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單片機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性必須從軟件、硬件以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面全面考慮。硬件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)可靠性的根本，而軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)起到抑制外來(lái)干擾的作用。軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)的主要方法有：開(kāi)機(jī)自檢、軟件陷阱(進(jìn)行程序“跑飛”檢測(cè))、設(shè)置程序運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)記、輸出端口刷新、輸入多次采樣、軟件“看門狗”等。通過(guò)軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，達(dá)到最大限度地降低干擾對(duì)系統(tǒng)工作的影響，確保單片機(jī)及時(shí)發(fā)現(xiàn)因干擾導(dǎo)致程序出現(xiàn)的錯(cuò)誤，并使系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)或及時(shí)報(bào)警的目的。
一、開(kāi)機(jī)自檢 開(kāi)機(jī)后首先對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的硬件及軟件狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)不正常，就進(jìn)行相應(yīng)的處理。開(kāi)機(jī)自檢程序通常包括對(duì)RAM、ROM、I/O口狀態(tài)等的檢測(cè)。
1?檢測(cè)RAM 檢查RAM讀寫是否正常，實(shí)際操作是向RAM單元寫“00H”，讀出也應(yīng)為“00H”，再向其寫“FFH”，讀出也應(yīng)為“FFH”。如果RAM單元讀寫出錯(cuò)，應(yīng)給出RAM出錯(cuò)提示(聲光或其它形式)，等待處理。
2?檢查ROM單元的內(nèi)容 對(duì)ROM單元的檢測(cè)主要是檢查ROM單元的內(nèi)容的校驗(yàn)和。所謂ROM的校驗(yàn)和是將ROM的內(nèi)容逐一相加后得到一個(gè)數(shù)值，該值便稱校驗(yàn)和。ROM單元存儲(chǔ)的是程序、常數(shù)和表格。一旦程序編寫完成，ROM中的內(nèi)容就確定了，其校驗(yàn)和也就是唯一的。若ROM校驗(yàn)和出錯(cuò)，應(yīng)給出ROM出錯(cuò)提示(聲光或其它形式)，等待處理。
3?檢查I/O口狀態(tài) 首先確定系統(tǒng)的I/O口在待機(jī)狀態(tài)應(yīng)處的狀態(tài)，然后檢測(cè)單片機(jī)的I/O口在待機(jī)狀態(tài)下的狀態(tài)是否正常(如是否有短路或開(kāi)路現(xiàn)象等)。若不正常，應(yīng)給出出錯(cuò)提示(聲光或其它形式)，等待處理。
4?其它接口電路檢測(cè) 除了對(duì)上述單片機(jī)內(nèi)部資源進(jìn)行檢測(cè)外，對(duì)系統(tǒng)中的其它接口電路，比如擴(kuò)展的E2PROM、A/D轉(zhuǎn)換電路等，又如數(shù)字測(cè)溫儀中的555單穩(wěn)測(cè)溫電路，均應(yīng)通過(guò)軟件進(jìn)行檢測(cè)，確定是否有故障。
只有各項(xiàng)檢查均正常，程序方能繼續(xù)執(zhí)行，否則應(yīng)提示出錯(cuò)。
二、軟件陷阱 在程序存儲(chǔ)器中總會(huì)有一些區(qū)域未使用，如果因干擾導(dǎo)致單片機(jī)的指令計(jì)數(shù)器PC值被錯(cuò)置，程序跳到這些未用的程序存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)就會(huì)出錯(cuò)。軟件陷阱是在程序存儲(chǔ)器的未使用的區(qū)域中，加上若干條空操作和無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令，無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令指向程序“跑飛”處理子程序的入口地址。如果程序跳到這些未用區(qū)域，就會(huì)執(zhí)行無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序出錯(cuò)“跑飛”處理程序。除程序未用區(qū)域外，還可以在程序段之間(如子程序之間及一段處理程序完成后)及一頁(yè)的末尾處插入軟件陷阱，效果會(huì)更好。下面是一段帶軟件陷阱的程序；
DSP：……；顯示子程序
RET
NOP；軟件陷阱
NOP
NOP
LIMP FLY
D10MS：MOV R0，＃010H；延時(shí)子程序
……
RET
NOP ；軟件陷阱
NOP
NOP
LJMP FLY
