单片机系统的可靠性研究

2014-04-29祝奕冰

电脑迷 2014年19期

关键词：抗干扰可靠性单片机

祝奕冰

摘要通过对单片机实际应用中遇到的、与可靠性技术有关的问题的讨论，提出了一些解决办法。只有细致周到地分析干扰源，硬件与软件抗干扰相结合，完善系统监控程序，设计一套稳定可靠的单片机系统是完全可以实现的。

关键词单片机抗干扰可靠性稳定性

中图分类号：TP3 文献标识码：A

1单片机选型

1.1低功耗单片机

CHMOS芯片是专为低功耗系统设计的芯片类型，通过对单片机的特殊功能寄存器 PCON编程，使单片机工作在待机或掉电工作方式。在设计低功耗应用系统时，不仅要选用低功耗型单片机，在外围扩展电路中也应选择低功耗的芯片和器件。

1.2低噪声单片机

使用低噪声单片机可实现单片机系统噪声的降低。而大功率的驱动电路集成到单片机内部无疑增加了噪声源，一般采用跳变沿软化技术可降低此类系统噪声。

1.3高速度单片机

单片机外部时钟是高频的噪声源，除了能引起单片机应用系统本身的干扰之外，还可能对外界其他设备造成干扰，使电磁兼容检测不能达标。在对系统可靠性要求很高的应用系统中，通常可选用时钟频率低、指令运行速度快的单片机来降低系统噪声干扰。

2单片机硬件抗干扰

2.1接地

给单片机系统提供良好的保护地线，提高系统的抗干扰能力。

2.2隔离与屏蔽

隔离一般是通过使用光电隔离器件将单片机的输入输出隔离开，从而有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，使传输通道的信噪比大大提高。屏蔽则是用来隔离空间辐射的，对噪声特别大的部件，如开关电源用金属盒罩起来，可减少对单片机系统的干扰。

2.3PCB综合布局和布线

PCB电路板的设计要本着尽量控制噪声源、尽量减小噪声的传播与耦合和尽量减少敏感元件对干扰噪声的拾取这三大原则进行。具体设计时，应结合PCB设计的相关规则进行合理的布局和布线。

2.4硬件“看门狗”技术

若失控的程序进入“死循环”，一般采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过硬件“看门狗”电路不断检测程序循环运行时间，当发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，对单片机进行复位操作，脱离“死循环”。

3单片机软件抗干扰

3.1指令冗余技术

单片机CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当PC受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。若“飞” 到了三字节指令，出错机率更大。

在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。

此外，对系统流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP，也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。

3.2软件陷阱技术

当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过设置软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。

3.3软件“看门狗”技术

若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现。在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断。则系统无法定时“喂狗”，硬件“看门狗”电路失效。而软件“看门狗”可有效地解决这类问题。

软件看门狗通常是使用定时器中断来监视程序运行状态。定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环的时间，在主程序运行中执行一次定时器时间常数刷新操作，这样只要程序正常运行，定时器不会出现定时中断。当程序失常时，就不能及时刷新定时器时间常数而导致定时中断时，利用定时中断服务程序将系统复位。

4单片机复位

一般来说不同的单片机的复位电路稍有不同，单片机厂商都会提供标准的复位电路资料，可根据资料合理设计复位电路。

5单片机系统可靠性测试

5.1测试单片机软件功能的完善性

这是针对所有单片机系统功能的测试，根据生产要求和控制要求测试软件是否正确完整。

5.2上电掉电测试

在使用中，用户必然会遇到上电和掉电的情况，通过多次开关电源来测试单片机系统的可靠性。

5.3老化测试

测试长时间工作情况下，单片机系统的可靠性。必要的话可以放置在高温、高压以及强电磁干扰的环境下测试。

5.4ESD和 EFT等测试

可以使用各种干扰模拟器来测试单片机系统的可靠性。例如使用静电模拟器测试单片机系统的抗静电ESD能力；使用突波杂讯模拟器进行快速脉冲抗干扰 EFT测试等等。