单片机系统设计的可靠性.doc

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。 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）； 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。 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