谭文辉
（佛山青鸟环宇消防设备有限公司 528000）
摘要：工作在恶劣环境中的通讯设备，容易受到电磁干扰等因素的影响，出现程序跑飞、死机等现象，造成通讯中断，且不能自行恢复正常工作，本文针对这一现象进行电路的硬件和软件设计，通过监听串口数据，对设备CPU进行断电复位，从而使设备恢复正常工作，提高通讯可靠性。
关键词：高可靠性通讯保护；CAN；设计
一、概述：
在设计应用于工业现场的通讯设备时，例如无人值守的变电站抄表设备，应充分考虑设备的抗干扰性能，结合硬件和软件两方面进行优化组合，在不可避免出现死机等严重故障时，设备应能够可靠复位，重新开始工作。本设计中通过使用CPU芯片P89LPC915来监控主CPU的对外通讯串行口，定期采集主CPU的发送脚TXD的状态，若在设定的时间内，TXD脚上的电平没有变化，即可判定主CPU工作异常，此时控制主CPU完成掉电，然后上电
二、系统电路设计：
2.1硬件电路原理图
2.2电路分析
系统电源--U1和U2为电源管理芯片SPX3819M5-3.3，这是微功耗LDO，静态电流为90uA，输出电流为500mA，具有输出使能和输出短路保护功能，输入电压最大为20V，输出电压为3.3V，精度为1%. 在本应用中，SPX3819M5-3.3的3脚为输出使能端，当该引脚上的电压高于+2V，芯片输出+3.3V；当该引脚上的电压低于+0.4V，芯片无输出电压。在图中使用U1为U3供电，将U1的输出使能端（U1的第3脚）连至+5V，使U1一直输出+3.3V；使用U2为主CPU供电，U2的使能端受控于U3，在U3的控制下完成对主CPU的断送电，实现主CPU的上电复位。
系统CPU――U3为增强型51单片机P89LPC915，该芯片采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，速度是标准80C51芯片的6倍，具有2K可字节擦除的Flash存储器和256字节的RAM数据存储器，有可编程 I/O 口输出模式-可配置为准双向口，开漏输出，推挽和仅为输入功能。芯片内部还集成了许多系统级的功能，如片内的RC振荡器、内部上电复位功能、内部看门狗、实时时钟、波特率发生器、I2C接口、ICP接口等。芯片有DIP和TSSOP封装，使用灵活方便，可靠性好，成本低。在本应用中CPU的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3分别接主CPU的TXD0、TXD1、TXD2、TXD3四个发送端；P1.4用于控制电源管理芯片U2的输出使能。CPU程序时刻采样P0.0、P0.1、P0.2、P0.3的状态，如果在设定的时间内，P0.0、P0.1、P0.2、P0.3四个引脚的状态一直为高电平，程序即认为主CPU通讯出现了异常，此时就在P1.4输出低电平，将主CPU断电，延时后重新上电，这就完成了主CPU的上电复位，主CPU恢复正常工作。
ICP接口――JP1为单片机P89LPC915的ICP接口，在电路板上设计有插座，将ICP编程器插在该插座上即可实现对单片机的在电路编程，可随时升级程序。
工作指示-D1为红色的发光二极管，它与CPU的P1.2口连接，可指示CPU的工作状态，方便调试。
开关机按键-S1为主CPU的复位上电按键，与CPU的P1.3口连接，程序判断此引脚状态，完成主CPU的断电和上电。
2.3系统软件设计
系统的软件设计分为CPU初始化、定时器设计、端口采样函数、延时函数、看门狗定时器等几部分，流程图如下：
三、CAN通信电路设计
采用CAN总线技术，可以满足实际现场中复杂环境的要求。TMS320LF2407A内带CAN控制器模块，采用该处理器使整个电路的外围设计简单化，可靠性也得到提高。CAN总线系统较传统的串行通信，在硬件上减少了走线，易于系统的改型或扩充。虽然TMS320LF2407A内带CAN控制器模块，但要实现CAN通信，还必须选择一款与之相匹配的高性能收发器。本课题选用的是PHILIPS的TJA1050，它是控制器区域网络（CAN）协议控制器和物理总线之间的接口。可以为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。
TJA1050 是PCA82C250和PCA82C251高速CAN收发器的后继产品。它的优点在于：完全符合ISO 11898 标准；速率高，最高达1Mbit/s；输出信号CANH和CANL的最佳匹配，使电磁辐射更低；抗电磁干扰（EMI）性高；节点未供电时，不会对总线造成扰动；输入级和3.3V 以及5V 的器件兼容；至少可以连接110个节点。这就使得TJA1050特别适合与DSP内带CAN控制器模块配合使用。
