論單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

杜仲平 潘陽陽

1.山東科力光電技術(shù)有限公司 山東濟(jì)南 250000 2.濟(jì)寧科力光電產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司 山東濟(jì)寧 272000

當(dāng)前在我國各個領(lǐng)域，運用單片機(jī)的范圍越來越廣泛，例如金融、農(nóng)業(yè)自動化、工業(yè)控制等等，如何保證單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性，成為研究領(lǐng)域的重要課題。單片機(jī)分為硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)等。進(jìn)行可靠時設(shè)計要考慮多種因素。

1 單片機(jī)硬件系統(tǒng)可靠性

（1）在系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計加工時，選用質(zhì)量好的插件進(jìn)行工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計，將合格的元器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選測試，對于技術(shù)參數(shù)余量和元器件等進(jìn)行分析研究，得到相關(guān)的印制組裝的質(zhì)量參數(shù)。

（2）單片機(jī)需要增加容忍故障的能力，如果系統(tǒng)百分之百沒有故障，則在部件發(fā)生故障的時候，系統(tǒng)依然要正常的工作。系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)娜哂鄦卧?，要保證某個部件發(fā)生故障時有冗余部件接替，出錯前的狀態(tài)進(jìn)行工作，可以在子系統(tǒng)或者是元件及系統(tǒng)中進(jìn)行，用于設(shè)計容易設(shè)計，可以使用兩套設(shè)備相互備用的方式進(jìn)行。

（3）對于硬件抗干擾措施，采用單面機(jī)系統(tǒng)不穩(wěn)定設(shè)計理念，對于電磁耦合和導(dǎo)線傳輸?shù)入姶鸥蓴_信號，容易發(fā)生故障的部位，進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控和電路檢測。自動報警系統(tǒng)是當(dāng)前較為常用的系統(tǒng)工作狀態(tài)，采用電源故障監(jiān)視，電子狗定時器等，都可以對系統(tǒng)發(fā)生的故障和錯誤進(jìn)行監(jiān)測。例如看門狗電路中，芯片就包含了看門狗定時器，通過軟件對于系統(tǒng)的監(jiān)控時間進(jìn)行預(yù)制,輸出看門狗定時器預(yù)制時間，經(jīng)過微分電路輸出，正脈沖復(fù)位CPU、上電復(fù)位、人工復(fù)位等都屬于cpu復(fù)位信號[1]。

2 單片機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計

通過綜合RESET端將CPU的振蕩器在時間常數(shù)的規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行工作，短時間內(nèi)開門口電路可以實現(xiàn)循環(huán)周期的運行。開門口的定時時間可以在軟件的合適地方，加上較大循環(huán)周期的時間設(shè)定，無法捕捉回程序時，可以防止系統(tǒng)跑飛，系統(tǒng)不會復(fù)位，而且在正常工作下可以迫使系統(tǒng)自動復(fù)位，應(yīng)該在適當(dāng)?shù)牡胤阶⒁膺M(jìn)行指令的設(shè)置，保證程序能夠正常運行[2]。

（1）軟件可靠性設(shè)計。使用單片機(jī)進(jìn)行軟件設(shè)計的時候，要保證整個系統(tǒng)能夠達(dá)到軟硬件緊密結(jié)合，軟件的可靠性設(shè)計在提高硬件可靠性的前提下，從長期使用測試等方面來解決可靠性的問題。

工業(yè)控制的場景下，系統(tǒng)可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾能力等。這些重要指標(biāo)包含了單片機(jī)的指令系統(tǒng)，復(fù)雜指令集結(jié)結(jié)構(gòu)，單片機(jī)軟件抗干擾設(shè)計，包括了工業(yè)控制，抗干擾措施等等，將程序拉入到正常軌道，可以防止跑飛程序發(fā)生，還可以規(guī)避軟件陷阱等[3]。

（2）指令用于是在雙字節(jié)等關(guān)鍵地方取得操作數(shù)和操作碼。根據(jù)指令過程中的相應(yīng)的環(huán)節(jié)，從跑飛程序到雙字節(jié)指令，使用窄操作指令NOP避免后面的指令錯誤執(zhí)行，為程序納入正軌做好準(zhǔn)備。

在指令插入后，可以實行質(zhì)量的跑，非納入到正軌之后，確保這些重要指令的執(zhí)行。需要注意的是，CPU不再將操作數(shù)當(dāng)作操作碼錯誤執(zhí)行，而需要糾正程序的錯誤執(zhí)行方向，將程序的錯誤執(zhí)行方向扭轉(zhuǎn)過來，還需要實行跑飛程序的指令，插入致命令。

（3）設(shè)計軟件陷阱，要考慮到程序存儲器中的填入指令，在執(zhí)行一段空操作后，轉(zhuǎn)入未使用的空間，均勻地插入只跳轉(zhuǎn)指令和空操作指令。在空操作指令中設(shè)置一定的結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)可以防止軟件陷阱發(fā)生。

在程序執(zhí)行階段，錯誤操作后，如果遇到一個軟件限定，那么軟件部分發(fā)生陷阱的錯誤是無法執(zhí)行的。數(shù)據(jù)表較大的情況下，軟件陷阱中會出現(xiàn)執(zhí)行錯誤操作，修正之后才能轉(zhuǎn)入正軌。除了程序存儲器的空白區(qū)域，還有在數(shù)據(jù)表的中間設(shè)置軟件陷阱，保證程序跑飛到數(shù)據(jù)區(qū)，及時轉(zhuǎn)入程序存儲器之后，在兩個子程序中間設(shè)置軟件陷阱，及時捕獲錯誤中斷，在對應(yīng)的中斷服務(wù)器程序中設(shè)置軟件陷阱，使用中斷干擾開放的形式，將干擾的情況和存儲器的容量進(jìn)行確定。如果太多占用大量的程序存儲器，則不可能出現(xiàn)跑飛攔截。

（4）軟件看門狗技術(shù)是一種通過不斷檢測程序循環(huán)運行，來達(dá)到對錯誤操作進(jìn)行糾正的程序。在實際應(yīng)用中，如果發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間，則可以定時檢查主程序的運行情況。在選擇一個字節(jié)的時候，定時器的中斷服務(wù)程序，可以一次性將存儲器中的循環(huán)進(jìn)行檢查，系統(tǒng)如果陷入死循環(huán)，則看門狗寄存器可能會發(fā)生改變。此時如果是在工業(yè)運行中就要采用環(huán)形中斷揭示系統(tǒng)，破壞中斷方式，關(guān)閉中斷用定時器，通過上述操作，看門狗實現(xiàn)了定時啟動。

采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以使看門狗具有很好的抗干擾性能。定時器不能進(jìn)行中段的時候，可以采用窗口通訊的測控系統(tǒng)，全盤合理考慮軟件看門狗技術(shù)，采取技巧性的處理方式，運用好定時器資源，就能完成定時功能，以及軟件看門狗功能。在檢查RAM區(qū)發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重干擾的時候，可以在程序執(zhí)行過程中，對于不能可靠運行下去的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)有改變數(shù)據(jù)的情況，則可以立即執(zhí)行相關(guān)語句。強(qiáng)制單片機(jī)中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化進(jìn)行復(fù)位[4]。

3 結(jié)語

單片機(jī)系統(tǒng)運行可靠性，可以采用多種可靠性方法進(jìn)行自身防御和軟硬件的維護(hù)。本文從軟硬件不確定因素干擾進(jìn)行分析，提出了提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計的方法。在實際操作中還要根據(jù)實際情況進(jìn)行方法的結(jié)合，達(dá)到最佳的抗干擾效果，保證單片機(jī)系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定地運行。