功能,從而在各種電路中進行模塊化應用,而不要求使用人員了解其內部結構。如音樂集成單片機,看似簡單的功能,微縮在純電子芯片中(有別于磁帶機的原理),就需要復雜的類似于計算機的原理。如︰音樂信號以數字的形式存于存儲器中(類似于ROM),由微控制器讀出,轉化為模擬音樂電信號(類似于聲卡)。
在大型電路中,這種模塊化應用極大地縮小了體積,簡化了電路,降低了損壞、錯誤率,也方便于更換。

汽車電子

單片機在汽車電子中的應用非常廣泛,例如汽車中的發動機控制器,基于CAN總線的汽車發動機亚博登录平台電子控制器、GPS導航系統、abs防抱死系統、制動系統、胎壓檢測等。
此外,單片機在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。
 

7學習方法

基礎理論

基礎理論知識包括模擬電路、數字電路和C語言知識。模擬電路和數字電路屬于抽象學科,要把它學好還得費點精神。在你學習單片機之前,覺得模擬電路和數字電路基礎不好的話,不要急著學習單片機,應該先回顧所學過的模擬電路和數字電路知識,為學習單片機加強基礎。否則,你的單片機學習之路不僅會很艱難和漫長,還可能半途而廢。筆者始終認為,扎實的電子技術基礎是學好單片機的關鍵,直接影響單片機學習入門的快慢。有些同學覺得單片機很難,越學越復雜,最後學不下去了。有的同學看書時似乎明白了,可是動起手來卻一塌糊涂,究其原因就是電子技術基礎沒有打好,首先被表面知識給困惑了。
單片機屬于數字電路,其概念、術語、硬件結構和原理都源自數字電路,如果數字電路基礎扎實,對復雜的單片機硬件結構和原理就能容易理解,就能輕松地邁開學習的第一步,自信心也會樹立起來。相反,基礎不好,這個看不懂那個也弄不明白,越學問題越多,越學越沒有信心。如果你覺得單片機很難,那就應該先放下單片機教材,去重溫數字電路,搞清楚觸發器、寄存器、門電路、COMS電路、時序邏輯和時序圖、進制轉換等理論知識。理解了這些知識之後再去看看單片機的結構和原理,我想你會大徹大悟,信心倍增。
模擬電路是電子技術最基礎的學科,它讓你知道什麼是電阻、電容、電感、二極管、三極管、場效應管、放大器等等以及它們的工作原理和在電路中的作用,這是學習電子技術必須掌握的基礎知識。一般是先學習模擬電路再去學習數字電路。扎實的模擬電路基礎不僅讓你容易看懂別人設計的電路,而且讓你的設計的電路更可靠,提高產品質量。
單片機的學習離不開編程,在所有的程序設計中C語言運用的最為廣泛。C語言知識並不難,沒有任何編程基礎的人都可以學,在我看來,初中生、高中生、中專生、大學生都能學會。當然,數學基礎好、邏輯思維好的人學起來相對輕松一些。C語言需要掌握的知識就那麼3個條件判斷語句、3個循環語句、3個跳轉語句和1個開關語句。別小看這10個語句,用他們組合形成的邏輯要多復雜有多復雜。學習時要一條語句一條語句的學,學一條活用一條,全部學過用過這些關鍵語句後,相信你的C基礎建立了。
當基礎打好以後,你會感覺到單片機不再難學了,而且越學越起勁。當單片機乖乖的依照你的邏輯思維和算法去執行指令,實現預期控制效果的時候,成就感會讓你信心十足、夜以續日、廢寢忘食的投入到單片機的世界里。可以這麼說,扎實的電子技術基礎和C語言基礎能增強學習單片機信心,較快掌握單片機技術。