虽然DSP内部的控制器和外部收发器都具有很强的抗干扰能力，但他们之间的连接便是最薄弱的环节，而在实际工作环境下有时难免遇到很强的电磁干扰，为了提高通信抗干扰能力，避免干扰的窜入，对CAN通信方案做了如下几方面设计：
第一采用高速光耦来实现收发器与控制器之间的电气隔离，保护控制系统，电路光耦选择高速器件TLP113A，以满足在最高速率1Mbps 下的电气响应。
跳线叉子通过跳线的方式可以选择是否接入终端电阻R8，一般选择在差动式网络的两端设有终端电阻，它的作用是避免数据传输终了时反射回来，产生反射波破坏数据传输。一般网络覆盖系统受到干扰后会造成数据误用，干扰严重时还能导致整个系统功能异常。DSP的C_CANRX和C_CANTX端口先通过高速光隔TLP113再与TJA1050连接，实现总线上各节点之间的电气隔离。与TLP113相连的信号C＿CANTX和C＿CANRX是5V信号，不能直接与DSP连接，必须先进行电平转换。
其次，为了保证系统能够可靠工作，并提高抗干扰能力，普通电源与数字电源不能公用，电路中采用隔离型DC/DC 模块向收发器电路供电。推荐采用定电压输入隔离稳压单输出型DC/DC 模块，本课题中使用的是金升阳的B0505LS-1W，可以向收发器电路提供≤200mA 的电流。
V1和G1分别DC/DC 模块是为高速光隔TLP113提供隔离后的5V和地。
四、硬件设计中的抗干扰措施
DSP作为控制器，经常工作在强干扰环境下，这会影响到控制系统的正常工作，其影响表现在以下几个方面：
1）在采集通道中窜入干扰信号，导致采集的数据误差增大，甚至淹没有用的信号，使采样数据不能真实的反映实际情况。
2）输入信号在受到干扰的情况使得控制系统接受到虚假的信号，导致控制系统不能正常工作。
3）当干扰影响到DSP时，会出现程序跑飞的现象。
鉴于以上原因，在控制系统设计中如何提高系统的抗干扰能力，尽量减小电路干扰影响就显得特别重要。根据干扰来源可分为内部干扰和外部干扰，针对干扰源和干扰的传输通道采取了相应的措施。
1）实践证明电源对控制系统来说就是一个比较严重的干扰源，控制系统的大部分干扰都是通过电源耦合进来的。由于控制板的供电电源和主回路是同一个供电系统，噪声很容易引入控制系统中，所以在设计时采用了分立的稳压模块来为控制板供电，大大提高了供电的可靠性，而且分立的稳压模块本身的滤波作用也可以提高抗干扰能力。
2）要将检测到的电压、电流信号送入控制系统中，必须对信号的传输途径采取一定的抗干扰措施。在电源电压、电流的检测采用了霍尔传感器，这本身就具有较好的抗干扰性；其次，对检测采样通道采取了滤波和隔离的手段，也有效的抑制了噪声的干扰。
3）对电磁场的空间干扰采取了一定的屏蔽措施，首先将控制电路与主回路分隔开，并且用金属盒封闭起来，也就屏蔽了控制系统受到外来的干扰。
4）在制作控制系统PCB板过程中采取了以下措施：① 应该将未用到的DSP引脚固定到某个电平，特别是能产生中断请求的引脚不能悬空。② 数字电路和模拟电路的地不能混合，必须将数/模地分开，否则数字电路产生噪声会带入到模拟信号中。但对于一个系统而言无论数字还是模拟地只有一个，所以最后通过磁珠将数字地和模拟地连在一起来。③ 为DSP供电的电源芯片应尽量选取纹波较低的芯片，并且要在芯片的输入输出端加滤波网络，以减少电源噪声对系统的影响。④ 布置片外数据存储器和程序存储器时应尽量靠近DSP芯片，它们的存取速率也要与DSP相仿，同时要布局也要合理，数据线和地址线的长短尽量一致。存储器的周围建议布上地网。⑤ 在布线时，将数据线和地址线等重要信号线远离易受干扰的信号线，例如模拟信号线等。为了减小传输线对信号质量的影响，高速信号走线应尽量短。
结束语
通讯保护电路与人们的生活息息相关。随着其发展，设计方法越来越得到完善，但是仍然存在着需要改进的地方。对通讯保护电路设计加以研究，有利于提高通讯保护电路的性能及使用寿命，为今后通讯保护电路的设计提供了参考依据。
参考文献：
[1]蒋辉平.单片机原理与应用设计.北京：北京航空航天大学出版社，2014.
[2]刘和平.TMS320LF240X DSP 结构、原理及应用.北京：北京航空航天大出版社，2013.
论文作者:谭文辉
论文发表刊物:《河南电力》2018年16期
论文发表时间:2019/1/24
标签：干扰论文; 电路论文; 控制系统论文; 芯片论文; 抗干扰论文; 系统论文; 信号论文; 《河南电力》2018年16期论文;