淺談單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

摘要：可靠性設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)甩系統(tǒng)設(shè)計(jì)必不可少的設(shè)計(jì)內(nèi)容。本文從現(xiàn)代電子系統(tǒng)的可靠性出發(fā)，詳細(xì)論述了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性特點(diǎn)。提出了芯片選擇、電源設(shè)計(jì)、PCB制作、噪聲失敏控制、程序失控回復(fù)等集合硬件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)和軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的解決方法。可供單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員借鑒與參考。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括功能性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和產(chǎn)品化設(shè)計(jì)。其中，功能性是基礎(chǔ)，可靠性是保障，產(chǎn)品化是前途。因此，從事單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作的設(shè)計(jì)人員必須掌握可靠性設(shè)計(jì)。

一、可靠性與可靠性設(shè)計(jì)

1．現(xiàn)代電子系統(tǒng)的可靠性

現(xiàn)代電子系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：嵌入式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)．智能化的體系結(jié)構(gòu)；以計(jì)算機(jī)為核心的柔性硬件基礎(chǔ)，由軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能；硬件系統(tǒng)有微電子技術(shù)的有力支持。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是當(dāng)前最典型、最廣泛的現(xiàn)代電子系統(tǒng)。

現(xiàn)代電子系統(tǒng)的可靠性表現(xiàn)為，在規(guī)定條件下，系統(tǒng)準(zhǔn)確無(wú)誤運(yùn)行的能力．突出了可靠性的軟件和運(yùn)行中的失誤概率?？煽啃栽O(shè)計(jì)則是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，保證運(yùn)行可靠的全部設(shè)計(jì)手段，甚至包括了產(chǎn)品出廠后軟件升級(jí)中的町靠性設(shè)計(jì)。由于軟件的介入，可靠性問(wèn)題除了二值可靠性的“失效”外．出現(xiàn)了除了“正?！迸c“失效”以外介于其間的諸如“出錯(cuò)”、“失誤”、“不穩(wěn)定”的多值可靠性問(wèn)題。

2．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的可靠性特點(diǎn)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)普遍采用CMOS器件，因此，經(jīng)常的運(yùn)行狀態(tài)有靜態(tài)運(yùn)行與動(dòng)態(tài)運(yùn)行之分。

靜態(tài)運(yùn)行是指單片機(jī)在休閑或掉電方式下的工作狀態(tài)。此時(shí)，單片機(jī)指令停止運(yùn)行。外圍電路被關(guān)斷或電源被關(guān)斷，系統(tǒng)中只有值守電路在工作。因此，靜態(tài)運(yùn)行下的系統(tǒng)不存在軟件的可靠性問(wèn)題，其可靠性主要表現(xiàn)在值守電路的抗干擾能力、系統(tǒng)中器件的靜態(tài)參數(shù)余度，如直流特性參數(shù)余度、工作電壓、工作穩(wěn)定以及接插件的可靠性等。

動(dòng)態(tài)運(yùn)行是指單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作在程序運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)的可靠性主要是軟件運(yùn)行的可靠性問(wèn)題．表現(xiàn)在動(dòng)態(tài)參數(shù)余度，如邏輯電平噪聲容限、時(shí)鐘誤差、時(shí)序誤差等。

(2)固化軟件運(yùn)行環(huán)境與可靠性

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU運(yùn)行的是事先固化在單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器的軟件．用戶(hù)無(wú)法更改和輸入新的程序。這就避免r外來(lái)計(jì)算機(jī)病毒的侵襲，其可靠性表現(xiàn)在固化軟件本身的可靠性和程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保護(hù)的可靠性。

(3)時(shí)空邊界性問(wèn)題與可靠性

時(shí)空邊界性問(wèn)題普遍存在于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中．如單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中采用二位十進(jìn)制數(shù)代替四位公元紀(jì)年的定時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)。在跨越2000年時(shí)就會(huì)形成數(shù)據(jù)處理失誤；采用有限寫(xiě)入次數(shù)的程序存儲(chǔ)器。在超過(guò)寫(xiě)入次數(shù)的運(yùn)行操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；程序存儲(chǔ)器保存數(shù)據(jù)也有一定的年限，超過(guò)此年限也會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。其它諸如計(jì)數(shù)容量．?dāng)?shù)據(jù)溢出，參數(shù)超邊界應(yīng)用都會(huì)帶來(lái)可靠性問(wèn)題。因此．必須采取時(shí)空邊界性問(wèn)題的可靠性防范措施。

3．本質(zhì)可靠性與可靠性控制

本質(zhì)可靠性是只考慮系統(tǒng)功能要求的軟、硬件可靠性設(shè)計(jì)，是可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。如采用CMOS電路代替7rrL電路提高噪聲容限，增加系統(tǒng)抗干擾能力：采用高可靠性的軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；按照電磁兼容規(guī)范設(shè)計(jì)可靠的PCB等。