實驗實踐

這是真正學習單片機的過程,既讓人興奮又讓人疲憊,既讓人無奈又讓人不服,既讓人孤獨又讓人充實,既讓人氣憤又讓人欣慰,既有失落感又有成就感。其中的酸甜苦辣只有學過的人深有體會。思想上要有刻苦學習的決心,硬件上要有一套完整的學習開發工具,軟件上要注重理論和實踐相結合。
1.有刻苦學習的決心
首先,明確學習目的。先認真回答兩個問題︰我學單片機來做什麼?需要多長時間把它學會?這是你學單片機的動力。沒有動力,我想你堅持不了多久。其次,端正學習心態。單片機學習過程是枯燥乏味、孤獨寂寞的過程。要知道,學習知識沒有捷徑,只有循序漸進,腳踏實地,一步一個腳印,才能學到真功夫。再次,要多動腦勤動手。單片機的學習具有很強的實踐性,是一門很注重實際動手操作的技術學科。不動手實踐你是學不會單片機的。最後,虛心交流。在單片機學習過程中每個人都會遇到無數不能解決的問題,需要你向有經驗的過來人虛心求教,否則,一味的自己埋頭摸索會走許多彎路,浪費很多時間。
2.有一套完整的學習開發工具
學習單片機是需要成本的。必須有一台電腦、一塊單片機開發板(如果開發板不能直接下載程序代碼的話還得需要一個編程器)、一套視頻教程、一本單片機教材和一本C語言教材。電腦是用來編寫和編譯程序,並將程序代碼下載到單片機上;開發板用來運行單片機程序,驗證實際效果;視頻教程就是手把手教你單片機開發環境的使用、單片機編程和調試。對于單片機初學者來說,視頻教程必須看,要不然,哪怕把教材看了幾遍,還是不知道如何下手,尤其是院校里的單片機教材,學了之後,面對真正的單片機時可能還是束手無策;單片機教材和C語言教材是理論學習資料,備忘備查。不要為了節約成本不用開發板而光用Proteus軟件仿真調試,這和紙上談兵沒什麼區別。
3. 要注重理論和實踐相結合
單片機C語言編程理論知識並不深奧,光看書不動手也能明白。但在實際編程的時候就沒那麼簡單了。一個程序的形成不僅需要有C語言知識,更多需要融入你個人的編程思路和算法。編程思路和算法決定一個程序的優劣,是單片機編程的大問題,只有在實際動手編寫的時候才會有深切的感悟。一個程序能否按照你的意願正常運行就要看你的思路和算法是否正確、合理。如果程序不正常則要反復調試(檢查、修改思路和算法),直到成功。這個過程耗時、費腦、疲精神,意志不堅強者往往被絆倒在這里半途而廢。
學習編寫程序應該按照以下過程學習,效果會更好。看到例程題目先試著構思自己的編程思路,然後再看教材或視頻教程里的代碼,研究人家的編程思路,注意與自己思路的差異;接下來就照搬人家的思路親自動手編寫這個程序,領會其中每一條語句的作用;對有疑問的地方試著按照自己的思路修改程序,比較程序運行效果,領會其中的奧妙。每一個例程都堅持按照這個過程學習,你很快會找到編程的感覺,取其精華去其糟粕,久而久之會形成你獨特的編程思想。當然,剛開始,看別人的程序源代碼就像看天書一樣,只要硬著頭皮看,看到不懂的關鍵字和語句就翻書查閱、對照。只要能堅持下來,學習收獲會事半功倍。在實踐過程中不僅要學會別人的例程,還要在別人的程序上改進和拓展,讓程序產生更強大的功能。同時,還要懂得通過查閱芯片數據手冊(DATASHEET)里有關芯片命令和數據的讀寫時序來核對別人例程的可靠性,如果你覺得例程不可靠就把它修改過來,成為是你自己的程序。不僅如此,自己應該經常找些項目來做,以鞏固所學的知識和積累更多的經驗。

