摘要：隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性等要求逐漸增高。在此詳細(xì)分析嵌入式系統(tǒng)EMC產(chǎn)生的原因和途徑，在不增加CPU額外開(kāi)銷(xiāo)情況下，采用了意法半導(dǎo)體公司硬件看門(mén)狗集成電路STWD100，提高了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，并給出了STDW100與CPU應(yīng)用原理圖。實(shí)驗(yàn)證明，采用STDW100硬件看門(mén)狗使嵌入式系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗EMC能力，在實(shí)際應(yīng)用中使系統(tǒng)具有相當(dāng)高的可靠性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；EMC；可靠性；看門(mén)狗；STDW100

1 EMC的特點(diǎn)
    嵌入式系統(tǒng)EMC(Electro Magnetic Compatibility)即嵌入式系統(tǒng)電磁兼容性，指嵌入式系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中抵抗其他系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾同時(shí)本身產(chǎn)生的電磁干擾又不影響其他系統(tǒng)正常工作。EMC包括EMI(Electro Magnetic interference)和EMS(Electro Magnetic Susceptibility)分別表示嵌入式系統(tǒng)本身產(chǎn)生電磁干擾和嵌入式系統(tǒng)抗電磁干擾的能力。一般要求盡量減小系統(tǒng)工作時(shí)本身產(chǎn)生的電磁干擾，加強(qiáng)系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力。例如高頻諧波干擾，這是目前嵌入式系統(tǒng)工作不定的最大潛在因素。怎樣減小嵌入式系統(tǒng)干擾增強(qiáng)其抗干擾性能，盡可能地提高嵌入式系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性成為電子工程師們的一大技術(shù)難題。

2 嵌入式系統(tǒng)EMC的產(chǎn)生
    嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的大小和抗電磁干擾的能力同系統(tǒng)本身功能有很大關(guān)系，不同嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾不同抗電磁干擾能力也不同。
2．1 高次諧波干擾
    根據(jù)Fourier series任何一個(gè)周期信號(hào)S(t)并非單一波形，都由直流分量、基波和各次諧波組成，諧波頻率十分豐富，周期信號(hào)S(t)可以用式(1)表示：
   
