基于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備維修方法研究

邢宇航+李敏+封富君

摘要：基于單片機(jī)系統(tǒng)的各類儀器設(shè)備目前廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，根據(jù)多年維修經(jīng)驗(yàn)積累，首先分析了單片機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，然后給出了單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備維修原則，提出了具體的維修方法、維修步驟及維修中的注意事項(xiàng)，最后對(duì)維修案例進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了維修方案。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； 維修原則； 維修方法； 維修案例

中圖分類號(hào)：TP306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）12-0273-03

Abstract：Equipment for MCU system are applied in many fields. According to experience， the basic structure of MCU firstly is analysed， then provides the maintenance priciples， methods， procedures and announcements， finally the maintenance approach is proposed after analyzing a maintenance case.

Key words：MCU； maintenance principles； maintenance methods； maintenance case

1 概述

單片機(jī)以其卓越的性能和極高的性價(jià)比在許多領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛應(yīng)用，例如家用電器、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、智能卡、智能儀器儀表、網(wǎng)絡(luò)與通信、工業(yè)測控等方面[1-2]，但是，基于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備在使用過程中，會(huì)出現(xiàn)各種硬件和軟件的故障，如何查找故障并且及時(shí)有效的修復(fù)故障便成了亟待解決的問題。目前針對(duì)計(jì)算機(jī)維修的方法很多，但對(duì)基于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的維修方法卻很少。本文根據(jù)作者多年對(duì)維修類課程實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)積累，對(duì)基于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備維修方法進(jìn)行深入研究，首先介紹了基于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備基本構(gòu)成，然后給出了基本維修原則，最后提出了具體的維修方法并對(duì)維修案例進(jìn)行了分析。

2 基于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備基本構(gòu)成

單片機(jī)（Micro Controller Unit，MCU）是把組成微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件，包括中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、輸入輸出接口（I/O）、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器及串行通信接口等元器件，采用大規(guī)模集成技術(shù)集成制作在—塊芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)結(jié)構(gòu)和指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，因而又叫做單片微控制器（Single Chip Microcontroller），在國外稱為單片微型計(jì)算機(jī)[3-4]?？梢钥闯?，單片機(jī)其實(shí)就是高度集成的微型計(jì)算機(jī)，而基于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備則是以單片機(jī)為核心，通過單片機(jī)控制命令使設(shè)備的各個(gè)部件協(xié)調(diào)、有序工作，從而完成一個(gè)復(fù)雜的功能。單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 基于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備基本構(gòu)成

故障診斷與維修的過程是一個(gè)觀察現(xiàn)象、分析問題、處理問題的過程?；趩纹瑱C(jī)系統(tǒng)的設(shè)備維修完全有別于機(jī)械維修，因?yàn)橹庇^上不可能看到單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部線路的好壞情況，只能通過儀器儀表測量數(shù)據(jù)。因此，基于單片機(jī)的設(shè)備維修必須以嚴(yán)緊理論為基礎(chǔ)，以科學(xué)的測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，并根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)，選用合適的方法，才能準(zhǔn)確找出故障的位置并進(jìn)行維修[5-6]。

3.1 設(shè)備維修的基本原則

設(shè)備維修遵循的基本原則概括起來為：“全面考慮，簡單入手”、“分清主次，先主后次”，“先想再做，按部就班”、“判斷軟硬，視情入手”。

“全面考慮”是指盡可能考慮所有的原因。它包含兩個(gè)層次，一是從技術(shù)上考慮導(dǎo)致故障的所有原因，然后再動(dòng)手維修；二是要從整體的情況通過觀察判斷故障原因。第一個(gè)層次適用于維修較熟練的人員；第二個(gè)層次適用于一般的維修人員?！昂唵稳胧帧笔侵冈诤啙嵉沫h(huán)境下分析處理故障，簡潔的環(huán)境主要是：一個(gè)最小系統(tǒng)環(huán)境；僅僅運(yùn)行被懷疑部件的環(huán)境；一個(gè)僅安裝操作系統(tǒng)的環(huán)境。這樣可以很快對(duì)故障進(jìn)行分離，找到故障點(diǎn)，并且不會(huì)擴(kuò)大故障。

“分清主次，先主后次”是指在復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象時(shí)，有時(shí)會(huì)看到一臺(tái)故障機(jī)不止有一個(gè)故障現(xiàn)象，可能存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的故障現(xiàn)象（如啟動(dòng)過程中無顯示，但機(jī)器仍能啟動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)完后，有死機(jī)的現(xiàn)象等），此時(shí)，應(yīng)該先分清主次，判斷并維修主要的故障，當(dāng)主要故障修復(fù)后，再維修次要故障，此時(shí)也許次要故障現(xiàn)象已不需要維修了。

