基于32位单片机MC68HC376的高可靠性系统设计

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引言?

??????随着工业技术的不断发展，对单片机控制的要求也越来越高，需要单片机具备更高的反应速度和更强的数据处理能力，各种高性能的新型单片机得到了迅猛的发展和应用。单片机上主要是高速的数字信号，弱信号很容易受到外界的电磁干扰，同时，单片机系统也会发生掉电、死循环等问题。在工业控制场合，一旦控制发生错误，将会造成难以估计的损失。因此，如何提高控制的可靠性是长期以来的一个重要问题。本文介绍了应用32位高性能单片机MC68HC376的一种实际开发方案，同时重点讨论了提高系统可靠性的设计和实现方法。

?????? MC68HC376是Motorola公司推出的一种新型的32位高性能单片机，具有极强的数据处理、逻辑运算和信息存储能力，且支持bDM(background Debug Mode)模式。通过简易的专用电缆接口，可以直接对微控制器系统进行仿真开发和烧录程序。此外，由于MC68HC376内部集成度高，外部扩展工作少，因此本身具有较强的抗干扰能力；同时通过外部硬件电路以及软件的抗干扰设计，控制系统可以实现较高的可靠性。

?????? 1 控制系统的基本结构设计

?????? MC68HC376的集成度高，其主要功能模块包括32位CPU；系统集成模块(SIM)；4K备用RAM；8K片内ROM；10位队列式的模数转换器(QADC)；队列式串行通信模块(QSM)；可构造时钟模块(CTM4)；时间处理单元(TPU)；
3.5K静态TPURAM；CAN控制模块(TOUCAN)。其基本性能如下：

?????? (1) 24位地址总线、16位数据总线结构，支持32位数据操作。?
???????(2) 2个8位双功能I/O，1个7位双功能I/O，16"44个模拟量输入通道。?
? ???? (3) 具有系统保护逻辑，同时可进行时钟监视和总线监视。?
?????? (4) 速度快，在4.194MHz的晶振下系统时钟可达20.97MHz。?
?????? (5) 功耗低，具备低功率休眠功能。?
? ???? (6) 支持高级语言和背景调试。

?????? 系统扩展的基本结构 MC68HC376 内部集成度较高，因而其所需的外围扩展工作较少。基本结构包括外部Flash ROM、RAM、模拟量输入通道、数字量输入通道、键盘、液晶显示、RS-232电平转换器MAX232和CAN控制器CAN250等，其结构框图如图1所示。本文重点讨论系统的可靠性设计。?




?????? 2.6 程序的区域划分和操作级别控制

?????? CPU32可进行两种优先级别的操作：监控级别和用户级别。在监控级别下，CPU可以对所有的内部集成资源和所有的指令进行操作，而在用户级别下，它对一些寄存器和指令的访问会受到限制。在程序中有效地利用这种优先级别会使内部资源和一些系统指令得到有控制的访问，从而提高系统运行的可靠性。CPU32的状态寄存器SR中的S位决定CPU的工作级别，当S=1时CPU处于监控级别；S=0时CPU处于用户级别。

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;???? 一般情况下，单片机的程序区和数据区在同一个物理地址空间。对于MC68HC376，可以通过功能码FC[2:0]来扩展和划分外部物理空间，对FC[2:0]实现外部解码，可以使监控级程序、监控级数据、用户级程序、用户级数据分别使用各自独立的地址空间。对于MC68HC376内部的各个模块，可以通过其相应的结构寄存器中的SUPV位来确定该部分的通用寄存器所处的地址空间，当SUPV=1时，将相关的寄存器放置于监控级数据地址空间，CPU只有在监控级别时才可对其访问和操作；当SUPV=0时，将相关的寄存器放置于数据级数据地址空间，CPU可任意对其进行访问和操作。这样，整个程序结构性强，按级别控制访问，增强了运行的可靠性。

?????? 2.7 总线监视器

?????? MC68HC376进行内部总线操作时，数据选通应答引脚(/DSACK)和自动向量引脚(/AVEC)应该有相应的应答信号。SIM模块中的总线监视器能对/DSACK和/AVEC信号进行监视，当响应时间超过定时值就使总线错误(/bERR)引脚有效。程序应对/bERR的状态进行监视，以便及时对总线错误做出相应的处理。
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?????? 总线监视器的定时值由系统保护控制寄存器(SYPCR)中的总线监视时间区(bMT[1:0])决定。bMT[1:0]=00时，定时值为64个系统时钟；bMT[1:0]=01时，定时值为32个系统时钟；bMT[1:0]=10时，定时值为16个系统时钟；bMT[1:0]=11时，定时值为8个系统时钟。程序员应根据实际的运行情况进行选择。

?????? 其它 其它一些提高可靠性的措施还包括有配置去耦电容；系统时钟电路采用独立电源VDDSYN供电，减少对MCU的干扰，而且MCU 停电时系统时钟仍可维持运行。布线时，时钟电路设置在电路板的中央；Standby RAM采用两个电源VDD和VSTbY供电，正常运行时VDD供电，发生掉电时，使其自动切换到VSTbY供电。同时，在软件中，将堆栈及一些重要数据存放在Standby RAM 有利于重要运行参数的保存。

?????? 3结语

?????? 该方案采用高性能、集成度高、可靠性强的32位新型微控制器MC68HC376为核心，同时在硬件、软件以及制板布线等方面采用多种提高系统可靠性的设计措施。应用该方案的数字式低频低压控制装置RSA800，已通过电力工业部电力设备及仪表质量检验测试中心的产品型式试验。 ?


参考文献
1 MC68336/376 user's manual. Motorola.Inc.1996
2 CPU32 reference manual. Motorola.Inc.1996
3 CTM configurable timer module reference manual. Motorola.Inc.1996
4 QADC queued analog-to-digital converter reference manual. Motorola.Inc.1996
5 SIM system integration module reference manual. Motorola.Inc.1996
6 QSM queued serial module reference manual. Motorola.Inc.1996
7 王幸之等. 单片机应用系统抗干扰技术. 北京航空航天大学出版社. 1999
8 王福瑞等. 单片微机测控系统设计大全[M]. 北京航空航天大学出版社. 1999
9 李华等. MCS-51系列单片机实用接口技术. 北京航空航天大学出版社. 1993