    直流成分，當(dāng)n=1時(shí)表示信號(hào)基波，n=2，3，4，…表示信號(hào)2，3，4，…各次諧波，其中基波是該信號(hào)主要組成成份，很多時(shí)候信號(hào)的特性呈現(xiàn)為基波特性。例如在電源系統(tǒng)中交流信號(hào)為S(t)=380sin 2π50t表示市電信號(hào)存在n=1的基波，信號(hào)在基波附近諧波頻率不斷增加、幅度迅速衰減，從理論上說(shuō)正弦和余弦信號(hào)頻譜只存在一點(diǎn)沖擊信號(hào)。正弦信號(hào)本身所產(chǎn)生的諧波較小而其他電磁干擾參雜在正弦信號(hào)中造成系統(tǒng)諧波很大。系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的基波要加以利用，對(duì)信號(hào)的諧波要加以抑制、濾除。正弦信號(hào)本身對(duì)外來(lái)干擾信號(hào)的抑制能力較差容易出現(xiàn)EMC，嚴(yán)重干擾系統(tǒng)工作，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
2．2 嵌入式系統(tǒng)主頻過(guò)高，引起干擾
    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，CPU處理速度越來(lái)越快，數(shù)據(jù)吞吐量越來(lái)越大，主頻越來(lái)越高。8位51單片機(jī)系統(tǒng)主頻為12 MHz，16位凌陽(yáng)單片機(jī)系統(tǒng)主頻為50 MHz，Altera公司Cyclone系列FPGA芯片系統(tǒng)主頻可達(dá)200 MHz，以Inter PAX255，PAX270，PAX310為核心的嵌入式系統(tǒng)主頻可達(dá)820 MHz，CPU主頻過(guò)高信號(hào)變化速率過(guò)快，信號(hào)幅度大的地方容易引起干擾。根據(jù)Fourier Series和Euler Formula，方波信號(hào)頻譜為Sine信號(hào)，Sine信號(hào)為連續(xù)信號(hào)其本身諧波很大，容易造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。
2．3 系統(tǒng)中大功率、大電流用電器動(dòng)作產(chǎn)生火花引起干擾
    系統(tǒng)中含有大功率、大電流繼電器或交流接觸器，驅(qū)動(dòng)電流或電壓過(guò)大使諧波幅度大，容易產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾；在復(fù)雜電磁環(huán)境中電機(jī)頻繁啟動(dòng)與大電流有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的打火現(xiàn)象都會(huì)引起很強(qiáng)的電磁干擾，在要求較高的系統(tǒng)中必須解決，否則會(huì)引起系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、可靠性差。
2．4  微弱模擬信號(hào)的提取與高精度數(shù)據(jù)采集放大
    隨數(shù)字信號(hào)高速發(fā)展，很多模擬信號(hào)要轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，CPU處理完成后又要將數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)，涉及微弱模擬信號(hào)的提取和采集放大電路。對(duì)于微弱模擬信號(hào)的提取通常采用傳感器，傳感器提取的模擬信號(hào)非常微弱如果受到外來(lái)干擾或系統(tǒng)本身干擾，會(huì)造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理有誤精度不高、系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。
2．5 電子元器件和電路板本身所產(chǎn)生的寄生干擾
    每個(gè)電子元器件都有不同的截止頻率，元器件在不同的頻率下會(huì)呈現(xiàn)不同的特性。如果信號(hào)衰減和信號(hào)畸變過(guò)大會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定度受影響甚至系統(tǒng)“死機(jī)”或“程序跑飛”。信號(hào)頻率過(guò)高電容的分布電感，電感的分布電容，電阻對(duì)高頻信號(hào)的反射，引線的分布電容和分布電感影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，當(dāng)引線長(zhǎng)度大于噪聲頻率相應(yīng)波長(zhǎng)的1／20時(shí)，就產(chǎn)生天線效應(yīng)，噪聲通過(guò)引線向外發(fā)射。

