單片機應用系統的可靠性設計

2021-01-11 電子工程專輯

單片機應用系統的設計包括功能性設計、可靠性設計和產品化設計。其中，功能性是基礎，可靠性是保障，產品化是前途。因此，從事單片機應用系統開發工作的設計人員必須掌握可靠性設計。

一、可靠性與可靠性設計

1．現代電子系統的可靠性

現代電子系統具有如下特點：嵌入式的計算機系統．智能化的體系結構；以計算機為核心的柔性硬體基礎，由軟體實現系統的功能；硬體系統有微電子技術的有力支持。單片機應用系統是當前最典型、最廣泛的現代電子系統。 現代電子系統的可靠性表現為，在規定條件下，系統準確無誤運行的能力．突出了可靠性的軟體和運行中的失誤概率。 可靠性設計則是在產品開發過程中，保證運行可靠的全部設計手段，甚至包括了產品出廠後軟體升級中的可靠性設計。 由於軟體的介入，可靠性問題除了二值可靠性的「失效」外．出現了除了「正常」與「失效」以外介於其間的諸如「出錯」、「失誤」、「不穩定」的多值可靠性問題。 單片機應用系統普遍採用CMOS器件，因此，經常的運行狀態有靜態運行與動態運行之分。 靜態運行是指單片機在休閒或掉電方式下的工作狀態。 此時，單片機指令停止運行。 外圍電路被關斷或電源被關斷，系統中只有值守電路在工作。 因此，靜態運行下 的系統不存在軟體的可靠性問題，其可靠性主要表現在值守電路的抗幹擾能力、系統中器件的靜態參數餘度，如直流特性參數餘度、工作電壓、工作穩定以及接插件的可靠性等。 動態運行是指單片機應用系統工作在程序運行狀態。 此時的可靠性主要是軟體運行的可靠性問題．表現在動態參數餘度，如邏輯電平噪聲容限、時鐘誤差、時序誤差等。 單片機應用系統中，CPU運行的是事先固化在單片機的程序存儲器的軟體．用戶無法更改和輸入新的程序。 這就避免r外來計算機病毒的侵襲，其可靠性表現在固化軟體本身的可靠性和程序存儲器數據保護的可靠性。 時空邊界性問題普遍存在於單片機應用系統中．如單片機應用系統中採用二位十進位數代替四位公元紀年的定時時鐘系統。 在跨越2000年時就會形成數據處理失誤； 採用有限寫入次數的程序存儲器。 在超過寫入次數的運行操作時會出現數據錯誤； 程序存儲器保存數據也有一定的年限，超過此年限也會出現數據錯誤。 其它諸如計數容量．數據溢出，參數超邊界應用都會帶來可靠性問題。 因此．必須採取時空邊界性問題的可靠性防範措施。 本質可靠性是只考慮系統功能要求的軟、硬體可靠性設計，是可靠性設計的基礎。 如採用CMOS電路代替7rrL電路提高噪聲容限，增加系統抗幹擾能力： 採用高可靠性的軟硬體開發平臺實現產品開發； 按照電磁兼容規範設計可靠的PCB等。 常用的可靠性控制設計有： 噪聲失敏控制，時空邊界管理，系統自檢與自修復，出錯後的安全性包容等。

硬體系統的可靠性是系統本質可靠性和可靠性控制的基礎。

(1)採用硬體平臺的系統設計方法

單片機應用系統的硬體平臺都是由相近似的應用系統基本電路組成，只適用於某一領域中的硬體系統設計。基於硬體平臺設計的應用系統有基本的可靠性保證。一個良好的硬體平臺應具備：標準化、系列化、規範化設計的電路系統；柔性特性的基本應用系統體系結構；豐富的軟體支持；可靠性測試記錄。

(2)最大的系統集成

最大的系統集成可以最大限度簡化系統構成，有助於減少系統硬體失誤概率。最大的系統集成應具備：依靠器件解決的思想；單片機選擇實現系統的最大包容；0EM的支持。

2．器件選擇的可靠性設計

單片機晶片的選擇要滿足系統集成的最大化要求；優選CMOS器件：為簡化電路設計儘可能採用串行傳輸總線器件代替並行總線擴展的器件；選擇保證可靠性的專用器件，如採用電源監控類器件、信號線路故障保護器、ESD(靜電幹擾)保護器、能實現電源短路保護的自聚合開關等。

三、軟體系統的可靠性設計

在單片機應用系統可靠性設計中，軟體設計最主要的任務是保證在過程空間中。應用程式按照給定的順序有序運行。在高可靠性的硬體系統基礎上。軟體設計的可靠性保障了最少的軟體錯誤以及在軟體出錯後仍能保證系統正常運行或安全運行。

1．本質可靠性的軟體設計

軟體的本質可靠性是指不依靠軟體附加．最大限度減少自身錯誤及缺陷，並且要有足夠的時序餘度。

單片機系統在CPU的控制下實現分時操作．程序完全依靠時序調度、切換控制。程序運行的可控不僅要求時序準確，而且要有足夠的時序餘度。

第一，系統復位時序。多個器件復位的時序要求是主要問題。應保證MCU對外圍可編程器件的初始化在該器件復位後進行。軟體設計時，可以在系統上電復位後，MCU延遲片刻，確保外圍器件復位後，再對其初始化。

第二，外圍器件工作時序。對外圍器件的工作時序必須分析清楚，MCU的操作必須保證時序信號的銜接控制和時序信號的時序餘度。

第三，應用系統的狀態轉換時序。應用系統中的狀態轉換有MCU運行狀態轉換、外圍器件運行狀態轉換和電源系統供電狀態轉換等。在程序設計中．必須考慮狀態轉換時過渡期對程序運行的影響，精心設計時序控制。通常。MCU本身的狀態轉換，都有自動監視、自動運行管理功能，程序設計只需按MCU數據手冊及指令系統的操作要求進行即可。對於有較長過渡期的外圍狀態轉換，可採取足夠的延時或設置提前轉換狀態的辦法。

第四，總線時序。單片機應用系統中有並行總線和串行總線，這些總線在規範化操作時，其時序數據通信協議保證。在虛擬總線方式時，虛擬總線運行的可靠性在於時序的準確模擬。並行總線要保證讀、寫操作指令運行下的讀寫時序：同步串行總線要保證時鐘線控制下的同步時序；串行異步時序則要考慮波特率對數據傳送的影響。

四、結束語

單片機應用系統的可靠性設計涉及硬體系統的抗幹擾設計和軟體系統的抗幹擾設計，採取的措施多而複雜。實際應用時，應根據設計條件與目標要求，制定應用系統的可靠性等級，合理採用硬性可靠性措施。充分利用軟體的可靠性設計，提高系統的抗幹擾能力。

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