单片机系统设计的可靠性

　　【摘要】： 对单片机实际应用中遇到的、与可靠性技术有关的问题进行了讨论，并分析了一些可行的办法。
　　【关键词】：单片机；抗干扰；可靠性；稳定性

 　　一、单片机选型
　　
　　在单片机系统设计的初始阶段，结合设计要求，合理选择单片机型号，来提高系统的可靠性。
　　1. 选用低功耗单片机
　　CHMOS芯片是专为低功耗系统设计的芯片类型，通过对单片机的特殊功能寄存器 PCON编程，使单片机工作在待机或掉电工作方式。在设计低功耗应用系统时，不仅要选用低功耗型单片机，在外围扩展电路中也应选择低功耗的芯片和器件。
　　2. 选用低噪声单片机
　　使用低噪声单片机可实现单片机系统噪声的降低。而大功率的驱动电路集成到单片机内部无疑增加了噪声源，一般采用跳变沿软化技术可降低此类系统噪声。
　　3. 选用高速度单片机
　　单片机外部时钟是高频的噪声源，除了能引起单片机应用系统本身的干扰之外，还可能对外界其他设备造成干扰，使电磁兼容检测不能达标。在对系统可靠性要求很高的应用系统中，通常可选用时钟频率低、指令运行速度快的单片机来降低系统噪声干扰。
　　
　　
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二、单片机硬件抗干扰
　　
　　在单片机硬件电路的设计中，采用一些措施来提高单片机系统工作的可靠性。
　　1. 接地
　　给单片机系统提供良好的保护地线，从而提高系统的抗干扰能力。
　　2. 隔离与屏蔽
　　隔离一般是通过使用光电隔离器件将单片机的输入输出隔离开，从而有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，使传输通道的信噪比大大提高。屏蔽则是用来隔离空间辐射的，对噪声特别大的部件，如开关电源用金属盒罩起来，可减少对单片机系统的干扰。
　　3. PCB综合布局和布线
　　PCB电路板的设计要本着尽量控制噪声源、尽量减小噪声的传播与耦合和尽量减少敏感元件对干扰噪声的拾取这三大原则进行。具体设计时，应结合PCB设计的相关规则进行合理的布局和布线。
　　4. 硬件“看门狗”技术
　　若失控的程序进入“死循环”，一般采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过硬件“看门狗”电路不断检测程序循环运行时间，当发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，对单片机进行复位操作，脱离“死循环”。
　　
　　三、单片机软件抗干扰
　　
　　在单片机软件程序的设计中，采用一些措施来提高单片机系统工作的可靠性。
　　软件抗干扰研究的内容主要是：一、消除模拟输入信号的嗓声（如数字滤波技术）；
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二、程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。这里针对后者提出几种有效的软件抗干扰方法。
　　1. 指令冗余技术
　　单片机CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当PC受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。若“飞” 到了三字节指令，出错机率更大。
　　在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。
　　此外，对系统流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP，也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。
　　2. 软件陷阱技术
　　当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过设置软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。
　　例如，对于8051单片机，通常在单片机程序存储器中非程序区填入以下指令作为软件陷阱：
　　NOP
　　NOP
　　LJMP0000H
　　在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。如某应用系统虽未用到外部中断1，外部中断1的中断服务程序可为如下形式：
　　NOP
　　NOP?
　　RETI
　　返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP 0000H”。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可靠、 完善，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接进入故障诊断程序，尽早地处理故障并恢复程序的运行。
　　考虑到程序存储器的容量，软件陷阱一般1K空间有2-3个就可以进行有效拦截。

　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />　　3. 软件“看门狗”技术
　　若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现。 在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断。则系统无法定时“喂狗”，硬件“看门狗”电路失效。而软件“看门狗”可有效地解决这类问题。
　　软件看门狗通常是使用定时器中断来监视程序运行状态。定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环的时间，在主程序运行中执行一次定时器时间常数刷新操作，这样只要程序正常运行,定时器不会出现定时中断。当程序失常时，就不能及时刷新定时器时间常数而导致定时中断时，利用定时中断服务程序将系统复位。
　　
　　四、单片机复位
　　
　　一般来说不同的单片机的复位电路稍有不同，单片机厂商都会提供标准的复位电路资料，可根据资料合理设计复位电路。
　　要注意单片机复位的情况一般有4种：
　　1) 系统开机上电复位；2) 软件故障复位；
　　3) 硬件看门狗超时复位；4) 任务正在执行中掉电后来电复位。
　　这四种情况中除 论文检测天使-免费论文检测软件http://www.jiancetianshi.com
第一种情况外均属非正常复位，需编程加以识别，进行相应的处理。
　　
　　五、单片机系统可靠性测试
　　
　　1. 测试单片机软件功能的完善性
　　这是针对所有单片机系统功能的测试，根据生产要求和控制要求测试软件是否正确完整。
　　2. 上电掉电测试
　　在使用中，用户必然会遇到上电和掉电的情况，通过多次开关电源来测试单片机系统的可靠性。
　　3. 老化测试
　　测试长时间工作情况下，单片机系统的可靠性。必要的话可以放置在高温、高压以及强电磁干扰的环境下测试。
　　4. ESD和 EFT等测试
　　可以使用各种干扰模拟器来测试单片机系统的可靠性。例如使用静电模拟器测试单片机系统的抗静电ESD能力 ;使用突波杂讯模拟器进行快速脉冲抗干扰 EFT测试等等。
　　5. 人为模拟测试
　　即人为模拟使用中可能发生的破坏情况。例如用人体或者衣物故意摩擦单片机系统的接触端口，由此测试抗静电的能力。用大功率电钻靠近单片机系统工作，由此测试抗电磁干扰能力等。
　　
　　六、其他注意问题
　　
　　1. 电平转换
　　在单片机机测控系统中，习惯于用TTL电路作为基本电路元件，根据需要可能采用 HTL、CMOS、ECL等芯片，因此存在TTL电路与这些数字电路的接口问题。
　　在接口电路中，无论输出驱动门和被驱动器件是何种类型，都要抓住三个参数：
　　1） 被驱动器件的高电平输入电流和低电平输入电流，即负载大小；
　　2） 驱动器件的高电平输出电流和低电平输入电流，即驱动能力；
　　3） 高电平和低电平的标准值。
　　利用上述参数，在进行器件驱动或接口电平转换时，就可以按需要选择接口电路和参数。
　　2. 悬空引脚的处理
　　对于CMOS电路，不使用的输入引脚必须接一个固定电平，不应当悬空，悬空时引脚的电平状态变化不定，从而导致电路内缓冲器上拉或拉低，使内部电路中的管子均导通，引起ICC有效电流增加。例如，对于89S51单片机，P1～P3口内部均有上拉电阻，故不使用时可以悬空；但P0口比较特殊，可以在系统复位后用软件将不使用的引脚置零。
　　七、总结语
　　文章针对单片机系统设计的可靠性问题进行了一些解决办法的讨论分析。在实际应用中，细致周到地分析干扰源，硬件与软件抗干扰相结合，完善系统监控程序，设计一稳定可靠的单片机系统是完全可行的。
　　
　　参考文献
　　[1] 冯江, 温如春, 易见兵. MCS-51单片机走飞的软件抗干扰方法研究[J]. 南方冶金学院学报, 2006,(01).
　　[2] 李精华, 陈胜权. 单片机系统中的抗干扰分析及措施[J]. 信息技术, 2005,(08).
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