3 嵌入式系統(tǒng)硬件抗EMC技術(shù)
    嵌入式系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、不可靠因素有很多，干擾可以來(lái)自系統(tǒng)本身也可以來(lái)自本系統(tǒng)外其他系統(tǒng)，關(guān)于系統(tǒng)干擾靠軟件處理能起一定作用，但僅靠軟件沒(méi)有硬件的局面難以支撐，系統(tǒng)抗干擾問(wèn)題始終難以解決。在可編程系統(tǒng)中為了增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，減小系統(tǒng)CPU開(kāi)支，常用以下方法：
3．1 抑制電源諧波干擾
    在可編程電子系統(tǒng)中，能夠解決好電源干擾問(wèn)題就解決整個(gè)系統(tǒng)干擾的一大半，很多干擾都是從電源中出來(lái)，電源干擾過(guò)大會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。單純正弦信號(hào)不會(huì)有干擾，關(guān)鍵正弦信號(hào)處于干擾很大的環(huán)境中，這時(shí)正弦信號(hào)就會(huì)附加干擾。例如：電源線過(guò)長(zhǎng)在電源線上就會(huì)產(chǎn)生寄生干擾，可以在電源線上加上小磁珠或磁環(huán)濾波，要求不高的情況下可以加100 Ω電阻對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行衰減，使干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)不起作用。對(duì)開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，主要是振蕩器振蕩頻率過(guò)高引起諧波，不僅影響電源而且會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)電源效率較高很多地方都采用，但在要求比較高的系統(tǒng)中仍然采用線性電源。
3．2 CPU選擇能夠滿足系統(tǒng)要求的最低主頻
    CPU主頻過(guò)高系統(tǒng)時(shí)鐘加快，系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生的方波頻率升高，由方波帶來(lái)的諧波隨之增加。從Fourier Series和Euler Formula得單一方波比正弦波的諧波幅度大得多，諧波頻率復(fù)雜得多，由此系統(tǒng)主頻越高產(chǎn)生的諧波越復(fù)雜，影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，CPU主頻越來(lái)越高，電子系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，功能不斷增加，集成度不斷提高，但對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)無(wú)論哪方面使用，系統(tǒng)主頻夠用即可。
3．3 減小信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰減、畸變和反射
    現(xiàn)代集成電路制造主要采用CMOS技術(shù)，輸入阻抗大、輸出阻抗小，抗干擾能力強(qiáng)，適合小信號(hào)放大。CMOS集成電路輸入電流大約為1 mA，信號(hào)在電路板上延時(shí)Td與電路板引線阻抗有關(guān)，阻抗越大信號(hào)衰減越大、信號(hào)延時(shí)越長(zhǎng)、系統(tǒng)發(fā)熱越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差。在高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮PCB信號(hào)傳輸延時(shí)Td，使信號(hào)人為延時(shí)Tr大于信號(hào)傳輸延時(shí)。
3．4 注意PCB布線和元器件高頻特性
    PCB布線最大原則是元器件之間引線盡量短、信號(hào)線交叉盡量少，盡量不用或少用過(guò)孔。模擬地、數(shù)字地、高頻地分開(kāi)走線，然后匯聚成一點(diǎn)，大功率器件、小功率器件和干擾信號(hào)特別大的器件在布局時(shí)要分開(kāi)。對(duì)干擾信號(hào)特別敏感的高頻元器件可以用金屬罩屏蔽起來(lái)，避免電磁干擾。
3．5 退耦電容的使用
    一般在系統(tǒng)集成電路供電引腳旁都要放置去耦陶瓷電容到地，濾除電源在傳輸過(guò)程中所產(chǎn)生的寄生干擾。去耦電容選取并不嚴(yán)格，一般來(lái)說(shuō)都是可按f=1／C來(lái)選取，對(duì)于CPU控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)濾除10～100 MHz電源信號(hào)寄生干擾，電容取0．01～0．1μF陶瓷電容，系統(tǒng)要求較高的高速電路中可以在集成電路電源端到地用一個(gè)1～10μF的電解電容，濾除電源1～10GHz的諧波干擾。

4 嵌入式系統(tǒng)軟件抗EMC技術(shù)
    為了增強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，嵌入式系統(tǒng)除硬件抗干擾外，可以在軟件上采用一定的技巧抗干擾，使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定可靠。
4．1 信息冗余技術(shù)
    為了防止干擾，系統(tǒng)對(duì)重要數(shù)據(jù)或文件復(fù)制到多個(gè)存儲(chǔ)單元，當(dāng)一個(gè)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)損壞后立即啟動(dòng)備用存儲(chǔ)單元使數(shù)據(jù)恢復(fù)。
4．2 時(shí)間冗余技術(shù)
    為了增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，對(duì)于重要區(qū)域重復(fù)執(zhí)行，將第1次與第2次的執(zhí)行結(jié)果相比較如相同則認(rèn)為正確，如不同第1次或第2次執(zhí)行有問(wèn)題或兩次都有問(wèn)題，程序再執(zhí)行第3次、第4次，如果有1次相同則認(rèn)為正確。
4．3 自動(dòng)檢測(cè)與診斷技術(shù)
    自動(dòng)檢測(cè)包括嵌入式系統(tǒng)RAM的檢測(cè)、ROM的檢測(cè)、標(biāo)志位的檢測(cè)等，對(duì)RAM的檢測(cè)在開(kāi)機(jī)時(shí)可以在RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)開(kāi)辟幾個(gè)單元，向RAM存儲(chǔ)單元寫(xiě)入不同的數(shù)值例如55H、AAH、EEH等，在執(zhí)行程序時(shí)讀出這些存儲(chǔ)單元的值是否開(kāi)機(jī)放置的數(shù)值相等，判斷程序執(zhí)行的正確性。ROM用來(lái)放程序或表格數(shù)值，對(duì)ROM區(qū)域二進(jìn)制數(shù)0和1的個(gè)數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)程序執(zhí)行的正確性。在程序的執(zhí)行過(guò)程中RAM區(qū)域數(shù)據(jù)結(jié)果不同，對(duì)標(biāo)志位產(chǎn)生影響不同，例如51單片機(jī)中PSW，當(dāng)兩個(gè)數(shù)據(jù)相加出現(xiàn)進(jìn)位時(shí)PSW中第位7位CY由硬件置，用戶可以查詢PSW中第7位判斷程序執(zhí)行的正確性。
4．4 軟件陷阱技術(shù)
    軟件陷阱技術(shù)指嵌入式系統(tǒng)中程序存儲(chǔ)器不一定用完，如因干擾嵌入式系統(tǒng)程序計(jì)數(shù)器PC值錯(cuò)誤，程序?qū)?huì)跳到?jīng)]用到的存儲(chǔ)空間，導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)或程序跑飛，軟件陷阱就是在這些沒(méi)有用到的程序存儲(chǔ)器中放入空指令和無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令，當(dāng)程序跑飛跑到空程序存儲(chǔ)器中，嵌入式系統(tǒng)則認(rèn)為系統(tǒng)受到干擾程序執(zhí)行出錯(cuò)，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

