单片机系统可靠性新技术浅析

陈泽淇西北工业大学，陕西西安　　710072

单片机系统可靠性新技术浅析

陈泽淇
西北工业大学，陕西西安710072

摘要单片机被广泛应用在金融、通讯以及交通管理、工业控制等领域，这些行业对于单片机有个统一的要求，就是其可靠性。如果单片机在这些行业的使用过程中，出现任何问题以及故障，都会产生严重的不良影响。然后在单片机系统开发过程中，常常出现只能在实验室环境下正常运行，在实际应用过程中经常会出现各种问题。究其原因是由于单片机系统的抗干扰设计有问题，从而降低了单片机系统在实际应用中的可靠性。本文从单片机系统可靠性新技术进行分析探讨，希望能够与同行业人士之间相互交流借鉴。

关键词单片机系统；可靠性；电路设计

1 单片机可靠性不足的原因

1.1单片机可靠性不足的内在原因

1）单片机中的随机存储数据一旦发生错乱，就会导致单片机死机，其程序会出现死循环。

2）单片机中的内部程序指针出现错乱，随便指向了错误的地方，使得运行的程序不正确，造成随机存储器之中的某些数据被打乱，程序计算的结果是错误的，外围的锁存电路受到一定的干扰，出现了误锁 存的情况，以至于出现被控制对象的错误操作。

3）单片机被控制对象与锁存电路之间的线路被干扰，从而造成单片机被控制对象出现不稳定的状态。

4）错乱的单片机内部程序指针，会造成单片机运行过程中，中断程序超出了时间的限定。

5）第五，随机存储器之中的计时数据被打乱，造成程序在计算的过程中产生出错误结果。

1.2单片机系统可靠性不足的外在原因

1）单片机自身没有足够的抗干扰能力。

2）单片机所处环境有较强的电磁干扰。

3）单片机没有足够的整体电源抗干扰能力以及单片机功率过低等。

4）单片机程序内缺少抗干扰设计或者设计有缺陷。

5）单片机由于各个组织期间之间的驱动功率太小，因此状态是刚刚达标，尚不足。

6）单片机在进行长距离的数据传输的时候，缺乏相对应的屏蔽保护措施。

7）单片机元件的质量太差。

2 单片机硬件可靠性新技术

2.1电源干扰及其抑制措施

电源干扰成为影响单片机可靠性最主要的原因之一，据研究发现，90%以上的单片机运行故障是因为电源噪音所引起的。

1）交流电源干扰及抑制。

通常情况下，220V、50Hz的电源是单片机进行供电的时候所使用的电源。但是在工业生产的实际操作过程中，由于生产负荷会产生很大的变化，因此，这种大型生产设备的每次启动与停止，都会使得单片机电源与电压产生波动，甚至还会引起尖峰脉冲的出现，这些都会对单片机系统产生很大的影响，导致单片机出现死机现象。因此，为了避免单片机受到电源的干扰，一方面要尽可能的使得单片机远离干扰源，另一方面使用电源滤波器、交流稳压器或者是1:1隔离变压器。

2）直流电源抗干扰措施。

通常情况下，单片机的应用系统会使用到不同电压等级的几种直流电源。因此，单片机可靠性的提高可以从这方面入手，使用低纹波、高低质量的集成稳压电路，或者在供电方面采用直流开关电源等。

2.2地线干扰及其抑制

在单片机系统中，接地的好坏，将会对单片机的工作状态产生重要影响。一点接地，是在单片机处于低频电路的时候，在这个时候，布线与元件之间的计生电感对单片机影响不大；假如单片机是在高频电路中，那么分布电容与布线、元件之间的计生电感会导致各个接地线之间的耦合，这里需要利用多点接地；在分布印刷电路板地线烦人时候，接地线尤其是TTL、CMOS等器件的接地线，一定要避免出现环形形状，而是要分布成辐射网状；而电流的大小决定了印刷电路板地线的宽度。如果条件允许的话，要尽可能的加宽地线，不要过长的旁路电容地线；如果是电流信号较大的时候通过地线，那么其宽度应当增加，需要与小信号区别开来。

