淺談單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

王高建

【摘要】單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)是一個重要的設(shè)計(jì)過程，并具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性由多種因素決定，提高可靠性包括兩方面的工作：一是在工藝上提高構(gòu)成系統(tǒng)的元器件本身的可靠性；二是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)方面提高整個系統(tǒng)的可靠性。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；可靠性；工程實(shí)踐性

一、元器件的選擇與使用

元器件是組成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件的基本單元，合理選擇與使用元器件對整個系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行是非常重要的，因?yàn)橄到y(tǒng)中任何一個元器件（甚至一個二極管）發(fā)生故障都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)不能正常工作，甚至損壞系統(tǒng)。元器件的選擇要結(jié)合具體系統(tǒng)的硬件可靠性分析進(jìn)行。

在元器件選擇上一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1、盡量選用大規(guī)?；虼笠?guī)模集成電路芯片來設(shè)計(jì)系統(tǒng)

這可大大減少電路間的分布電容，減少干擾信號耦合，同時也可減少由于元器件性能的離散性所造成的瞬態(tài)偶發(fā)性失效故障。目前CMOS型集成電路芯片被愈來愈多地使用，它在可靠性方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

2、盡可能選擇熱穩(wěn)定行好、噪聲系數(shù)小的元器件

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境溫度變化較大，而且輸入信號比較微弱，有些要經(jīng)過幾十倍、幾百倍、甚至上千倍的放大。溫度偏差或噪聲信號過大都可能造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)故障。

3、元器件的性能參數(shù)應(yīng)當(dāng)匹配

通常，電子器件在出廠前都進(jìn)行了空載老化等質(zhì)量處理。必要時我們可對重要器件進(jìn)行帶載老化處理，使它們通上電，帶上額定負(fù)載，在恒溫箱中存放幾十小時后取出在篩選。

二、干擾問題

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中會遇到各種各樣的干擾問題。本設(shè)計(jì)主要介紹輸入系統(tǒng)的抗干擾措施。

1、開關(guān)量輸入的抗干擾措施

開關(guān)量輸入往往會給系統(tǒng)帶來很強(qiáng)的干擾，這樣就需要我們設(shè)計(jì)一個電路如防抖電路或通過軟件程序來已抑制干擾、例如鍵盤這樣的開關(guān)量輸入設(shè)備，在按鍵的過程中會存在著抖動的問題，這樣按鍵抖動就形成了開關(guān)量的輸入干擾，處理這樣的開關(guān)量輸入干擾一般最常用的措施是光電隔離電路，如圖1所示。這種措施使得開關(guān)量輸入與單片機(jī)系統(tǒng)隔離開來，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

在圖1中，輸入為開關(guān)量，不論其電平標(biāo)準(zhǔn)如何，都可以通過調(diào)節(jié)限電阻R3來控制光電耦合器中發(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)，進(jìn)而控制耦合器中三級管的通短，使單片機(jī)的P1.1口得到標(biāo)準(zhǔn)的檢測電壓值。這種措施能有效地抑制尖峰脈沖及其他各種噪聲的干擾。

2、模擬量通道的抗干擾措施

與開關(guān)量輸入、輸出通道一樣，模擬量輸入、輸出通道也因與測控設(shè)備直接相連而成為強(qiáng)電干擾竄入系統(tǒng)的渠道。在模擬量輸入、輸出通道上采取抗干擾措施時，應(yīng)盡可能將抗干擾的屏蔽器件設(shè)置在執(zhí)行部件或傳感附近。

用于模擬量抗干擾的器件很多，但主要還是光電耦合器和隔離變壓器。A/D轉(zhuǎn)換器的并行輸入口、D/A轉(zhuǎn)換器的并行輸入口以及它們的地址和控制線都用光點(diǎn)耦合器進(jìn)行隔離，同時光電耦合器的輸入和輸出回路分別供電，完全切斷了單片機(jī)系統(tǒng)與外部供電系統(tǒng)的聯(lián)系。