5 集成STFWD100xP WTD的應(yīng)用
5．1 看門(mén)狗WTD的分類(lèi)和特點(diǎn)
    看門(mén)狗可分為硬件看門(mén)狗和軟件看門(mén)狗，軟件看門(mén)狗不需要外接硬件電路，但軟件定時(shí)器會(huì)耗費(fèi)系統(tǒng)CPU資源，軟件過(guò)長(zhǎng)還可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓；硬件看門(mén)狗幾乎不耗費(fèi)系統(tǒng)資源使用隨意性較大，硬件看門(mén)狗主要是為防止程序在執(zhí)行過(guò)程中受到干擾致使程序跑飛的一種監(jiān)控芯片，常用WTD集成電路有Xicor公司X25045，Dallas公司DSl232和意法半導(dǎo)體公司STWD100等，有的嵌入式CPU本身自帶WTD，如PIC系列和51S系列單片機(jī)。硬件看門(mén)狗實(shí)際就是一個(gè)Timer，未等到定時(shí)器溢出時(shí)程序不斷給定時(shí)器賦值，程序正常執(zhí)行情況下定時(shí)器不會(huì)溢出，當(dāng)程序跑飛沒(méi)有正常為WTD賦值定時(shí)器會(huì)溢出，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位?？撮T(mén)狗就是在程序正常執(zhí)行處放一條或幾條喂狗指令，使看門(mén)狗處于喂飽狀態(tài)，如程序跑飛長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有喂狗，看門(mén)狗就會(huì)叫使嵌入式系統(tǒng)重啟或復(fù)位。
    STWD100是意法半導(dǎo)體公司新推出的一款操作簡(jiǎn)單、SOT23-5小型封裝、超低功耗、超小體積5腳WTD集成電路，靜態(tài)電流13μA、輸出電流20 mA、輸出功耗320 mW。STWD100系列與X25045不同，STWD100省去繁瑣的命令，例如X25045讀、寫(xiě)鎖存器，讀寫(xiě)狀態(tài)寄存器；STWD100系列芯片不同喂狗周期不同，每種芯片只有一個(gè)固定的定時(shí)周期，例如STWD100xP，STWD100xW，STWD100xX，STWD100xY喂狗周期分別為3．4 ms，6．3 ms，102 ms，1．6 s。STD100xP引腳和封裝如圖1所示。

