陳澤淇西北工業(yè)大學，陜西西安　　710072

單片機系統(tǒng)可靠性新技術淺析

陳澤淇
西北工業(yè)大學，陜西西安710072

摘要單片機被廣泛應用在金融、通訊以及交通管理、工業(yè)控制等領域，這些行業(yè)對于單片機有個統(tǒng)一的要求，就是其可靠性。如果單片機在這些行業(yè)的使用過程中，出現(xiàn)任何問題以及故障，都會產(chǎn)生嚴重的不良影響。然后在單片機系統(tǒng)開發(fā)過程中，常常出現(xiàn)只能在實驗室環(huán)境下正常運行，在實際應用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各種問題。究其原因是由于單片機系統(tǒng)的抗干擾設計有問題，從而降低了單片機系統(tǒng)在實際應用中的可靠性。本文從單片機系統(tǒng)可靠性新技術進行分析探討，希望能夠與同行業(yè)人士之間相互交流借鑒。

關鍵詞單片機系統(tǒng)；可靠性；電路設計

1 單片機可靠性不足的原因

1.1單片機可靠性不足的內(nèi)在原因

1）單片機中的隨機存儲數(shù)據(jù)一旦發(fā)生錯亂，就會導致單片機死機，其程序會出現(xiàn)死循環(huán)。

2）單片機中的內(nèi)部程序指針出現(xiàn)錯亂，隨便指向了錯誤的地方，使得運行的程序不正確，造成隨機存儲器之中的某些數(shù)據(jù)被打亂，程序計算的結果是錯誤的，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)被控制對象的錯誤操作。

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

4）錯亂的單片機內(nèi)部程序指針，會造成單片機運行過程中，中斷程序超出了時間的限定。

5）第五，隨機存儲器之中的計時數(shù)據(jù)被打亂，造成程序在計算的過程中產(chǎn)生出錯誤結果。

1.2單片機系統(tǒng)可靠性不足的外在原因

1）單片機自身沒有足夠的抗干擾能力。

2）單片機所處環(huán)境有較強的電磁干擾。

3）單片機沒有足夠的整體電源抗干擾能力以及單片機功率過低等。

4）單片機程序內(nèi)缺少抗干擾設計或者設計有缺陷。

5）單片機由于各個組織期間之間的驅動功率太小，因此狀態(tài)是剛剛達標，尚不足。

6）單片機在進行長距離的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，缺乏相對應的屏蔽保護措施。

7）單片機元件的質量太差。

2 單片機硬件可靠性新技術

2.1電源干擾及其抑制措施

電源干擾成為影響單片機可靠性最主要的原因之一，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，90%以上的單片機運行故障是因為電源噪音所引起的。

1）交流電源干擾及抑制。

通常情況下，220V、50Hz的電源是單片機進行供電的時候所使用的電源。但是在工業(yè)生產(chǎn)的實際操作過程中，由于生產(chǎn)負荷會產(chǎn)生很大的變化，因此，這種大型生產(chǎn)設備的每次啟動與停止，都會使得單片機電源與電壓產(chǎn)生波動，甚至還會引起尖峰脈沖的出現(xiàn)，這些都會對單片機系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響，導致單片機出現(xiàn)死機現(xiàn)象。因此，為了避免單片機受到電源的干擾，一方面要盡可能的使得單片機遠離干擾源，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，單片機的應用系統(tǒng)會使用到不同電壓等級的幾種直流電源。因此，單片機可靠性的提高可以從這方面入手，使用低紋波、高低質量的集成穩(wěn)壓電路，或者在供電方面采用直流開關電源等。

2.2地線干擾及其抑制

在單片機系統(tǒng)中，接地的好壞，將會對單片機的工作狀態(tài)產(chǎn)生重要影響。一點接地，是在單片機處于低頻電路的時候，在這個時候，布線與元件之間的計生電感對單片機影響不大；假如單片機是在高頻電路中，那么分布電容與布線、元件之間的計生電感會導致各個接地線之間的耦合，這里需要利用多點接地；在分布印刷電路板地線煩人時候，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候通過地線，那么其寬度應當增加，需要與小信號區(qū)別開來。

2.3隔離措施

1）物理隔離。

為了提高單片機的可靠性，可以把單片機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)則進行放置，如此一來，通過合理的布置單片機系統(tǒng)的線路以及器件，達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。

將兩個電路之間的直接電聯(lián)系通過中間器件的安裝來進行切斷，這就是常說的信號隔離技術，這樣一來，兩個電路之間就成為獨立的，無法形成回路，從而噪音就無法在兩個電路之間來回串通。在單片機系統(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；在這個過程中，絕對不能出現(xiàn)的設計是將單片機的口線直接與開關量信號連接，二者之間必須要有一個緩沖驅動的芯片作為隔離。

3 單片機軟件可靠性技術設計

3.1數(shù)字濾波技術

在對模擬信號進行采集的時候，所得數(shù)據(jù)很多時候會存在偏差。但是很多時候這并不是因為程序出現(xiàn)問題而引起的，往往都是由單片機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)的真實以及準確性，可以利用數(shù)字濾波技術。滑動平均值法、算術平均值法、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。

3.2指令冗余技術

首先獲取操作碼，其次獲取操作數(shù)，這是單片機CPU獲取指令的過程。當單片機受到干擾的時候，就會出現(xiàn)錯誤，導致程序混亂。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將后面指令當作操作數(shù)來執(zhí)行，程序會自動轉到正常運行軌道上。

3.3軟件陷阱技術

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

3.4“看門狗”技術

在單片機系統(tǒng)中，為了避免程序進入“死循環(huán)”的境地，通常情況下會利用“看門狗”技術來對失控程序進行處理。在單片機系統(tǒng)中，無論是硬件還是軟件，都可以采用“看門狗”技術。此項技術的應用，需要注意的是在提高單片機系統(tǒng)的可靠性的同時，必須要保證單片機系統(tǒng)的可重入性。單片機系統(tǒng)的重入性，可以在單片機系統(tǒng)的RAM中，存入其歷史狀態(tài)。在系統(tǒng)用電能夠確保的時候，在系統(tǒng)重入的時候，可以重新使用這些歷史數(shù)據(jù)。如果單片機系統(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 結論

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

參考文獻

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中圖分類號TP39

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2015）140-0156-02