2.3隔离措施

1）物理隔离。

为了提高单片机的可靠性，可以把单片机中容易被干扰或者产生干扰的器件、电路等分开，也可以采取合理的规则进行放置，如此一来，通过合理的布置单片机系统的线路以及器件，达到降低自身受到干扰的目的。具体方面来说，可以隔离大小功率、高低电平器件；隔离数字与模拟电路；隔离模拟信号线、数字信号线、电源线等。

2）信号隔离技术。

将两个电路之间的直接电联系通过中间器件的安装来进行切断，这就是常说的信号隔离技术，这样一来，两个电路之间就成为独立的，无法形成回路，从而噪音就无法在两个电路之间来回串通。在单片机系统中，最容易受到干扰的地方就是输入输出口线，如果没有I/O口线，那么在电阻上，需要将电平拉高，避免悬置；在这个过程中，绝对不能出现的设计是将单片机的口线直接与开关量信号连接，二者之间必须要有一个缓冲驱动的芯片作为隔离。

3 单片机软件可靠性技术设计

3.1数字滤波技术

在对模拟信号进行采集的时候，所得数据很多时候会存在偏差。但是很多时候这并不是因为程序出现问题而引起的，往往都是由单片机前向传感器被噪音信号侵入引起的。因此，为了确保所得数据的真实以及准确性，可以利用数字滤波技术。滑动平均值法、算术平均值法、一阶递推数字滤波法和防脉冲干扰平均值法等等都属于数字滤波技术。

3.2指令冗余技术

首先获取操作码，其次获取操作数，这是单片机CPU获取指令的过程。当单片机受到干扰的时候，就会出现错误，导致程序混乱。为了避免这种现象的出现，可以将单字节指令插入到某些关键的位置，或者将有效单字节指令重写为指令冗余。具体可以将两个字节以上的空操作指令NOP插入到三字节指令或者双字节指令的后面，这样一来即便程序出现混乱，而由于NOP的存在，就能够有效的避免单片机将后面指令当作操作数来执行，程序会自动转到正常运行轨道上。

3.3软件陷阱技术

如果非程序区进入混乱的程序，那么冗余指令就起不到作用了。因此，为了将混乱的程序进行拦截，可以利用软件陷阱的技术，将混乱的程序规划到指定的位置，然后再进行错误处理。现阶段，软件陷阱就是软件拦截技术。将混乱的程序利用引导指令强行引到一个制定的地址，之后会有专门处理错误程序的指令对其进行处理。

3.4“看门狗”技术

在单片机系统中，为了避免程序进入“死循环”的境地，通常情况下会利用“看门狗”技术来对失控程序进行处理。在单片机系统中，无论是硬件还是软件，都可以采用“看门狗”技术。此项技术的应用，需要注意的是在提高单片机系统的可靠性的同时，必须要保证单片机系统的可重入性。单片机系统的重入性，可以在单片机系统的RAM中，存入其历史状态。在系统用电能够确保的时候，在系统重入的时候，可以重新使用这些历史数据。如果单片机系统的电源稳定性无法保证，可以利用备用电池来供电，以保证系统用电，从而确保安全稳定的RAM数据。

4 结论

从上述分析中可以看出，影响单片机可靠性最主要原因是干扰过多，单片机系统抗干扰性能低。在对单片机系统进行实际的设计时，要对单片机系统的工作环境进行详细分析，确定干扰的类型，找出系统受到哪种干扰的影响最多，从而采取相应的措施。只有这样才能够加强单片机系统的抗干扰能力，从而提高单片机系统的可靠性。

参考文献

[1]胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京：清华大学出版社，2002.

[2]李广第，朱月秀，王秀山.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3]李华，等.MCS一51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

中图分类号TP39

文献标识码A

文章编号1674-6708（2015）140-0156-02