硬件設計

當編寫自己的程序信手拈來、閱讀別人的程序能夠發現問題的時候,說明你的單片機編程水平相當不錯了。接下來就應該研究硬件了。硬件設計包括電路原理設計和PCB板設計。學習做硬件要比學習做軟件麻煩,成本更高,周期更長。但是,學習單片機的最終目的是做產品開發----軟件和硬件相結合形成完整的控制系統。所以,做硬件也是學習單片機技術的一個必學內容。
電路原理設計涉及到各種芯片的應用,而這些芯片外圍電路的設計、典型應用電路和與單片機的連接等在芯片數據手冊(DATASHEET)都能找到答案,前提是要看得懂全英文的數據手冊。否則,照搬別人的設計永遠落在別人的後面,你做的產品就沒有創意。電子技術領域的第一手資料(DATASHEET)都是英文,從第一手資料里你所獲得的知識可能是在教科書、網絡文檔和課外讀物等所沒有的知識。雖然有些資料也都是在DATASHEET的基礎上撰寫的,但內容不全面,甚至存在翻譯上的遺漏和錯誤。當然,閱讀DATASHEET需要具備一定的英文閱讀能力,這也是阻礙單片機學習者晉級的絆腳石。良好的英文閱讀能力能讓你在單片機技術知識的海洋里自由遨游。
做PCB板就比較簡單了。只要懂得使用Protel軟件或 AltiumDesigner軟件就沒問題了。但要想做的板子布局美觀、布線合理還得費一番功夫了。
嫻熟的單片機C語言編程、會使用Protel軟件或 AltiumDesigner軟件設計PCB板和具備一定的英文閱讀能力,你就是一個遇強則強的單片機高手了。 

抗干擾設計

在提高硬件系統抗干擾能力的同時,軟件抗干擾以其設計靈活、節省硬件資源、可靠性好越來越受到重視。下面以MCS-51單片機系統為例,對微機系統軟件抗干擾方法進行研究。

抗干擾

在工程實踐中,軟件抗干擾研究的內容主要是︰一、消除模擬輸入信號的噪聲(如數字濾波技術);二、程序運行混亂時使程序重入正軌的方法。本文針對後者提出了幾種有效的軟件抗干擾方法。
指令冗余
CPU取指令過程是先取操作碼,再取操作數。當PC受干擾出現錯誤,程序便脫離正常軌道“亂飛”,當亂飛到某雙字節指令,若取指令時刻落在操作數上,誤將操作數當做操作碼,程序將出錯。若“飛” 到了三字節指令,出錯機率更大。
在關鍵地方人為插入一些單字節指令,或將有效單字節指令重寫稱為指令冗余。通常是在雙字節指令和三字節指令後插入兩個字節以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數上,由于空操作指令NOP的存在,避免了後面的指令被當作操作數執行,程序自動納入正軌。
此外,對系統流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP,也可將亂飛程序納入正軌,確保這些重要指令的執行。
攔截技術
所謂攔截,是指將亂飛的程序引向指定位置,再進行出錯處理。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序。因此先要合理設計陷阱,其次要將陷阱安排在適當的位置。
(1 )軟件陷阱的設計
當亂飛程序進入非程序區,冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱,攔截亂飛程序,將其引向指定位置,再進行出錯處理。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序區填入以下指令作為軟件陷阱︰
(2 ) 陷阱的安排
最後一條應填入020000,當亂飛程序落到此區,即可自動入軌。在用戶程序區各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令。當使用的中斷因干擾而開放時,在對應的中斷服務程序中設置軟件陷阱,能及時捕獲錯誤的中斷。如某應用系統雖未用到外部中斷1,外部中斷1的中斷服務程序可為如下形式︰
NOPNOPRETI返回指令可用“RETI”,也可用“LJMP 0000H”。如果故障診斷程序與系統自恢復程序的設計可靠、 完善,用“LJMP 0000H”作返回指令可直接進入故障診斷程序,盡早地處理故障並恢復程序的運行。
考慮到程序存貯器的容量,軟件陷阱一般1K空間有2-3個就可以進行有效攔截。
軟件“看門狗”技術
若失控的程序進入“死循環”,通常采用“看門狗”技術使程序脫離“死循環”。通過不斷檢測程序循環運行時間,若發現程序循環時間超過最大循環運行時間,則認為系統陷入“死循環”,需進行出錯處理。
“看門狗”技術可由硬件實現,也可由軟件實現。在工業應用中,嚴重的干擾有時會破壞中斷方式控制字,關閉中斷。則系統無法定時“喂狗”,硬件看門狗電路失效。而軟件看門狗可有效地解決這類問題。
筆者在實際應用中,采用環形中斷監視系統。用定時器T0監視定時器T1,用定時器T1監視主程序,主程序監視定時器T0。采用這種環形結構的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能,大大提高了系統可靠性。對于需經常使用T1定時器進行串口通訊的測控系統,則定時器T1不能進行中斷,可改由串口中斷進行監控(如果用的是MCS-52系列單片機,也可用T2代替T1進行監視)。這種軟件“看門狗”監視原理是︰在主程序、T0中斷服務程序、T1中斷服務程序中各設一運行觀測變量,假設為MWatch、T0Watch 、T1Watch,主程序每循環一次,MWatch加1,同樣T0、T1中斷服務程序執行一次,T0Watch、 T1Watch加1。在T0中斷服務程序中通過檢測T1Watch的變化情況判定T1運行是否正常,在T1中斷服務程序中檢測MWatch的變化情況判定主程序是否正常運行,在主程序中通過檢測T0Watch的變化情況判別T0是否正常工作。若檢測到某觀測變量變化不正常,比如應當加1而未加1,則轉到出錯處理程序作排除故障處理。當然,對主程序最大循環周期、定時器T0和T1定時周期應予以全盤合理考慮。限于篇幅不贅述。