……
FLY：…… ；“跑飛”處理子程序
RET
三、程序“跑飛”處理 要進(jìn)行程序“跑飛”處理，就要分清程序“跑飛”所造成的影響，以及程序“跑飛”前運(yùn)行的進(jìn)程，這就需要的設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。
RAM數(shù)據(jù)正常標(biāo)志 RAM數(shù)據(jù)正常標(biāo)志是檢測(cè)RAM區(qū)的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)因程序“跑飛”或其它干擾而改變。如果RAM區(qū)的數(shù)據(jù)確因程序“跑飛”或其它干擾而改變，則系統(tǒng)無(wú)法自行恢復(fù)到原來(lái)的出錯(cuò)地點(diǎn)，只能由人工或由軟件復(fù)位從頭開(kāi)始執(zhí)行。要進(jìn)行RAM區(qū)數(shù)據(jù)正常檢測(cè)，首先應(yīng)在初始化程序中，對(duì)RAM的若干單元設(shè)置RAM數(shù)據(jù)正常標(biāo)志。通常是在RAM區(qū)中選數(shù)個(gè)單元，在初始化程序中將其置成固定的數(shù)，如“55H”或“0AAH”，只要程序正常運(yùn)行，這些單元的內(nèi)容是不會(huì)被修改的，若因程序“跑飛”或其它干擾導(dǎo)致這些RAM單元中的任何單元的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，說(shuō)明其它RAM單元的內(nèi)容也可能發(fā)生變化，無(wú)法反映程序運(yùn)行的結(jié)果和狀態(tài)，不能根據(jù)RAM區(qū)中的標(biāo)志去恢復(fù)程序運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)。
程序運(yùn)行標(biāo)記 程序運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)記是在RAM區(qū)中設(shè)立一些標(biāo)志位，這些標(biāo)志位分別代表程序運(yùn)行的不同階段及運(yùn)行后的狀態(tài)。在初始化程序中，首先對(duì)這些單元置初值，在程序運(yùn)行的不同階段，這些單元的內(nèi)容將被改變成特定值，標(biāo)記程序運(yùn)行的階段和運(yùn)行后的狀態(tài)。這些標(biāo)志除了在程序正常運(yùn)行中起到條件轉(zhuǎn)移的作用外，還能在程序“跑飛”，而RAM區(qū)數(shù)據(jù)正常時(shí)起到恢復(fù)程序運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的作用。
程序“跑飛”處理 程序“跑飛”處理就是在程序由軟件陷阱檢測(cè)到“跑飛”后，轉(zhuǎn)入“跑飛”處理程序?！芭茱w”處理程序判斷“跑飛”影響的程度，根據(jù)影響程度的不同，決定是報(bào)警復(fù)位還是自動(dòng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。如自動(dòng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，則需根據(jù)程序運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)記進(jìn)行。具體如何進(jìn)行程序“跑飛”處理，要根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。
四、輸出端口刷新 由于單片機(jī)的I/O口很容易受到外部信號(hào)的干擾，輸出口的狀態(tài)也可能因此而改變。在程序中周期性地添加輸出端刷新指令，可以降低干擾對(duì)輸出口狀態(tài)的影響。在程序中指定RAM單元存儲(chǔ)輸出口當(dāng)時(shí)應(yīng)處的狀態(tài)，在程序運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)這些RAM單元的內(nèi)容去刷新I/O口。
五、輸入多次采樣 干擾對(duì)單片機(jī)的輸入，會(huì)造成輸入信號(hào)瞬間采樣的誤差或誤讀。要排除干擾的影響，通常采取重復(fù)采樣、加權(quán)平均的方法。
比如對(duì)于外部電平采樣(如按鍵)，采取軟件每隔10ms讀一次鍵盤或連續(xù)讀若干次，每次讀出的數(shù)據(jù)都相同或者采取表決的方法確認(rèn)輸入的鍵值。又如在用單穩(wěn)電路檢測(cè)溫度的系統(tǒng)中(參《電子報(bào)》1999年第51期第九版)采取對(duì)單穩(wěn)電路的脈沖寬度計(jì)數(shù)，然后查表求溫度值的方法。為排除干擾的影響，可以采取三次采樣求平均值，也可以采取兩次采樣、差值小于設(shè)定值為有效，然后求平均值的方法(又稱軟件濾波)?？傊瑢?duì)輸入信號(hào)進(jìn)行多次采樣，其后如何進(jìn)行處理是要根據(jù)具體對(duì)象實(shí)際處理的效果來(lái)優(yōu)選的，讀者可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試時(shí)施加干擾及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境調(diào)試時(shí)的效果來(lái)確定。
