单片机如何保护电路

　　正确的电路保护方法可以大大提高产品或设计的可靠性。不幸的是，并非所有电路保护都以保险丝和瞬态电压抑制之类的硬件形式出现。某些形式的电路保护可能来自软件，这可能会造成混乱。在本文中，我们将探讨单片机如何保护电路。

单片机保护电路

　　一、 单片机的基本保护

　　在设计用于单片机的电路保护电路时，首先考虑基础知识。这意味着，连接到导体且暴露于外界的任何数字引脚(例如连接器)均需使用齐纳二极管和限流电阻器进行适当保护。如果模拟输入也连接到外部导体，则还要具有齐纳二极管和限流措施。

　　由于其CMOS特性，单片机设计也对嘈杂的电源轨敏感(嘈杂的电源线会导致逻辑门无法正确操作)。因此，使用正确类型的去耦电容器很重要。大容量电容器(例如极化电容器)可用于处理外围设备和大功率设备的突然功率需求。另一方面，小型无极性电容器可用于减少电源轨上的开关噪声。

　　通常需要在单片机的每对电源引脚上放置等效串联电阻(ESR)值低的小型无极性电容器。例如，PIC18F45K22具有两对输入电源(VDD和VSS)，每对输入电源应直接连接一个低值陶瓷电容(例如10nF)。

　　二、电路保护的类型

　　到目前为止，上述保护方法通常是被动的，只能应对电涌。其他形式的电路保护又如何呢?

　　尽管电压和电流浪涌会损坏单片机，但不可靠的电源和电源中断无疑会造成更大的损坏(只是物理意义上而言)。通常，在降低的电压下工作时，电路很少受到损坏，但是涉及数字逻辑的电路的行为可能会出乎意料。

　　从局外人的角度来看，以单片机为基础的电路在降低的电压下运行仍然可以驱动显示器并运行固件(因此似乎可以正常工作)，但是来自外部源(例如I2C设备)的数据可能会变得不可靠，因为它们会不能在正确的电压水平下运行，这会导致错误的可靠性。如果电路在控制安全设备，则只有一半电路在工作，否则有造成严重伤害的危险。

　　那么，如何保护电路免受功率降低呢?

　　三、单片机中的掉电检测

　　虽然通常可以通过使用外部分立元件(例如保险丝和二极管)来减轻过电压和电流，但降低功率(称为掉电)的难度却更大。

　　一种方法是设计专用电路，该电路可以在小电压电平下运行并主动监视电源轨。这种方法的问题在于，它可能会增加设计价格以及最终PCB的复杂性。但是，通常有很多资源可能会减轻设计师的成本。那就是单片机本身。基于单片机的设计通常具有备用的外设，引脚，存储器和处理时间。这意味着设计人员无须在设计中包括其他组件即可执行有源电路健康状况监视。一些单片机包含掉电外设，这可能导致复位并设置标志以向固件指示已检测到掉电。

　　那么，如何用单片机实现基本的电路监控系统呢?

　　1.单片机输入电压

　　下面为基于单片机的电路保护的基本布局，仅需要两个硬件即可。备用模拟输入和内部带隙基准。当带隙基准电压源提供基准电压时，需要使用模拟输入来测量外部VDD电压。由于ADC通常是如何工作的，因此不能低估带隙基准的重要性。ADC将产生一个二进制输出，其值与ADC和ADC的两个参考电压成正比。如果ADC参考为电源轨，则VDD电源轨的ADC读数将始终为最大值。带隙基准的使用为ADC提供了一个电压基准，该基准与电源电压无关，因此允许单片机测量电源电压。

　　2.掉电检测电路

　　另外，我们可以使用掉电检测电路，但这只在电源足以运行单片机而非外部硬件的情况下有用。遗憾的是，该方法无法保护单片机掉电。在掉电情况下，需要专用的掉电检测电路或具有自己的掉电检测系统的单片机。对于许多设计人员而言，在产品成本，组件数量和PCB面积方面，使用额外的外部电路过于昂贵。因此，通常使用带有内置掉电检测外设的单片机。

　　现在，单片机都带有掉电保护功能，一旦检测到掉电，就会复位，并设置一个特殊的CPU标志来通知用户发生了掉电复位。由于MCU执行复位操作，因此必须首先执行特殊的处理程序，该处理程序检查CPU标志(包括掉电标志)。如果设置了该标志，则可以采取特定的措施，例如关闭外围设备并显示警告灯。

