單片機(jī)系統(tǒng)可靠性新技術(shù)淺析

陳澤淇西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安　　710072

單片機(jī)系統(tǒng)可靠性新技術(shù)淺析

陳澤淇
西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072

摘要單片機(jī)被廣泛應(yīng)用在金融、通訊以及交通管理、工業(yè)控制等領(lǐng)域，這些行業(yè)對于單片機(jī)有個(gè)統(tǒng)一的要求，就是其可靠性。如果單片機(jī)在這些行業(yè)的使用過程中，出現(xiàn)任何問題以及故障，都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響。然后在單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)過程中，常常出現(xiàn)只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下正常運(yùn)行，在實(shí)際應(yīng)用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種問題。究其原因是由于單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)有問題，從而降低了單片機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。本文從單片機(jī)系統(tǒng)可靠性新技術(shù)進(jìn)行分析探討，希望能夠與同行業(yè)人士之間相互交流借鑒。

關(guān)鍵詞單片機(jī)系統(tǒng)；可靠性；電路設(shè)計(jì)

1 單片機(jī)可靠性不足的原因

1.1單片機(jī)可靠性不足的內(nèi)在原因

1）單片機(jī)中的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)一旦發(fā)生錯(cuò)亂，就會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)死機(jī)，其程序會(huì)出現(xiàn)死循環(huán)。

2）單片機(jī)中的內(nèi)部程序指針出現(xiàn)錯(cuò)亂，隨便指向了錯(cuò)誤的地方，使得運(yùn)行的程序不正確，造成隨機(jī)存儲(chǔ)器之中的某些數(shù)據(jù)被打亂，程序計(jì)算的結(jié)果是錯(cuò)誤的，外圍的鎖存電路受到一定的干擾，出現(xiàn)了誤鎖 存的情況，以至于出現(xiàn)被控制對象的錯(cuò)誤操作。

3）單片機(jī)被控制對象與鎖存電路之間的線路被干擾，從而造成單片機(jī)被控制對象出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。

4）錯(cuò)亂的單片機(jī)內(nèi)部程序指針，會(huì)造成單片機(jī)運(yùn)行過程中，中斷程序超出了時(shí)間的限定。

5）第五，隨機(jī)存儲(chǔ)器之中的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)被打亂，造成程序在計(jì)算的過程中產(chǎn)生出錯(cuò)誤結(jié)果。

1.2單片機(jī)系統(tǒng)可靠性不足的外在原因

1）單片機(jī)自身沒有足夠的抗干擾能力。

2）單片機(jī)所處環(huán)境有較強(qiáng)的電磁干擾。

3）單片機(jī)沒有足夠的整體電源抗干擾能力以及單片機(jī)功率過低等。

4）單片機(jī)程序內(nèi)缺少抗干擾設(shè)計(jì)或者設(shè)計(jì)有缺陷。

5）單片機(jī)由于各個(gè)組織期間之間的驅(qū)動(dòng)功率太小，因此狀態(tài)是剛剛達(dá)標(biāo)，尚不足。

6）單片機(jī)在進(jìn)行長距離的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，缺乏相對應(yīng)的屏蔽保護(hù)措施。

7）單片機(jī)元件的質(zhì)量太差。

2 單片機(jī)硬件可靠性新技術(shù)

2.1電源干擾及其抑制措施

電源干擾成為影響單片機(jī)可靠性最主要的原因之一，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，90%以上的單片機(jī)運(yùn)行故障是因?yàn)殡娫丛胍羲鸬摹?/p>

1）交流電源干擾及抑制。

通常情況下，220V、50Hz的電源是單片機(jī)進(jìn)行供電的時(shí)候所使用的電源。但是在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際操作過程中，由于生產(chǎn)負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生很大的變化，因此，這種大型生產(chǎn)設(shè)備的每次啟動(dòng)與停止，都會(huì)使得單片機(jī)電源與電壓產(chǎn)生波動(dòng)，甚至還會(huì)引起尖峰脈沖的出現(xiàn)，這些都會(huì)對單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致單片機(jī)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。因此，為了避免單片機(jī)受到電源的干擾，一方面要盡可能的使得單片機(jī)遠(yuǎn)離干擾源，另一方面使用電源濾波器、交流穩(wěn)壓器或者是1:1隔離變壓器。

2）直流電源抗干擾措施。

通常情況下，單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)會(huì)使用到不同電壓等級的幾種直流電源。因此，單片機(jī)可靠性的提高可以從這方面入手，使用低紋波、高低質(zhì)量的集成穩(wěn)壓電路，或者在供電方面采用直流開關(guān)電源等。

2.2地線干擾及其抑制

在單片機(jī)系統(tǒng)中，接地的好壞，將會(huì)對單片機(jī)的工作狀態(tài)產(chǎn)生重要影響。一點(diǎn)接地，是在單片機(jī)處于低頻電路的時(shí)候，在這個(gè)時(shí)候，布線與元件之間的計(jì)生電感對單片機(jī)影響不大；假如單片機(jī)是在高頻電路中，那么分布電容與布線、元件之間的計(jì)生電感會(huì)導(dǎo)致各個(gè)接地線之間的耦合，這里需要利用多點(diǎn)接地；在分布印刷電路板地線煩人時(shí)候，接地線尤其是TTL、CMOS等器件的接地線，一定要避免出現(xiàn)環(huán)形形狀，而是要分布成輻射網(wǎng)狀；而電流的大小決定了印刷電路板地線的寬度。如果條件允許的話，要盡可能的加寬地線，不要過長的旁路電容地線；如果是電流信號較大的時(shí)候通過地線，那么其寬度應(yīng)當(dāng)增加，需要與小信號區(qū)別開來。