常用的可靠性控制設(shè)計(jì)有：噪聲失敏控制，時(shí)空邊界管理，系統(tǒng)自檢與自修復(fù)，出錯(cuò)后的安全性包容等。

二、硬件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)本質(zhì)可靠性和可靠性控制的基礎(chǔ)。

1．硬件系統(tǒng)總體方案的可靠性設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)總體方案的可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

(1)采用硬件平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件平臺(tái)都是由相近似的應(yīng)用系統(tǒng)基本電路組成，只適用于某一領(lǐng)域中的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；谟布脚_(tái)設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)有基本的可靠性保證。一個(gè)良好的硬件平臺(tái)應(yīng)具備：標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)；柔性特性的基本應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；豐富的軟件支持；可靠性測(cè)試記錄。

(2)最大的系統(tǒng)集成

最大的系統(tǒng)集成可以最大限度簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成，有助于減少系統(tǒng)硬件失誤概率。最大的系統(tǒng)集成應(yīng)具備：依靠器件解決的思想；單片機(jī)選擇實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大包容；0EM的支持。

2．器件選擇的可靠性設(shè)計(jì)

單片機(jī)芯片的選擇要滿(mǎn)足系統(tǒng)集成的最大化要求；優(yōu)選CMOS器件：為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)盡可能采用串行傳輸總線(xiàn)器件代替并行總線(xiàn)擴(kuò)展的器件；選擇保證可靠性的專(zhuān)用器件，如采用電源監(jiān)控類(lèi)器件、信號(hào)線(xiàn)路故障保護(hù)器、ESD(靜電干擾)保護(hù)器、能實(shí)現(xiàn)電源短路保護(hù)的自聚合開(kāi)關(guān)等。

三、軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中，軟件設(shè)計(jì)最主要的任務(wù)是保證在過(guò)程空間中。應(yīng)用程序按照給定的順序有序運(yùn)行。在高可靠性的硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上。軟件設(shè)計(jì)的可靠性保障了最少的軟件錯(cuò)誤以及在軟件出錯(cuò)后仍能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行或安全運(yùn)行。

1．本質(zhì)可靠性的軟件設(shè)計(jì)

軟件的本質(zhì)可靠性是指不依靠軟件附加．最大限度減少自身錯(cuò)誤及缺陷，并且要有足夠的時(shí)序余度。

單片機(jī)系統(tǒng)在CPU的控制下實(shí)現(xiàn)分時(shí)操作．程序完全依靠時(shí)序調(diào)度、切換控制。程序運(yùn)行的可控不僅要求時(shí)序準(zhǔn)確，而且要有足夠的時(shí)序余度。

第一，系統(tǒng)復(fù)位時(shí)序。多個(gè)器件復(fù)位的時(shí)序要求是主要問(wèn)題。應(yīng)保證MCU對(duì)外圍可編程器件的初始化在該器件復(fù)位后進(jìn)行。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可以在系統(tǒng)上電復(fù)位后，MCU延遲片刻，確保外圍器件復(fù)位后，再對(duì)其初始化。

第二，外圍器件工作時(shí)序。對(duì)外圍器件的工作時(shí)序必須分析清楚，MCU的操作必須保證時(shí)序信號(hào)的銜接控制和時(shí)序信號(hào)的時(shí)序余度。

第三。應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)序。應(yīng)用系統(tǒng)中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換有MCU運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換、外圍器件運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換和電源系統(tǒng)供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換等。在程序設(shè)計(jì)中．必須考慮狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)過(guò)渡期對(duì)程序運(yùn)行的影響，精心設(shè)計(jì)時(shí)序控制。通常。MCU本身的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，都有自動(dòng)監(jiān)視、自動(dòng)運(yùn)行管理功能，程序設(shè)計(jì)只需按MCU數(shù)據(jù)手冊(cè)及指令系統(tǒng)的操作要求進(jìn)行即可。對(duì)于有較長(zhǎng)過(guò)渡期的外圍狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可采取足夠的延時(shí)或設(shè)置提前轉(zhuǎn)換狀態(tài)的辦法。

第四，總線(xiàn)時(shí)序。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中有并行總線(xiàn)和串行總線(xiàn)，這些總線(xiàn)在規(guī)范化操作時(shí)，其時(shí)序數(shù)據(jù)通信協(xié)議保證。在虛擬總線(xiàn)方式時(shí)，虛擬總線(xiàn)運(yùn)行的可靠性在于時(shí)序的準(zhǔn)確模擬。并行總線(xiàn)要保證讀、寫(xiě)操作指令運(yùn)行下的讀寫(xiě)時(shí)序：同步串行總線(xiàn)要保證時(shí)鐘線(xiàn)控制下的同步時(shí)序；串行異步時(shí)序則要考慮波特率對(duì)數(shù)據(jù)傳送的影響。

四、結(jié)束語(yǔ)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)涉及硬件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)，采取的措施多而復(fù)雜。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件與目標(biāo)要求，制定應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性等級(jí)，合理采用硬性可靠性措施。充分利用軟件的可靠性設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

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審核編輯 黃昊宇