六、軟件“看門狗” 軟件陷阱是在程序運(yùn)行到ROM的非法區(qū)域時(shí)檢測(cè)程序出錯(cuò)的方法。而“看門狗”是根據(jù)程序在運(yùn)行指定時(shí)間間隔內(nèi)未進(jìn)行相應(yīng)的操作，即未按時(shí)復(fù)位看門狗定時(shí)器，來(lái)判斷程序運(yùn)行出錯(cuò)的。
在系統(tǒng)成本允許的情況下，應(yīng)選擇專門的看門狗電路芯片或片內(nèi)帶看門狗定時(shí)器的單片機(jī)。如果條件不允許，應(yīng)加軟件“看門狗”。
一、開(kāi)機(jī)自檢 開(kāi)機(jī)后首先對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的硬件及軟件狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)不正常，就進(jìn)行相應(yīng)的處理。開(kāi)機(jī)自檢程序通常包括對(duì)RAM、ROM、I/O口狀態(tài)等的檢測(cè)。
1?檢測(cè)RAM 檢查RAM讀寫是否正常，實(shí)際操作是向RAM單元寫“00H”，讀出也應(yīng)為“00H”，再向其寫“FFH”，讀出也應(yīng)為“FFH”。如果RAM單元讀寫出錯(cuò)，應(yīng)給出RAM出錯(cuò)提示(聲光或其它形式)，等待處理。
2?檢查ROM單元的內(nèi)容 對(duì)ROM單元的檢測(cè)主要是檢查ROM單元的內(nèi)容的校驗(yàn)和。所謂ROM的校驗(yàn)和是將ROM的內(nèi)容逐一相加后得到一個(gè)數(shù)值，該值便稱校驗(yàn)和。ROM單元存儲(chǔ)的是程序、常數(shù)和表格。一旦程序編寫完成，ROM中的內(nèi)容就確定了，其校驗(yàn)和也就是唯一的。若ROM校驗(yàn)和出錯(cuò)，應(yīng)給出ROM出錯(cuò)提示(聲光或其它形式)，等待處理。
3?檢查I/O口狀態(tài) 首先確定系統(tǒng)的I/O口在待機(jī)狀態(tài)應(yīng)處的狀態(tài)，然后檢測(cè)單片機(jī)的I/O口在待機(jī)狀態(tài)下的狀態(tài)是否正常(如是否有短路或開(kāi)路現(xiàn)象等)。若不正常，應(yīng)給出出錯(cuò)提示(聲光或其它形式)，等待處理。
4?其它接口電路檢測(cè) 除了對(duì)上述單片機(jī)內(nèi)部資源進(jìn)行檢測(cè)外，對(duì)系統(tǒng)中的其它接口電路，比如擴(kuò)展的E2PROM、A/D轉(zhuǎn)換電路等，又如數(shù)字測(cè)溫儀中的555單穩(wěn)測(cè)溫電路，均應(yīng)通過(guò)軟件進(jìn)行檢測(cè)，確定是否有故障。
只有各項(xiàng)檢查均正常，程序方能繼續(xù)執(zhí)行，否則應(yīng)提示出錯(cuò)。
二、軟件陷阱 在程序存儲(chǔ)器中總會(huì)有一些區(qū)域未使用，如果因干擾導(dǎo)致單片機(jī)的指令計(jì)數(shù)器PC值被錯(cuò)置，程序跳到這些未用的程序存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)就會(huì)出錯(cuò)。軟件陷阱是在程序存儲(chǔ)器的未使用的區(qū)域中，加上若干條空操作和無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令，無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令指向程序“跑飛”處理子程序的入口地址。如果程序跳到這些未用區(qū)域，就會(huì)執(zhí)行無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序出錯(cuò)“跑飛”處理程序。除程序未用區(qū)域外，還可以在程序段之間(如子程序之間及一段處理程序完成后)及一頁(yè)的末尾處插入軟件陷阱，效果會(huì)更好。下面是一段帶軟件陷阱的程序；
DSP：……；顯示子程序
RET
NOP；軟件陷阱
NOP
NOP
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……
RET
NOP ；軟件陷阱
NOP
NOP
LJMP FLY
……
FLY：…… ；“跑飛”處理子程序
RET
三、程序“跑飛”處理 要進(jìn)行程序“跑飛”處理，就要分清程序“跑飛”所造成的影響，以及程序“跑飛”前運(yùn)行的進(jìn)程，這就需要的設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。
