王高建

【摘要】單片機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計是一個重要的設(shè)計過程，并具有很強的工程實踐性。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性由多種因素決定，提高可靠性包括兩方面的工作：一是在工藝上提高構(gòu)成系統(tǒng)的元器件本身的可靠性；二是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計方面提高整個系統(tǒng)的可靠性。

【關(guān)鍵詞】單片機；可靠性；工程實踐性

一、元器件的選擇與使用

元器件是組成單片機應(yīng)用系統(tǒng)硬件的基本單元，合理選擇與使用元器件對整個系統(tǒng)的可靠性運行是非常重要的，因為系統(tǒng)中任何一個元器件（甚至一個二極管）發(fā)生故障都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)不能正常工作，甚至損壞系統(tǒng)。元器件的選擇要結(jié)合具體系統(tǒng)的硬件可靠性分析進行。

在元器件選擇上一般應(yīng)注意以下幾點：

1、盡量選用大規(guī)模或大規(guī)模集成電路芯片來設(shè)計系統(tǒng)

這可大大減少電路間的分布電容，減少干擾信號耦合，同時也可減少由于元器件性能的離散性所造成的瞬態(tài)偶發(fā)性失效故障。目前CMOS型集成電路芯片被愈來愈多地使用，它在可靠性方面具有明顯的優(yōu)點。

2、盡可能選擇熱穩(wěn)定行好、噪聲系數(shù)小的元器件

單片機應(yīng)用系統(tǒng)運行的環(huán)境溫度變化較大，而且輸入信號比較微弱，有些要經(jīng)過幾十倍、幾百倍、甚至上千倍的放大。溫度偏差或噪聲信號過大都可能造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)故障。

3、元器件的性能參數(shù)應(yīng)當(dāng)匹配

通常，電子器件在出廠前都進行了空載老化等質(zhì)量處理。必要時我們可對重要器件進行帶載老化處理，使它們通上電，帶上額定負(fù)載，在恒溫箱中存放幾十小時后取出在篩選。

二、干擾問題

單片機應(yīng)用系統(tǒng)在運行的過程中會遇到各種各樣的干擾問題。本設(shè)計主要介紹輸入系統(tǒng)的抗干擾措施。

1、開關(guān)量輸入的抗干擾措施

開關(guān)量輸入往往會給系統(tǒng)帶來很強的干擾，這樣就需要我們設(shè)計一個電路如防抖電路或通過軟件程序來已抑制干擾、例如鍵盤這樣的開關(guān)量輸入設(shè)備，在按鍵的過程中會存在著抖動的問題，這樣按鍵抖動就形成了開關(guān)量的輸入干擾，處理這樣的開關(guān)量輸入干擾一般最常用的措施是光電隔離電路，如圖1所示。這種措施使得開關(guān)量輸入與單片機系統(tǒng)隔離開來，大大增強了系統(tǒng)的可靠性。

在圖1中，輸入為開關(guān)量，不論其電平標(biāo)準(zhǔn)如何，都可以通過調(diào)節(jié)限電阻R3來控制光電耦合器中發(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)，進而控制耦合器中三級管的通短，使單片機的P1.1口得到標(biāo)準(zhǔn)的檢測電壓值。這種措施能有效地抑制尖峰脈沖及其他各種噪聲的干擾。

2、模擬量通道的抗干擾措施

與開關(guān)量輸入、輸出通道一樣，模擬量輸入、輸出通道也因與測控設(shè)備直接相連而成為強電干擾竄入系統(tǒng)的渠道。在模擬量輸入、輸出通道上采取抗干擾措施時，應(yīng)盡可能將抗干擾的屏蔽器件設(shè)置在執(zhí)行部件或傳感附近。

用于模擬量抗干擾的器件很多，但主要還是光電耦合器和隔離變壓器。A/D轉(zhuǎn)換器的并行輸入口、D/A轉(zhuǎn)換器的并行輸入口以及它們的地址和控制線都用光點耦合器進行隔離，同時光電耦合器的輸入和輸出回路分別供電，完全切斷了單片機系統(tǒng)與外部供電系統(tǒng)的聯(lián)系。