抗干擾技術

單片機系統因干擾復位或掉電後復位均屬非正常復位,應進行故障診斷並能自動恢復非正常復位前的狀態。
非正常復位的識別
程序的執行總是從0000H開始,導致程序從 0000H開始執行有四種可能︰一、系統開機上電復位;二、軟件故障復位;三、看門狗超時未喂狗硬件復位; 四、任務正在執行中掉電後來電復位。四種情況中除第一種情況外均屬非正常復位,需加以識別。
(1 )硬件復位與軟件復位的識別
此處硬件復位指開機復位與看門狗復位,硬件復位對寄存器有影響,如復位後PC=0000H, SP=07H,PSW=00H等。而軟件復位則對SP、SPW無影響。故對于微機測控系統,當程序正常運行時,將SP設置地址大于07H,或者將PSW的第5位用戶標志位在系統正常運行時設為1。那麼系統復位時只需檢測PSW.5標志位或SP值便可判此是否硬件復位。
由于硬件復位時片內RAM狀態是隨機的,而軟件復位片內RAM則可保持復位前狀態,因此可選取片內某一個或兩個單元作為上電標志。設40H用來做上電標志,上電標志字為78H,若系統復位後40H單元內容不等于78H,則認為是硬件復位,否則認為是軟件復位,轉向出錯處理。若用兩個單元作上電標志,則這種判別方法的可靠性更高。
(2 )開機復位與看門狗故障復位的識別
開機復位與看門狗故障復位因同屬硬件復位, 所以要想予以正確識別,一般要借助非易失性RAM或者EEROM。當系統正常運行時,設置一可掉電保護的觀測單元。當系統正常運行時,在定時喂狗的中斷服務程序中使該觀測單元保持正常值(設為 AAH),而在主程中將該單元清零,因觀測單元掉電可保護,則開機時通過檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復位。
(3 )正常開機復位與非正常開機復位的識別
識別測控系統中因意外情況如系統掉電等情況引起的開機復位與正常開機復位,對于過程控制系統尤為重要。如某以時間為控制標準的測控系統,完成一次測控任務需1小時。在已執行測控50分鐘的情況下,系統電壓異常引起復位,此時若系統復位後又從頭開始進行測控則會造成不必要的時間消耗。因此可通過一監測單元對當前系統的運行狀態、系統時間予以監控,將控制過程分解為若干步或若干時間段,每執行完一步或每運行一個時間段則對監測單元置為關機允許值,不同的任務或任務的不同階段有不同的值,若系統正在進行測控任務或正在執某時間段,則將監測單元置為非正常關機值。那麼系統復位後可據此單元判系統原來的運行狀態,並跳到出錯處理程序中恢復系統原運行狀態。
非正常復位後系統自恢復運行的程序設計
對順序要求嚴格的一些過程控制系統,系統非正常復位否,一般都要求從失控的那一個模塊或任務恢復運行。所以測控系統要作好重要數據單元、參數的備份,如系統運行狀態、系統的進程值、當前輸入、輸出的值,當前時鐘值、觀測單元值等,這些數據既要定時備份,同時若有修改也應立即予以備份。
當在已判別出系統非正常復位的情況下,先要恢復一些必要的系統數據,如顯示模塊的初始化、片外擴展芯片的初始化等。其次再對測控系統的系統狀態、運行參數等予以恢復,包括顯示界面等的恢復。之後再把復位前的任務、參數、運行時間