增强单片机系统可靠性的软硬件设计研究

摘 要：随着单片机系统应用的不断深入，对系统综合性能也提出更高的要求。然而从较多工业控制中单片机的应用现状看，系统可靠性仍难以保障，究其原因在于实际设计中未做好软硬件设计，这就要求单片机系统设计中，为进一步增强其可靠性，需将更多相关技术引入其中。本文将从硬件、软件两方面着手，对可靠性设计思路进行研究。

关键词：单片机系统；可靠性设计；测试

作为现行较多电子产品、智能仪器、交通设备以及工业控制中常用的设备之一，单片机实际运行中本身处于较为恶劣的环境，且存在较多干扰性因素，严重情况下将直接使整个系统出现瘫痪。在此背景下，便提出系统可靠性设计内容，要求从系统硬件与软件等方面着手。但如何做好硬件、软件等设计，成为实际设计中的主要难题。因此，本文对单片机系统可靠性设计相关研究，具有十分重要的意义。

一、单片机系统硬件设计分析

（一）隔离与滤波技术

单片机系统设计中，对于硬件部分首先应注重将隔离技术引入其中。对于这种隔离技术，可细化为物理隔离、信号隔离技术等。以物理隔离技术为例，将其引入单片机系统内，需在线路布线、器件布局等方面保持合理的基础上，对其中可能被干扰的线路与器件进行放置，保证干扰问题得以有效控制。实际隔离过程中，主要强调对电源线与模拟、数字两种信号线进行隔离、数字与模拟两种电路相互隔离以及低功率与高功率器件间的隔离。对于单片机系统，一般其涉及到的敏感器件集中表现在RAM、AD/DA、单片机芯片以及相关噪声设备如整流桥、继电器与电机等。设计中对于模拟线、信号线，应保证做到不重叠、不平行，而噪声设备也需装设于具体区域，可考虑在电路板边缘进行设置。另外，在信号隔离技术方面，其在应用过程中主要在两个电路中进行中间器件的装设，避免电路间有回路情况存在。实际设计中首先可从供电模块方面着手，主要将末级隔离电路设置于模拟电源中，其作用在于隔离输入与输出电源，保证电源供电独立。而从信号传输方面，可将光电耦合隔离引入其中，这样在输入与输出数字信号中可满足隔离要求。尤其中的光耦，其用于光电转换，在隔离电阻特性上具有一定的优势，即使电平数字信号不同情况下，也能满足隔离传输要求。

（二）屏蔽技术与接地技术

在系统可靠性设计过程中，对于硬件部分也要求将屏蔽技术引入其中。系统运行过程中，通常电气设备、交流电源或高频电源等很可能在雷电下，有电磁波产生。假若在单片机系统附近有干扰源存在，电磁波干扰问题的产生主要集中在悬浮回路方面，而在系统与干扰源较远的情况下，电磁波干扰问题的存在主要以辐射形式为主。对此问题，可考虑将屏蔽体如金属盒、金属网、金属板等引入其中，使电磁场在这些屏蔽体吸收、反射下减弱，有利于屏蔽电磁波，系统EMC特性将表现极为明显。硬件部分设计过程中，需考虑到干扰问题的产生可能以电流形式或电压形式存在，对于不同形式干扰源应采取不同的解决策略，如在电流形式方面，可考虑将相应的高导电率、高导磁率铁磁等类型材料用于屏蔽中。而电压形式干扰问题，可采取屏蔽体接地方式，达到屏蔽电场干扰源的目的。另外，在硬件可靠性设计中，一般也需将接地技术应用其中，该技术可具体细化为信号接地、安全接地形式，前者主要针对信号、接口接地问题采取信号接地方式，尤其在系统中弱信号电路部分，若需满足噪声干扰消除、公共电路参考点获取等要求，可采取信号接地措施。而安全接地中强调系统电路接地过程中保持低阻抗，有利于漏电问题的有效控制[ 1 ]。

二、单片机软件系统设计分析

1）数字滤波技术。软件系统设计过程中，考虑到模拟信号采集中有较多偏差问题存在，其产生的原因多归结于前向传感器中有噪声信号传入。若这种偏差问题未得以及时控制，系统发出的控制信号都将出现误差。这种情况下，为使数据真实性得以保证，便需引入数字滤波技术。该技术实现中，对于错误数据主要利用其中判断或运算程序，使随机干扰得以消除，将有用信号中干扰信号比重控制到最低，尽可能将数据可信度提高。如一般滑动平均值、算术平均值等方法，都可使数据偏差问题得到控制[ 2 ]。

2）冗余技术。单片机软件可靠性设计中，冗余技术的应用集中表现在数据冗余、时间冗余以及指令冗余等方面。以数据冗余为例，其主要解决RAM区因干扰而产生的数据丢失问题，能够直接备份保留这些参数，在系统运行中可通过备份数据完成恢复与检验过程。而在时间冗余方面，其主要对系统某一程序反复执行，在此基础上将每次执行的结果对比分析，假若对比结果相同便说明系统运行正常，若结果差异明显需重新执行这一程序，剔除其中的干扰问题，或直接对不同结果认定为故障。以布尔类型信号为例，技术应用过程中会多次进行信号采集，对比采集结果的基础上，分析系否有外部控制信号存在。另外，在指令冗余技术应用下，其主要将冗余指令装设到程序中，使程序错误问题得以有效控制。

3）恢复技术。当电磁干扰较为严重时，单片机系统中较多程序都可能处于错误运行状态，此时需考虑到利用相应软件以使系统自我恢复得以实现。其中的恢复技术首先表现在软件陷阱方面，其主要利用相应的代码与指令初始化处理错误程序问题，避免系统运行偏离正确轨道。为使软件陷阱效果得到最大程度发挥，可考虑在非程序区中装设软件陷阱，其在不影响正常程序运行的情况下可引导失控程序。另外，也可考虑将“看门狗”程序引入软件设计中，其对于程序错误的处理以及程序中断等能够发挥重要作用[ 3 ]。

三、结论

软硬件设计是否合理是决定单片机系统可靠性的关键性因素。实际设计过程中，对于硬件设计部分，可考虑将接地技术、屏蔽技术、滤波技术以及隔离技术等引入其中，而在软件设计方面主要以恢复技术、冗余技术以及数字滤波技术等为主。通过这些技术的融入，对系统可靠性的强化可起到明显效果。

参考文献：

[1] 张璐璐.单片机温度测量和控制系统的设计与实现[D].吉林大学，2014.

[2] 王锐锋.机翼模拟梁液压控制系统软硬件设计及实现[D].西安电子科技大学，2013.

[3] 贾常俊.智能立体车库控制系统的设计与研究[D].兰州理工大学，2010.

作者简介：张娟（1980-），女，汉族，山西晋中人，助理工程师，研究方向：广播发送技术。