“先想后做，按部就班”是指根據(jù)設(shè)備的工作原理和連接順序，先想好怎樣做、從何處入手，再實(shí)際動(dòng)手，即先分析判斷，再進(jìn)行維修。對(duì)于所觀察到的現(xiàn)象，先查閱相關(guān)的資料，熟悉設(shè)備的工作原理和連接順序，看有無相應(yīng)的技術(shù)要求、使用特點(diǎn)等，然后結(jié)合相應(yīng)的維修方法，再著手進(jìn)行維修。在分析判斷的過程中，要充分運(yùn)用自身已有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，對(duì)于一些不太了解或根本不了解的故障現(xiàn)象，一定要先向有經(jīng)驗(yàn)的同事或技術(shù)支持工程師咨詢，尋求幫助。

“判斷軟硬，視情入手”是指要先判斷是軟件故障還是硬件故障，如果是軟件故障，則應(yīng)先排除軟件問題，當(dāng)軟件環(huán)境正常后，看故障是否排除，如果故障不能消除，再從硬件方面著手檢查。不過，許多基于單片機(jī)的設(shè)備不像一般計(jì)算機(jī)那樣易于裝卸軟件，需要專門的程序和燒寫工具。因此，易于軟硬件裝卸的可以采用先軟后硬的原則；不易于軟硬件裝卸的和沒有專門工具的，可以采用先硬后軟的原則，即先對(duì)硬件進(jìn)行排除。實(shí)際上，基于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備軟件都已寫入硬件，硬件更換相當(dāng)于軟件也被重裝了，這也是與一般的計(jì)算機(jī)維修不同的地方。

3.2 設(shè)備維修的方法

單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)，其工作原理同普通計(jì)算機(jī)是一樣的，所以維修理念也是一樣的，但是由于不同的單片機(jī)系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)和制作工藝存在差異，所以在進(jìn)行維修時(shí)不能生搬硬套計(jì)算機(jī)的維修方法，而應(yīng)具體情況具體分析?？偟恼f來，基于單片機(jī)設(shè)備的維修方法主要有觀嗅法、最小系統(tǒng)法、逐步添加/去除法、替換法、比較法、分割排除法和敲打法[7-8]。

觀嗅法是維修判斷過程中第一要法，貫穿于整個(gè)維修過程中，是所有維修方法的輔助大法。觀察不僅要認(rèn)真，而且要全面。要觀察的內(nèi)容包括：硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。硬件環(huán)境主要包括連接線路、插頭、座、槽和元器件（如柱狀電容被擊穿常會(huì)鼓起）等；軟件環(huán)境主要包括用戶操作的過程、操作習(xí)慣、設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能；嗅，即聞氣味，嗅有無異味也是常用的維修方法，例如用電設(shè)備被燒的可能性很大，如果元器件被燒毀，則會(huì)散發(fā)出糊味，可根據(jù)糊味的來源查出故障元器件，進(jìn)而進(jìn)行維修。一般情形下，若燒毀嚴(yán)重，觀察也可以發(fā)現(xiàn)燒毀的痕跡。不過輕微的燒毀，也可能沒有氣味，所以觀和嗅要結(jié)合起來查找問題。

最小系統(tǒng)法是指從維修判斷的角度看，能使設(shè)備開機(jī)或運(yùn)行的最基本的硬件和軟件環(huán)境。對(duì)于集成度高的單片機(jī)設(shè)備來說，不易實(shí)現(xiàn)軟件或硬件的分離，但是焊接技術(shù)嫻熟和專業(yè)維修人員，可以采用板上開路或者吹掉部分元器件的方法實(shí)現(xiàn)最小系統(tǒng)。因此，最小系統(tǒng)法適于有技術(shù)基礎(chǔ)的人員使用。

逐步添加法是指在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，每次向系統(tǒng)添加一個(gè)部件/設(shè)備或軟件，來檢查故障現(xiàn)象是否消失或發(fā)生變化，如果故障沒有變化，說明故障不在添加的部件內(nèi)；如果發(fā)生變化，則可以肯定故障在該部件內(nèi)，或與該部件直接相關(guān)，以此來判斷并定位故障部位。對(duì)于集成度高的單片機(jī)設(shè)備來說，元器件一般都是通過焊接相連的，操作時(shí)一定要小心謹(jǐn)慎，切勿損壞其他元器件，且要遵循先添加/去除引腳少的元器件，再添加/去除引腳多的元器件，及控制芯片盡量不要輕易操作的原則。

替換法是指用好的部件去代替可能有故障的部件，以觀察故障現(xiàn)象是否消失的一種維修方法。對(duì)于集成度高的設(shè)備來說，不但元器件的體積小，而且還要進(jìn)行精確的焊接工作，因此在操作時(shí)一定要小心操作，避免損壞其他好的部件。

比較法是將故障設(shè)備和完好的設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，找出其中的差異。比較的內(nèi)容有三個(gè)：一是硬件比較，用懷疑有故障的部件和正常部件進(jìn)行外觀、配置、參數(shù)、運(yùn)行現(xiàn)象等方面的比較，以判斷故障設(shè)備硬件環(huán)境方面的不同，從而找出故障部位；二是軟件比較，查看兩臺(tái)設(shè)備使用的操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序是否存在不同，進(jìn)而判斷故障部位；三是波形比較，用示波器分別對(duì)故障設(shè)備的輸出信號(hào)或頻率特性進(jìn)行測量、觀察，然后與正常的設(shè)備的波形和頻率特性相比較，查看其差異，分析原因，進(jìn)而找出故障。用波形比較法能夠很快查出兩臺(tái)設(shè)備之間的差異，減小故障的排除范圍，而且便于分析，該方法是單片機(jī)設(shè)備維修的不可或缺的方法。