三、硬件系統(tǒng)可靠性措施

上述防止和消除干擾的硬件主動性措施是有效的，但并不能完全保證系統(tǒng)的正常運行，有時還需要系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)視、異常情況的處理與故障自恢復(fù)的問題。這是就需要配合一些硬件措施，在軟件可靠性方面著手。監(jiān)視定時器的設(shè)計與應(yīng)用是其中最常用最有效的方法之一，甚至隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，越來越多的單片機本身就帶有監(jiān)視定時器。

監(jiān)視定時器實質(zhì)上就是專用的定時/計數(shù)器，它的時鐘來自單片機內(nèi)部或外部。我們通過適當(dāng)?shù)某绦蛟O(shè)計，使系統(tǒng)在正常運行時，定時器每隔一定的時間將其初值化一次，保證不使其計數(shù)溢出。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常，程序不能正常運行而亂時，則監(jiān)視定時器不能再有限的時間內(nèi)被消零，造成計數(shù)溢出，引起系統(tǒng)中斷，而使CPU轉(zhuǎn)入故障診斷于處理程序，而后恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。由此可見，監(jiān)視定時器提供了一中使系統(tǒng)從瞬時故障中能夠自動恢復(fù)的能力，其軟硬件實現(xiàn)也比較簡單，因而獲得了廣泛的應(yīng)用，長稱之為看門狗（WATCH DOG）。

四、軟件系統(tǒng)可靠性

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的精度，在程序方面可以采用各種措施，如數(shù)字濾波、自恢復(fù)、設(shè)置陷阱等。

1、數(shù)字濾波

數(shù)字濾波能夠清除有用信號中混雜的各種干擾信號，保證采集來的信號不失真，進而達到提高應(yīng)用系統(tǒng)精度的目的。數(shù)字濾波器是根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)、信號的來源、工作環(huán)境、系統(tǒng)精度要求，然后通過程序的方法采用不同形式抑制干擾，保持信號的本來面目。

數(shù)字濾波有多種形式，根據(jù)實際情況的不同來加以選擇和運用。

（1）中值濾波

所謂中值濾波就是對某一個被測參數(shù)連續(xù)采樣n次（一般n取奇數(shù)），然后將n次采樣值進行排序，最后取中間值作為有效值存入單片機內(nèi)部儲存中，該方法主要適用于具有脈動干擾的場合，該方法的場合，它非常適合快速變化的信號采集。

（2）算術(shù)均值濾波

改方法是將n次采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次采樣有效值來使用。

（3）復(fù)合濾波

所謂復(fù)合濾波，就是將兩種或者兩種以上的濾波方法同時使用。復(fù)合濾波可大大提高濾波效果。目的被經(jīng)常使用的復(fù)合濾波是中值濾波和算術(shù)平均值濾波聯(lián)合使用。

2、陷阱指令

為了提高單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，防止程序由于干擾而“跑飛”，設(shè)計者可以在程序儲存器的空白區(qū)設(shè)置空操作指令和少量的短字節(jié)轉(zhuǎn)移指令。所謂的自陷指令通常指轉(zhuǎn)移指令。在設(shè)置陷阱前，若由于干擾PC的地址值跑到程序儲存器區(qū)域外，此時程序就再也無法正常運行了。在設(shè)置了陷阱后，有空白程序區(qū)存放了大量的空操作指令如少量的轉(zhuǎn)移指令后由于干擾PC值脫離了程序存儲區(qū)二進入空白程序存儲區(qū)，遇到空操作指令（單字節(jié)）它會順著NOP執(zhí)行，當(dāng)運行到轉(zhuǎn)移指令時，系統(tǒng)又恢復(fù)了正常程序區(qū)，使系統(tǒng)恢復(fù)正常。該法不但適用于單片機應(yīng)用系統(tǒng)也適用于一切計算機應(yīng)用系統(tǒng)。

五、結(jié)束語

單片機系統(tǒng)運行的可靠性會不確定因素的干擾。提高單片機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性要從軟硬件入手。提高系統(tǒng)的自身防御行為，以上所提到幾種提高可靠性的方法，都不是單獨使用的，只有根據(jù)實際情況將這些方法有效地結(jié)合起來，才能達到最佳抗干擾效果，使我們的單片機系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

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