邢宇航+李敏+封富君

摘要：基于單片機系統(tǒng)的各類儀器設備目前廣泛應用于多個領域，根據(jù)多年維修經(jīng)驗積累，首先分析了單片機系統(tǒng)的基本結構，然后給出了單片機系統(tǒng)的設備維修原則，提出了具體的維修方法、維修步驟及維修中的注意事項，最后對維修案例進行了詳細分析，并給出了維修方案。

關鍵詞： 單片機； 維修原則； 維修方法； 維修案例

中圖分類號：TP306 文獻標識碼：A 文章編號：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

單片機以其卓越的性能和極高的性價比在許多領域內(nèi)都得到了廣泛應用，例如家用電器、實驗設備、智能卡、智能儀器儀表、網(wǎng)絡與通信、工業(yè)測控等方面[1-2]，但是，基于單片機系統(tǒng)的設備在使用過程中，會出現(xiàn)各種硬件和軟件的故障，如何查找故障并且及時有效的修復故障便成了亟待解決的問題。目前針對計算機維修的方法很多，但對基于單片機系統(tǒng)設備的維修方法卻很少。本文根據(jù)作者多年對維修類課程實踐教學的經(jīng)驗積累，對基于單片機系統(tǒng)的設備維修方法進行深入研究，首先介紹了基于單片機系統(tǒng)的設備基本構成，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維修案例進行了分析。

2 基于單片機系統(tǒng)的設備基本構成

單片機（Micro Controller Unit，MCU）是把組成微型計算機的各個功能部件，包括中央處理器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入輸出接口（I/O）、定時器、計數(shù)器及串行通信接口等元器件，采用大規(guī)模集成技術集成制作在—塊芯片中，構成一個完整的微型計算機。單片機結構和指令功能都是按照工業(yè)控制要求設計的，因而又叫做單片微控制器（Single Chip Microcontroller），在國外稱為單片微型計算機[3-4]。可以看出，單片機其實就是高度集成的微型計算機，而基于單片機系統(tǒng)的設備則是以單片機為核心，通過單片機控制命令使設備的各個部件協(xié)調(diào)、有序工作，從而完成一個復雜的功能。單片機的基本結構如圖1所示。

3 基于單片機系統(tǒng)的設備基本構成

故障診斷與維修的過程是一個觀察現(xiàn)象、分析問題、處理問題的過程。基于單片機系統(tǒng)的設備維修完全有別于機械維修，因為直觀上不可能看到單片機系統(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，基于單片機的設備維修必須以嚴緊理論為基礎，以科學的測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，并根據(jù)設備的特點，選用合適的方法，才能準確找出故障的位置并進行維修[5-6]。

3.1 設備維修的基本原則

設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。它包含兩個層次，一是從技術上考慮導致故障的所有原因，然后再動手維修；二是要從整體的情況通過觀察判斷故障原因。第一個層次適用于維修較熟練的人員；第二個層次適用于一般的維修人員。“簡單入手”是指在簡潔的環(huán)境下分析處理故障，簡潔的環(huán)境主要是：一個最小系統(tǒng)環(huán)境；僅僅運行被懷疑部件的環(huán)境；一個僅安裝操作系統(tǒng)的環(huán)境。這樣可以很快對故障進行分離，找到故障點，并且不會擴大故障。

“分清主次，先主后次”是指在復現(xiàn)故障現(xiàn)象時，有時會看到一臺故障機不止有一個故障現(xiàn)象，可能存在兩個或兩個以上的故障現(xiàn)象（如啟動過程中無顯示，但機器仍能啟動，同時啟動完后，有死機的現(xiàn)象等），此時，應該先分清主次，判斷并維修主要的故障，當主要故障修復后，再維修次要故障，此時也許次要故障現(xiàn)象已不需要維修了。

“先想后做，按部就班”是指根據(jù)設備的工作原理和連接順序，先想好怎樣做、從何處入手，再實際動手，即先分析判斷，再進行維修。對于所觀察到的現(xiàn)象，先查閱相關的資料，熟悉設備的工作原理和連接順序，看有無相應的技術要求、使用特點等，然后結合相應的維修方法，再著手進行維修。在分析判斷的過程中，要充分運用自身已有的知識、經(jīng)驗進行判斷，對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)驗的同事或技術支持工程師咨詢，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，則應先排除軟件問題，當軟件環(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，許多基于單片機的設備不像一般計算機那樣易于裝卸軟件，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，即先對硬件進行排除。實際上，基于單片機系統(tǒng)的設備軟件都已寫入硬件，硬件更換相當于軟件也被重裝了，這也是與一般的計算機維修不同的地方。