RAM數(shù)據(jù)正常標(biāo)志 RAM數(shù)據(jù)正常標(biāo)志是檢測(cè)RAM區(qū)的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)因程序“跑飛”或其它干擾而改變。如果RAM區(qū)的數(shù)據(jù)確因程序“跑飛”或其它干擾而改變，則系統(tǒng)無(wú)法自行恢復(fù)到原來(lái)的出錯(cuò)地點(diǎn)，只能由人工或由軟件復(fù)位從頭開(kāi)始執(zhí)行。要進(jìn)行RAM區(qū)數(shù)據(jù)正常檢測(cè)，首先應(yīng)在初始化程序中，對(duì)RAM的若干單元設(shè)置RAM數(shù)據(jù)正常標(biāo)志。通常是在RAM區(qū)中選數(shù)個(gè)單元，在初始化程序中將其置成固定的數(shù)，如“55H”或“0AAH”，只要程序正常運(yùn)行，這些單元的內(nèi)容是不會(huì)被修改的，若因程序“跑飛”或其它干擾導(dǎo)致這些RAM單元中的任何單元的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，說(shuō)明其它RAM單元的內(nèi)容也可能發(fā)生變化，無(wú)法反映程序運(yùn)行的結(jié)果和狀態(tài)，不能根據(jù)RAM區(qū)中的標(biāo)志去恢復(fù)程序運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)。
程序運(yùn)行標(biāo)記 程序運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)記是在RAM區(qū)中設(shè)立一些標(biāo)志位，這些標(biāo)志位分別代表程序運(yùn)行的不同階段及運(yùn)行后的狀態(tài)。在初始化程序中，首先對(duì)這些單元置初值，在程序運(yùn)行的不同階段，這些單元的內(nèi)容將被改變成特定值，標(biāo)記程序運(yùn)行的階段和運(yùn)行后的狀態(tài)。這些標(biāo)志除了在程序正常運(yùn)行中起到條件轉(zhuǎn)移的作用外，還能在程序“跑飛”，而RAM區(qū)數(shù)據(jù)正常時(shí)起到恢復(fù)程序運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的作用。
程序“跑飛”處理 程序“跑飛”處理就是在程序由軟件陷阱檢測(cè)到“跑飛”后，轉(zhuǎn)入“跑飛”處理程序?！芭茱w”處理程序判斷“跑飛”影響的程度，根據(jù)影響程度的不同，決定是報(bào)警復(fù)位還是自動(dòng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。如自動(dòng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，則需根據(jù)程序運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)記進(jìn)行。具體如何進(jìn)行程序“跑飛”處理，要根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。
四、輸出端口刷新 由于單片機(jī)的I/O口很容易受到外部信號(hào)的干擾，輸出口的狀態(tài)也可能因此而改變。在程序中周期性地添加輸出端刷新指令，可以降低干擾對(duì)輸出口狀態(tài)的影響。在程序中指定RAM單元存儲(chǔ)輸出口當(dāng)時(shí)應(yīng)處的狀態(tài)，在程序運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)這些RAM單元的內(nèi)容去刷新I/O口。
五、輸入多次采樣 干擾對(duì)單片機(jī)的輸入，會(huì)造成輸入信號(hào)瞬間采樣的誤差或誤讀。要排除干擾的影響，通常采取重復(fù)采樣、加權(quán)平均的方法。
比如對(duì)于外部電平采樣(如按鍵)，采取軟件每隔10ms讀一次鍵盤或連續(xù)讀若干次，每次讀出的數(shù)據(jù)都相同或者采取表決的方法確認(rèn)輸入的鍵值。又如在用單穩(wěn)電路檢測(cè)溫度的系統(tǒng)中(參《電子報(bào)》1999年第51期第九版)采取對(duì)單穩(wěn)電路的脈沖寬度計(jì)數(shù)，然后查表求溫度值的方法。為排除干擾的影響，可以采取三次采樣求平均值，也可以采取兩次采樣、差值小于設(shè)定值為有效，然后求平均值的方法(又稱軟件濾波)?？傊瑢?duì)輸入信號(hào)進(jìn)行多次采樣，其后如何進(jìn)行處理是要根據(jù)具體對(duì)象實(shí)際處理的效果來(lái)優(yōu)選的，讀者可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試時(shí)施加干擾及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境調(diào)試時(shí)的效果來(lái)確定。
六、軟件“看門狗” 軟件陷阱是在程序運(yùn)行到ROM的非法區(qū)域時(shí)檢測(cè)程序出錯(cuò)的方法。而“看門狗”是根據(jù)程序在運(yùn)行指定時(shí)間間隔內(nèi)未進(jìn)行相應(yīng)的操作，即未按時(shí)復(fù)位看門狗定時(shí)器，來(lái)判斷程序運(yùn)行出錯(cuò)的。
在系統(tǒng)成本允許的情況下，應(yīng)選擇專門的看門狗電路芯片或片內(nèi)帶看門狗定時(shí)器的單片機(jī)。如果條件不允許，應(yīng)加軟件“看門狗”。
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