三、硬件系統(tǒng)可靠性措施

上述防止和消除干擾的硬件主動性措施是有效的，但并不能完全保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有時還需要系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)視、異常情況的處理與故障自恢復(fù)的問題。這是就需要配合一些硬件措施，在軟件可靠性方面著手。監(jiān)視定時器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是其中最常用最有效的方法之一，甚至隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的單片機(jī)本身就帶有監(jiān)視定時器。

監(jiān)視定時器實(shí)質(zhì)上就是專用的定時/計(jì)數(shù)器，它的時鐘來自單片機(jī)內(nèi)部或外部。我們通過適當(dāng)?shù)某绦蛟O(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，定時器每隔一定的時間將其初值化一次，保證不使其計(jì)數(shù)溢出。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常，程序不能正常運(yùn)行而亂時，則監(jiān)視定時器不能再有限的時間內(nèi)被消零，造成計(jì)數(shù)溢出，引起系統(tǒng)中斷，而使CPU轉(zhuǎn)入故障診斷于處理程序，而后恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。由此可見，監(jiān)視定時器提供了一中使系統(tǒng)從瞬時故障中能夠自動恢復(fù)的能力，其軟硬件實(shí)現(xiàn)也比較簡單，因而獲得了廣泛的應(yīng)用，長稱之為看門狗（WATCH DOG）。

四、軟件系統(tǒng)可靠性

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的精度，在程序方面可以采用各種措施，如數(shù)字濾波、自恢復(fù)、設(shè)置陷阱等。

1、數(shù)字濾波

數(shù)字濾波能夠清除有用信號中混雜的各種干擾信號，保證采集來的信號不失真，進(jìn)而達(dá)到提高應(yīng)用系統(tǒng)精度的目的。數(shù)字濾波器是根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)、信號的來源、工作環(huán)境、系統(tǒng)精度要求，然后通過程序的方法采用不同形式抑制干擾，保持信號的本來面目。

數(shù)字濾波有多種形式，根據(jù)實(shí)際情況的不同來加以選擇和運(yùn)用。

（1）中值濾波

所謂中值濾波就是對某一個被測參數(shù)連續(xù)采樣n次（一般n取奇數(shù)），然后將n次采樣值進(jìn)行排序，最后取中間值作為有效值存入單片機(jī)內(nèi)部儲存中，該方法主要適用于具有脈動干擾的場合，該方法的場合，它非常適合快速變化的信號采集。

（2）算術(shù)均值濾波

改方法是將n次采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次采樣有效值來使用。

（3）復(fù)合濾波

所謂復(fù)合濾波，就是將兩種或者兩種以上的濾波方法同時使用。復(fù)合濾波可大大提高濾波效果。目的被經(jīng)常使用的復(fù)合濾波是中值濾波和算術(shù)平均值濾波聯(lián)合使用。

2、陷阱指令

為了提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，防止程序由于干擾而“跑飛”，設(shè)計(jì)者可以在程序儲存器的空白區(qū)設(shè)置空操作指令和少量的短字節(jié)轉(zhuǎn)移指令。所謂的自陷指令通常指轉(zhuǎn)移指令。在設(shè)置陷阱前，若由于干擾PC的地址值跑到程序儲存器區(qū)域外，此時程序就再也無法正常運(yùn)行了。在設(shè)置了陷阱后，有空白程序區(qū)存放了大量的空操作指令如少量的轉(zhuǎn)移指令后由于干擾PC值脫離了程序存儲區(qū)二進(jìn)入空白程序存儲區(qū)，遇到空操作指令（單字節(jié)）它會順著NOP執(zhí)行，當(dāng)運(yùn)行到轉(zhuǎn)移指令時，系統(tǒng)又恢復(fù)了正常程序區(qū)，使系統(tǒng)恢復(fù)正常。該法不但適用于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)也適用于一切計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

五、結(jié)束語

單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性會不確定因素的干擾。提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性要從軟硬件入手。提高系統(tǒng)的自身防御行為，以上所提到幾種提高可靠性的方法，都不是單獨(dú)使用的，只有根據(jù)實(shí)際情況將這些方法有效地結(jié)合起來，才能達(dá)到最佳抗干擾效果，使我們的單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

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