3.2 設備維修的方法

單片機是微型計算機，其工作原理同普通計算機是一樣的，所以維修理念也是一樣的，但是由于不同的單片機系統(tǒng)其結構和制作工藝存在差異，所以在進行維修時不能生搬硬套計算機的維修方法，而應具體情況具體分析?？偟恼f來，基于單片機設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，貫穿于整個維修過程中，是所有維修方法的輔助大法。觀察不僅要認真，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鼓起）等；軟件環(huán)境主要包括用戶操作的過程、操作習慣、設備實現(xiàn)功能；嗅，即聞氣味，嗅有無異味也是常用的維修方法，例如用電設備被燒的可能性很大，如果元器件被燒毀，則會散發(fā)出糊味，可根據(jù)糊味的來源查出故障元器件，進而進行維修。一般情形下，若燒毀嚴重，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，能使設備開機或運行的最基本的硬件和軟件環(huán)境。對于集成度高的單片機設備來說，不易實現(xiàn)軟件或硬件的分離，但是焊接技術嫻熟和專業(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現(xiàn)最小系統(tǒng)。因此，最小系統(tǒng)法適于有技術基礎的人員使用。

逐步添加法是指在最小系統(tǒng)的基礎上，每次向系統(tǒng)添加一個部件/設備或軟件，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，以此來判斷并定位故障部位。對于集成度高的單片機設備來說，元器件一般都是通過焊接相連的，操作時一定要小心謹慎，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。對于集成度高的設備來說，不但元器件的體積小，而且還要進行精確的焊接工作，因此在操作時一定要小心操作，避免損壞其他好的部件。

比較法是將故障設備和完好的設備進行對比，找出其中的差異。比較的內(nèi)容有三個：一是硬件比較，用懷疑有故障的部件和正常部件進行外觀、配置、參數(shù)、運行現(xiàn)象等方面的比較，以判斷故障設備硬件環(huán)境方面的不同，從而找出故障部位；二是軟件比較，查看兩臺設備使用的操作系統(tǒng)、應用程序是否存在不同，進而判斷故障部位；三是波形比較，用示波器分別對故障設備的輸出信號或頻率特性進行測量、觀察，然后與正常的設備的波形和頻率特性相比較，查看其差異，分析原因，進而找出故障。用波形比較法能夠很快查出兩臺設備之間的差異，減小故障的排除范圍，而且便于分析，該方法是單片機設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設備中斷開，即脫焊連線的一端或取出有關元器件和插件，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，可進一步進行維修；若故障依舊，則可排除剛才分割出去的元器件，這對故障范圍的縮小起到了很大的作用。

敲打法是通過適當?shù)恼駝?、扭曲，甚至用橡膠棒適當?shù)那么蛟O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別元件松動或連線接觸不良導致的，通過輕微的振動、扭曲等敲打動作，會看到故障在某個時刻恢復正常，雖然這個故障恢復時間會很短暫，但可以據(jù)此斷定剛才敲打的部件就是故障所在，然后做進一步精確試調(diào)進行故障修復。

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

4 維修案例分析

這里以自己動手焊接的一個基于單片機的微型MP3播放器為例，結合以上的維修原則，介紹維修方法的實際應用。該系統(tǒng)在硬件上主要包括MSP430F149單片機最小系統(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自制字庫的Flash存儲器等。MP3播放器系統(tǒng)結構如圖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)是單片機系統(tǒng)、SPI總線和液晶。根據(jù)單片機工作原理，如果單片機電壓、時鐘和復位均正常，那么可以判定其工作正常，但是不排除有個別引腳損壞的可能。經(jīng)過測量，單片機無故障。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控制的，若正常顯示，必須電壓正常、復位正常和單片機時鐘要送達。按下復位鍵，發(fā)現(xiàn)液晶閃爍，復位正常；此時使用波形比較法，用示波器測量時鐘信號，發(fā)現(xiàn)液晶無時鐘信號。而單片機時鐘是正常的，那么可以肯定是連接單片機與液晶的時鐘線路斷路，用萬用表進行測量，發(fā)現(xiàn)斷路。

維修方案：兩種方法，修補PCB連接線或飛線（即用單獨的一根連接線把兩端接起來即可）。由于連接單片機與液晶的時鐘線路經(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，設備顯示正常，故障排除。

5 結論

基于單片機設備的維修是一項理論與實踐結合非常緊密的工作，既要熟悉設備的基本原理、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踐積累。在維修時，設備故障現(xiàn)象可能會各式各樣，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與實踐經(jīng)驗的結果，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踐。

參考文獻：

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