    圖1中1腳WD0：看門(mén)狗溢出后輸出，漏級(jí)開(kāi)路門(mén)使用時(shí)須接上拉電阻；2腳GND：接地；3腳EN：集成電路使能信號(hào)，低電平有效最低保持時(shí)間1μs；4腳WDI：時(shí)鐘信號(hào)輸入端(0．2～0．8)Vcc，上升沿定時(shí)器置數(shù)并啟動(dòng)；5腳Vcc：電源，2．7～5．5V。
5．2 STWD100的硬件設(shè)計(jì)
5．2．1 STWD100與51嵌入式系統(tǒng)連接原理圖
    STWD100同51單片機(jī)系統(tǒng)連接如圖2所示。

    該系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)共有3種、上電復(fù)位、按鍵復(fù)位和看門(mén)狗定時(shí)器溢出復(fù)位。STDW100初始化設(shè)置有2種方式：
    (1)當(dāng)系統(tǒng)上電、使能信號(hào)EN=0，STWD100xY看門(mén)狗啟動(dòng)定時(shí)，定時(shí)周期為3．4 ms，在3．4 ms內(nèi)WDO輸出高電平，程序必須在3．4 ms內(nèi)送入喂狗指令否則系統(tǒng)認(rèn)為程序跑飛，WDO輸出低電平系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，如圖2所示。
    (2)當(dāng)WDI輸入上升沿時(shí)看門(mén)狗定時(shí)器啟動(dòng)，啟動(dòng)后WDO保持原有高電平直到定時(shí)器3．4 ms后溢出WDO翻轉(zhuǎn)，WDO輸出低電平系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位如圖2所示。
5．2．2 STWD100的軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)STWD100時(shí)序原理，當(dāng)系統(tǒng)上電初始化設(shè)置使能信號(hào)EN=0，WD0=1啟動(dòng)看門(mén)狗，程序在3．4 ms定時(shí)周期內(nèi)喂狗防止系統(tǒng)死機(jī)或程序跑飛，如在3．4 ms內(nèi)系統(tǒng)未檢測(cè)到喂狗指令，WDO輸出低電平系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，具體程序如下：

5．3 STWD100實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    STWD100技術(shù)比較成熟，基本不會(huì)出現(xiàn)由STWD100自身技術(shù)原因和缺陷帶來(lái)的不穩(wěn)定，關(guān)鍵是用戶掌握好軟件看門(mén)狗喂狗的時(shí)間和時(shí)序，喂狗時(shí)間過(guò)短系統(tǒng)效率不高，喂狗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易導(dǎo)致系統(tǒng)重啟。STWD100xP時(shí)序圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在幾乎不占用CPU資源的情況下，系統(tǒng)加上STWD100硬件看門(mén)狗后，系統(tǒng)工作穩(wěn)定度提高很多幾乎沒(méi)有出現(xiàn)死機(jī)和程序跑飛的情況，有效防止了系統(tǒng)干擾提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)
    在有交流接觸器、繼電器、電機(jī)控制的程控噴泉控制系統(tǒng)中，加STWD100硬件看門(mén)狗，系統(tǒng)連續(xù)開(kāi)關(guān)50次運(yùn)行正常；連續(xù)工作12 h并不間斷外加電機(jī)、焊機(jī)干擾，系統(tǒng)無(wú)死機(jī)、程序跑飛等異常情況出現(xiàn)，工作穩(wěn)定可靠，解決了由繼電器、交流接觸器等器件動(dòng)作時(shí)帶來(lái)的干擾，引起CPU誤動(dòng)和死機(jī)等不穩(wěn)定現(xiàn)象。在實(shí)際中應(yīng)注意掌握好喂狗時(shí)間間隔，一般在1～2 ms效果最佳。STWD100硬件看門(mén)狗在不占用CPU資源的情況下，系統(tǒng)工作穩(wěn)定度和可靠性提高到100％，可廣泛用于繼電器、接觸器等具有較強(qiáng)干擾控制系統(tǒng)。