2.3隔離措施

1）物理隔離。

為了提高單片機(jī)的可靠性，可以把單片機(jī)中容易被干擾或者產(chǎn)生干擾的器件、電路等分開，也可以采取合理的規(guī)則進(jìn)行放置，如此一來，通過合理的布置單片機(jī)系統(tǒng)的線路以及器件，達(dá)到降低自身受到干擾的目的。具體方面來說，可以隔離大小功率、高低電平器件；隔離數(shù)字與模擬電路；隔離模擬信號線、數(shù)字信號線、電源線等。

2）信號隔離技術(shù)。

將兩個(gè)電路之間的直接電聯(lián)系通過中間器件的安裝來進(jìn)行切斷，這就是常說的信號隔離技術(shù)，這樣一來，兩個(gè)電路之間就成為獨(dú)立的，無法形成回路，從而噪音就無法在兩個(gè)電路之間來回串通。在單片機(jī)系統(tǒng)中，最容易受到干擾的地方就是輸入輸出口線，如果沒有I/O口線，那么在電阻上，需要將電平拉高，避免懸置；在這個(gè)過程中，絕對不能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)是將單片機(jī)的口線直接與開關(guān)量信號連接，二者之間必須要有一個(gè)緩沖驅(qū)動(dòng)的芯片作為隔離。

3 單片機(jī)軟件可靠性技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1數(shù)字濾波技術(shù)

在對模擬信號進(jìn)行采集的時(shí)候，所得數(shù)據(jù)很多時(shí)候會(huì)存在偏差。但是很多時(shí)候這并不是因?yàn)槌绦虺霈F(xiàn)問題而引起的，往往都是由單片機(jī)前向傳感器被噪音信號侵入引起的。因此，為了確保所得數(shù)據(jù)的真實(shí)以及準(zhǔn)確性，可以利用數(shù)字濾波技術(shù)?；瑒?dòng)平均值法、算術(shù)平均值法、一階遞推數(shù)字濾波法和防脈沖干擾平均值法等等都屬于數(shù)字濾波技術(shù)。

3.2指令冗余技術(shù)

首先獲取操作碼，其次獲取操作數(shù)，這是單片機(jī)CPU獲取指令的過程。當(dāng)單片機(jī)受到干擾的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致程序混亂。為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以將單字節(jié)指令插入到某些關(guān)鍵的位置，或者將有效單字節(jié)指令重寫為指令冗余。具體可以將兩個(gè)字節(jié)以上的空操作指令NOP插入到三字節(jié)指令或者雙字節(jié)指令的后面，這樣一來即便程序出現(xiàn)混亂，而由于NOP的存在，就能夠有效的避免單片機(jī)將后面指令當(dāng)作操作數(shù)來執(zhí)行，程序會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到正常運(yùn)行軌道上。

3.3軟件陷阱技術(shù)

如果非程序區(qū)進(jìn)入混亂的程序，那么冗余指令就起不到作用了。因此，為了將混亂的程序進(jìn)行攔截，可以利用軟件陷阱的技術(shù)，將混亂的程序規(guī)劃到指定的位置，然后再進(jìn)行錯(cuò)誤處理?，F(xiàn)階段，軟件陷阱就是軟件攔截技術(shù)。將混亂的程序利用引導(dǎo)指令強(qiáng)行引到一個(gè)制定的地址，之后會(huì)有專門處理錯(cuò)誤程序的指令對其進(jìn)行處理。

3.4“看門狗”技術(shù)

在單片機(jī)系統(tǒng)中，為了避免程序進(jìn)入“死循環(huán)”的境地，通常情況下會(huì)利用“看門狗”技術(shù)來對失控程序進(jìn)行處理。在單片機(jī)系統(tǒng)中，無論是硬件還是軟件，都可以采用“看門狗”技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，需要注意的是在提高單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性的同時(shí)，必須要保證單片機(jī)系統(tǒng)的可重入性。單片機(jī)系統(tǒng)的重入性，可以在單片機(jī)系統(tǒng)的RAM中，存入其歷史狀態(tài)。在系統(tǒng)用電能夠確保的時(shí)候，在系統(tǒng)重入的時(shí)候，可以重新使用這些歷史數(shù)據(jù)。如果單片機(jī)系統(tǒng)的電源穩(wěn)定性無法保證，可以利用備用電池來供電，以保證系統(tǒng)用電，從而確保安全穩(wěn)定的RAM數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

從上述分析中可以看出，影響單片機(jī)可靠性最主要原因是干擾過多，單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾性能低。在對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)時(shí)，要對單片機(jī)系統(tǒng)的工作環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)分析，確定干擾的類型，找出系統(tǒng)受到哪種干擾的影響最多，從而采取相應(yīng)的措施。只有這樣才能夠加強(qiáng)單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

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中圖分類號TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1674-6708（2015）140-0156-02