浅谈单片机应用系统的可靠性设计

王高建

【摘要】单片机应用系统的可靠性设计是一个重要的设计过程，并具有很强的工程实践性。单片机应用系统的可靠性由多种因素决定，提高可靠性包括两方面的工作：一是在工艺上提高构成系统的元器件本身的可靠性；二是在系统结构的合理设计方面提高整个系统的可靠性。

【关键词】单片机；可靠性；工程实践性

一、元器件的选择与使用

元器件是组成单片机应用系统硬件的基本单元，合理选择与使用元器件对整个系统的可靠性运行是非常重要的，因为系统中任何一个元器件（甚至一个二极管）发生故障都会导致整个系统不能正常工作，甚至损坏系统。元器件的选择要结合具体系统的硬件可靠性分析进行。

在元器件选择上一般应注意以下几点：

1、尽量选用大规模或大规模集成电路芯片来设计系统

这可大大减少电路间的分布电容，减少干扰信号耦合，同时也可减少由于元器件性能的离散性所造成的瞬态偶发性失效故障。目前CMOS型集成电路芯片被愈来愈多地使用，它在可靠性方面具有明显的优点。

2、尽可能选择热稳定行好、噪声系数小的元器件

单片机应用系统运行的环境温度变化较大，而且输入信号比较微弱，有些要经过几十倍、几百倍、甚至上千倍的放大。温度偏差或噪声信号过大都可能造成系统工作不稳定，甚至出现故障。

3、元器件的性能参数应当匹配

通常，电子器件在出厂前都进行了空载老化等质量处理。必要时我们可对重要器件进行带载老化处理，使它们通上电，带上额定负载，在恒温箱中存放几十小时后取出在筛选。

二、干扰问题

单片机应用系统在运行的过程中会遇到各种各样的干扰问题。本设计主要介绍输入系统的抗干扰措施。

1、开关量输入的抗干扰措施

开关量输入往往会给系统带来很强的干扰，这样就需要我们设计一个电路如防抖电路或通过软件程序来已抑制干扰、例如键盘这样的开关量输入设备，在按键的过程中会存在着抖动的问题，这样按键抖动就形成了开关量的输入干扰，处理这样的开关量输入干扰一般最常用的措施是光电隔离电路，如图1所示。这种措施使得开关量输入与单片机系统隔离开来，大大增强了系统的可靠性。

在图1中，输入为开关量，不论其电平标准如何，都可以通过调节限电阻R3来控制光电耦合器中发光二极管的发光状态，进而控制耦合器中三级管的通短，使单片机的P1.1口得到标准的检测电压值。这种措施能有效地抑制尖峰脉冲及其他各种噪声的干扰。

2、模拟量通道的抗干扰措施

与开关量输入、输出通道一样，模拟量输入、输出通道也因与测控设备直接相连而成为强电干扰窜入系统的渠道。在模拟量输入、输出通道上采取抗干扰措施时，应尽可能将抗干扰的屏蔽器件设置在执行部件或传感附近。

用于模拟量抗干扰的器件很多，但主要还是光电耦合器和隔离变压器。A/D转换器的并行输入口、D/A转换器的并行输入口以及它们的地址和控制线都用光点耦合器进行隔离，同时光电耦合器的输入和输出回路分别供电，完全切断了单片机系统与外部供电系统的联系。

三、硬件系统可靠性措施

上述防止和消除干扰的硬件主动性措施是有效的，但并不能完全保证系统的正常运行，有时还需要系统工作状态的监视、异常情况的处理与故障自恢复的问题。这是就需要配合一些硬件措施，在软件可靠性方面着手。监视定时器的设计与应用是其中最常用最有效的方法之一，甚至随着单片机技术的发展，越来越多的单片机本身就带有监视定时器。

监视定时器实质上就是专用的定时/计数器，它的时钟来自单片机内部或外部。我们通过适当的程序设计，使系统在正常运行时，定时器每隔一定的时间将其初值化一次，保证不使其计数溢出。一旦系统出现异常，程序不能正常运行而乱时，则监视定时器不能再有限的时间内被消零，造成计数溢出，引起系统中断，而使CPU转入故障诊断于处理程序，而后恢复系统的正常运行。由此可见，监视定时器提供了一中使系统从瞬时故障中能够自动恢复的能力，其软硬件实现也比较简单，因而获得了广泛的应用，长称之为看门狗（WATCH DOG）。

四、软件系统可靠性

为了提高系统的稳定性和系统的精度，在程序方面可以采用各种措施，如数字滤波、自恢复、设置陷阱等。

1、数字滤波

数字滤波能够清除有用信号中混杂的各种干扰信号，保证采集来的信号不失真，进而达到提高应用系统精度的目的。数字滤波器是根据系统的性质、信号的来源、工作环境、系统精度要求，然后通过程序的方法采用不同形式抑制干扰，保持信号的本来面目。

数字滤波有多种形式，根据实际情况的不同来加以选择和运用。

（1）中值滤波

所谓中值滤波就是对某一个被测参数连续采样n次（一般n取奇数），然后将n次采样值进行排序，最后取中间值作为有效值存入单片机内部储存中，该方法主要适用于具有脉动干扰的场合，该方法的场合，它非常适合快速变化的信号采集。

（2）算术均值滤波

改方法是将n次采样值相加，然后取其算术平均值作为本次采样有效值来使用。

（3）复合滤波

所谓复合滤波，就是将两种或者两种以上的滤波方法同时使用。复合滤波可大大提高滤波效果。目的被经常使用的复合滤波是中值濾波和算术平均值滤波联合使用。

2、陷阱指令

为了提高单片机应用系统工作的稳定性，防止程序由于干扰而“跑飞”，设计者可以在程序储存器的空白区设置空操作指令和少量的短字节转移指令。所谓的自陷指令通常指转移指令。在设置陷阱前，若由于干扰PC的地址值跑到程序储存器区域外，此时程序就再也无法正常运行了。在设置了陷阱后，有空白程序区存放了大量的空操作指令如少量的转移指令后由于干扰PC值脱离了程序存储区二进入空白程序存储区，遇到空操作指令（单字节）它会顺着NOP执行，当运行到转移指令时，系统又恢复了正常程序区，使系统恢复正常。该法不但适用于单片机应用系统也适用于一切计算机应用系统。

五、结束语

单片机系统运行的可靠性会不确定因素的干扰。提高单片机应用系统的可靠性要从软硬件入手。提高系统的自身防御行为，以上所提到几种提高可靠性的方法，都不是单独使用的，只有根据实际情况将这些方法有效地结合起来，才能达到最佳抗干扰效果，使我们的单片机系统稳定可靠地工作。

【参考文献】

[1] 张 齐. 单片机应用系统设计技术[M]. 北京：电子工业出版社， 2004.

[2] 韩志军. 单片机应用系统设计技术[M]. 北京：机械工业出版社， 2005.

[3] 徐煜明. 单片机及应用系统设计[M]. 北京：电子工业出版社， 2009.