引用：单片机如何保护电路？-深圳宇凡微

MCS-51的中断结构与控制

MCS-51的中断源及中断结构

向CPU发出中断请求的信号称为中断源。在2.1.2节中我们已经了解到MCS-51系列单片机中有5个中断源，其中2个外部中断源，3个内部中断源，具体如下：

：外部中断，由引脚P3.2引入中断请求。

：外部中断，由引脚P3.3引入中断请求。

➢ 定时计数器T0： 内部中断，定时计数器0溢出时发出中断请求。

➢ 定时计数器T1： 内部中断，定时计数器1溢出时发出中断请求。

➢ 串行口中断： 内部中断，包括串行接收中断RI和串行发送中断TI。

MCS-51单片机自然优先级如表4-1所示。

表4-1　优先级的排列

(二)中断结构

MCS-51系列单片机的中断系统结构如图4-2所示。

图4-2　MCS-51中断结构

由图4-2可以看出，中断系统中涉及TCON、SCON、IE以及IP四个特殊功能寄存器，它们主要有以下功能：

➢ 锁存中断请求标志： TCON和SCON锁存各中断源的中断请求标志位。

➢ 中断允许寄存器IE： 控制CPU是否响应中断源的请求。

➢ 中断优先级寄存器IP： 设置各中断源的优先级，每个中断源可编程为高优先级中断或低优先级中断。

1. TCON中的中断标志位

TCON的字节地址为88H，可进行位寻址，其具体的结构、位名称、位地址以及功能如表4-2所示。

表4-2　TCON的结构、位名称、位地址以及功能

IT0(D0位)： 外部中断

的触发方式控制位，由软件进行置“1”和清“0”。IT0=1时，为边沿触发方式(即当引脚P3.2出现下降沿脉冲信号时，中断请求有效);IT0=0时，为电平触发方式(即当引脚P3.2为低电平信号时，中断请求有效)。

IE0(D1位)： 外部中断

的请求标志位。当CPU检测到外部中断请求时，该标志位置“1”，当CPU转向中断处理子程序时，由硬件自动清“0”(只适用于边沿触发方式)。

注意

在电平触发方式中，CPU转向中断处理子程序时，不能自动清除IE标志位，也不能由软件进行清除。所以在中断返回前需撤销引脚上的低电平，否则就会产生CPU多次响应一次中断的错误。

IT1(D2位)和IE1(D3位)： 外部中断

的触发方式控制位和请求标志位，其

含义与IT0和IE0相同。

➢ TR0(D4位)： 定时计数器T0的启动停止标志位，由用户编程确定。TR0=1时，定时器开始计数(即从设定的初值作加1计数);TR0=0时，定时器停止。

➢ TF0(D5位)： 定时计数器T0的中断溢出标志位。定时器作加1计数，当最高位产生进位时，定时器计数溢出，此时，由硬件置位TF0=1，CPU响应中断后，由硬件清“0”，TF0=0。

➢ TR1(D6位)和TF1(D7位)： 定时计数器T0的启动停止标志位和中断溢出标志位，其含义与TR0和TF0相同。

2. SCON中的中断标志位

SCON的字节地址为98H，可进行位寻址，其具体的结构、位名称、位地址以及功能如表4-3所示。

表4-3　SCON的结构、位名称、位地址以及功能

➢ RI： 串行口接收中断标志位，当串行口接收到一帧数据时，RI置1，CPU响应中断后，硬件不能自动清除RI，需要由软件清“0”。

➢ TI： 串行口发送中断标志位，当串行口发送一帧数据时，T1置1，CPU响应中断后，硬件不能自动清除RI，同样需要由软件清“0”。

提示

RI和TI通过一个或门向CPU发中断请求，CPU响应中断请求后，首先需要判断是RI和TI哪一个中断源发出的请求，才能去执行相应的中断子程序。

串行中断的有关内容以及SCON中的其他标志位含义将在项目六中进行详细讲述。

3. 中断允许控制寄存器IE

IE控制所有中断源的开放和屏蔽，字节地址为A8H，可进行位寻址，其具体的结构、位名称、位地址以及控制的相应中断源如表4-4所示。

表4-4　IE的结构、位名称、位地址以及功能

EX0： 外部中断

的中断允许控制位。EX0=1时，

开中断;EX0=0时，

关中断。

➢ ET0： 定时计数器T0中断允许控制位。ET0=1时，T0开中断;ET0=0时，T0关中断。

EX1： 外部中断

的中断允许控制位。EX1=1时，

开中断;EX1=0时，

关中断。

➢ ET1： 定时计数器T1中断允许控制位。ET0=1时，T1开中断;ET0=0时，T1关中断。

➢ ES： 串行口中断允许控制位。ES=1时，串行口开中断;ES=0时，串行口关中断。

➢ EA： CPU中断允许控制位。EA=1时，CPU全部开中断;EA=0时，CPU全部关中断。

提示

CPU复位时，IE各位清0，禁止所有中断。

4. 中断优先级控制寄存器IP

MCS-51单片机中有两个中断优先级，中断优先级控制寄存器IP用来定义每个中断源的中断优先级。IP的结构、位名称、位地址以及控制的中断源如表4-5所示。

表4-5　IP的结构、位名称、位地址以及功能

IP的状态由用户来设定，某位为1，则相应的中断源处于高优先级中断;某位为0，则相应的中断源处于低优先级中断。

提示

单片机复位时，IP各位清0，各中断源处于低优先级中断。

MCS-51的中断处理过程

图4-3　中断处理过程

中断处理过程如图4-3所示，单片机工作时，在每个机器周期中都去查询各个中断标记位，如果某位是“1”，就说明有中断请求了;接下来需要判断中断请求是否满足响应条件;如果满足响应条件，CPU将进行相应的中断处理;中断处理完毕，进行中断返回，继续执行指令。