分割排除法又稱開路法，就是把可疑部分從整機(jī)設(shè)備中斷開，即脫焊連線的一端或取出有關(guān)元器件和插件，觀察其故障現(xiàn)象變化。若故障消失，則可斷定故障位于被分割的部位，可進(jìn)一步進(jìn)行維修；若故障依舊，則可排除剛才分割出去的元器件，這對(duì)故障范圍的縮小起到了很大的作用。

敲打法是通過適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)、扭曲，甚至用橡膠棒適當(dāng)?shù)那么蛟O(shè)備的特定部件來觀察故障現(xiàn)象的變化，從而判斷故障部件的一種維修方法。在眾多的故障中，很大一部分是由于個(gè)別元件松動(dòng)或連線接觸不良導(dǎo)致的，通過輕微的振動(dòng)、扭曲等敲打動(dòng)作，會(huì)看到故障在某個(gè)時(shí)刻恢復(fù)正常，雖然這個(gè)故障恢復(fù)時(shí)間會(huì)很短暫，但可以據(jù)此斷定剛才敲打的部件就是故障所在，然后做進(jìn)一步精確試調(diào)進(jìn)行故障修復(fù)。

設(shè)備維修雖然有原則可依，卻無定法可依，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，隨時(shí)改變維修思路和方法，不能死搬教條，要靈活采用各種方法，從而快速準(zhǔn)確的排除故障。

4 維修案例分析

這里以自己動(dòng)手焊接的一個(gè)基于單片機(jī)的微型MP3播放器為例，結(jié)合以上的維修原則，介紹維修方法的實(shí)際應(yīng)用。該系統(tǒng)在硬件上主要包括MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)、音頻解碼模塊、SD卡讀寫模塊、液晶顯示模塊以及用來存儲(chǔ)自制字庫的Flash存儲(chǔ)器等。MP3播放器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

故障現(xiàn)象：通電后，指示燈亮，液晶屏亮，但無顯示。

故障分析：1）根據(jù)維修的基本原則，指示燈亮，可以排除電源的連接問題；再觀察其他部件的電壓是否正常，使用萬用表測量后發(fā)現(xiàn)，包括液晶在內(nèi)的所有部件都有正常的電壓，排除電源的問題。

2）采用替換法，換用另外一塊液晶或者把此液晶在其他MP3上使用，結(jié)果表明，液晶無故障。

3）根據(jù)最小系統(tǒng)法，與液晶連接的最小系統(tǒng)是單片機(jī)系統(tǒng)、SPI總線和液晶。根據(jù)單片機(jī)工作原理，如果單片機(jī)電壓、時(shí)鐘和復(fù)位均正常，那么可以判定其工作正常，但是不排除有個(gè)別引腳損壞的可能。經(jīng)過測量，單片機(jī)無故障。然后判斷SPI總線是否出現(xiàn)故障，由于SPI總線包含控制總線和數(shù)據(jù)總線，液晶顯示正常與否是由單片機(jī)控制的，若正常顯示，必須電壓正常、復(fù)位正常和單片機(jī)時(shí)鐘要送達(dá)。按下復(fù)位鍵，發(fā)現(xiàn)液晶閃爍，復(fù)位正常；此時(shí)使用波形比較法，用示波器測量時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)現(xiàn)液晶無時(shí)鐘信號(hào)。而單片機(jī)時(shí)鐘是正常的，那么可以肯定是連接單片機(jī)與液晶的時(shí)鐘線路斷路，用萬用表進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)斷路。

維修方案：兩種方法，修補(bǔ)PCB連接線或飛線（即用單獨(dú)的一根連接線把兩端接起來即可）。由于連接單片機(jī)與液晶的時(shí)鐘線路經(jīng)過了SD卡，需要拆下SD卡才能焊接，所以我們采用了飛線的方法。經(jīng)調(diào)試，設(shè)備顯示正常，故障排除。

5 結(jié)論

基于單片機(jī)設(shè)備的維修是一項(xiàng)理論與實(shí)踐結(jié)合非常緊密的工作，既要熟悉設(shè)備的基本原理、單元電路工作過程及其調(diào)試技能，更需要有深厚的理論功底和豐富的實(shí)踐積累。在維修時(shí)，設(shè)備故障現(xiàn)象可能會(huì)各式各樣，維修方法也無固定模式可循，只有根據(jù)具體情況靈活運(yùn)用合適的維修方法才能快速有效的排除故障。本文提出的維修方法是綜合了理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的結(jié)果，不可能包含所有的方法，而更多更有效的方法還需要不斷的探索和實(shí)踐。

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