如果本次查询中没有中断请求或中断请求不能满足响应条件，CPU将继续原来的指令执行操作。

(一)中断响应

CPU检测到中断请求后，需要判断此中断请求是否满足响应条件，中断响应条件如下：

(1)CPU开中断，申请中断请求的中断源开中断。

(2)没有响应同级别或更高级别的中断。

提示

中断二级嵌套的响应原则：

① 同一中断优先级中，有多个中断请求时，按自然优先级进行响应(即查询顺序)。

② 当前进行的中断只能被高优先级的中断所打断(同级别或低优先级的中断请求不予响应)。

(3)当前处在所执行指令的最后一个周期。单片机有单周期指令、双周期指令、三周期指令和两个四周期指令，如果正在执行的是多字节指令，需要等整条指令执行结束，才能响应中断。

(4)如果正执行的指令是返回指令(RETI)或访问IP、IE寄存器的指令，那么CPU将至少再执行一条指令才能响应中断。

满足中断条件的情况下，CPU响应中断过程如下：

① 将IP中相应的优先级控制位置1，以阻断后来的同级和低级的中断请求。

② 撤销该中断源的中断请求标志，否则，中断返回后将重复响应该中断。

③ 保护断点地址，程序转向执行中断服务子程序。

提示

中断响应时间：

以外部中断0为例，INT0的引脚电平在每个机器周期的S5P2时刻经反相器锁存到TCON的IE0标志位，CPU在下一个机器周期查询新置入的IE0和IE1，满足相应条件，CPU将执行一条两个机器周期的长调用指令LCALL，由硬件将中断矢量地址装到PC中，使程序转入中断矢量入口。所以，从产生外部中断到中断执行，至少需要3个机器周期。

若正在处理的程序为RETI或访问IP，IE等，则额外等待的时间不会多于5个机器周期。所以外部中断的响应时间在3～8个机器周期之间。

(二)中断处理

中断处理过程一般可以分为保护现场、执行中断服务程序和恢复现场三个过程。

(1)保护现场

执行中断服务子程序之前，CPU只保护了一个地址(PC的值)，如果主程序和中断服务子程序中都用到一些公共存储空间(如A、PSW和DPTR等)，那么执行中断服务子程序前需要将这些数据保存起来，以免返回主程序时出现错误。

(2)执行中断服务程序

在MCS-51系列单片机中，五个中断源都有它们各自的中断入口地址。

：0003H

➢ T0： 000BH

：0013H

➢ T1： 001BH

➢ 串口中断： 0023H

可以看出，中断服务程序的存储空间很小，如果我们需要的程序超出了空间的限制，这时可以在中断处安排一条LJMP指令把中断服务程序跳转到其他地址。

提示

中断响应标志的清除：

CPU在响应中断请求后，该中断的中断请求在中断返回前应当清除，以免重复中断，被再次响应。

边沿触发的外部中断，定时器中断，均有硬件自动清除;串行口中断，需由软件清除;电平触发的外部中断需由外接触发器控制清除。

(3)恢复现场

恢复现场和保护现场相对，返回主程序前需要将保护现场过程中压入堆栈的相关数据弹出，以保证程序返回断点时能正确执行。

(三)中断返回

中断返回由中断返回指令RETI来实现。这条指令的功能是把断点地址从堆栈中弹出，送回到程序计数器PC;通知中断系统已完成中断处理，并同时清除优先级状态。

C51中断函数的定义

C51编译器支持在C源程序中直接开发中断过程，C51编译器及其对C语言的扩充允许编程者对中断所有方面的控制和寄存器组的使用。中断服务函数的完整语法如下：

函数的返回值 函数名([参数]) interrupt n [using m]

{

函数体;

}

关于函数的使用进行以下说明：

(1)对中断程序而言，函数的返回值和参数一般为void。

(2)interrupt n 中n的取值为0～31的常数，不允许用表达式，表示中断向量的编号。在8051中，一般0代表外部中断0，1代表定时器0，2代表外部中断1，3代表定时器1，4代表串行中断。

(3)using m 中m的取值为0～3的常数，不允许用表达式，表示内部RAM中的第r组工作寄存器。在调用中断函数时，要求中断过程调用的函数所使用的寄存器组必须与其相同。

下面我们看一个使用C51语言编写的中断程序。

【例】 设单片机的fosc=12MHz，要求用T0的方式1编程，在P1.0脚输出周期为2ms的方波。

用C语言编写的中断服务程序如下：

在编写中断服务程序时必须注意不能进行参数传递，不能有返回值。

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