单片机应用系统的可靠性设计.doc下载

weixin_39821746 2023-03-19 15:00:10
单片机应用系统的可靠性设计 随着单片机在国防、金融、工业控制等重要领域应用越来越广泛,单片机应用系统 的可靠性越来越成为人们关注的一个重要课题。单片机应用系统的可靠性是由多种因素 决定的,大体分为硬件系统可靠性设计和软件系统可靠性设计。 一、硬件系统可靠性设计 (1)选优设计 在系统硬件设计和加工时,应该选用质量好的接插件,设计好工艺结构;选用合格的元 器件,进行严格的测试、筛选和老化;设计时技术参数(如负载)要留有一定的余量或 降额使用元器件;提高印制板和组装的质量。 (2)冗余与容错设计 保证单片机应用系统100%无故障是不可能的。容错是指当系统的某个部件发生故障时, 系统仍能完全正常地工作,即给系统增加容忍故障的能力。为使系统具有容错能力,必 须在系统中增加适当的冗余单元,以保证当某个部件发生故障时能由冗余部件接替其工 作,原部件修复后再恢复出错前的状态。硬件冗余设计可以在元件级、子系统或系统级 上进行。例如,在系统级上采用双机系统,两套系统互为备用。 (3)采用硬件抗干扰措施 来自供电系统以及通过导线传输、电磁耦合等产生的电磁干扰信号,是单片机系统工作 不稳定的重要因素,在系统硬件设计时必须采取有效的干扰抑制措施。单片机应用系统 中还常使用系统监视电路检测系统发生的错误或故障,自动报警或使系统自动恢复正常 工作状态。如采用电源故障监视、看门狗定时器等采用89C51单片机和X25045组成的看门 狗电路,X25045硬件连接图如图所示。X25045芯片内包含有一个看门狗定时器,可通过 软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动,则X25045将 从RESET输出一个高电平信号,经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲,使CPU复位。如图 1所示电路中,CPU的复位信号共有3个:上电复位(C1、R2),人工复位(S、R1、R2) 和Watchdog复位(C2、R3),通过或门综合后加到RESET端。C2、R3的时间常数不必太大 ,有数百微秒即可,因为这时CPU的振荡器已经在工作。 看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定,通常比系统正常工作时 最大循环周期的时间略长即可。编程时,可在软件的合适地方加一条喂狗指令,使看门 狗的定时时间永远达不到预置时间,系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞,用软件 陷阱等别的方法无法捕捉回程序时,则看门狗定时时间很快增长到预置时间,迫使系统 复位。需要注意的是,在程序正常运行的时候,应该在适当的地方加一条喂狗指令,使 系统正常运行时的定时时间达不到预置时间。系统就不会复位。 二、软件可靠性设计 单片机应用系统的软件和硬件是紧密相关的。要使整个系统具有较高的可靠性,除了在 尽可能提高硬件可靠性的前提下,软件的可靠性设计也是必不可少的,必须从设计、测 试及长期使用等方面来解决软件可靠性。单片机系统的抗干扰能力是系统可靠性的重要 指标。由于51单片机的指令系统是复杂指令集结构,致使其抗干扰性能较低,尤其用在 工业控制的场合,如果不增加额外的抗干扰措施,甚至无法正常工作。单片机软件抗干 扰设计的主要目的就是及时发现跑飞的程序,并及时地将程序拉入正常轨道,主要方法 有:指令冗余、软件陷阱、软件看门狗等等。 (1)指令冗余 CPU取指令过程是先取操作码,再取操作数。在程序的关键地方人为的插入一些单字节指 令,或将有效单字节指令重写称为指令冗余,通常是在双字节指令和三字节指令后插入 两个字节以上的NOP指令。这样即使跑飞程序飞到双字节指令和三字节指令操作数上。由 于窄操作指令NOP的存在,避免了后面的指令被错误地执行,为程序纳入正轨做好准备。 此外,对系统流向起重要作用的指令,如RET、RETI、LCALI.、LJMP,JC等,可以在这些 指令之后插入两条NOP指令,可将跑飞程序纳入正轨,以确保这些重要指令的执行。指令 冗余只能使CPU不再将操作数当作操作码错误地执行,却不能主动地将程序的错误执行方 向扭转过来,要想纠止程序的错误执行方向,就需要下面的技术。 (2)设计软件陷阱 通常在程序存储器中未使用的EPROM空间填入窄操作指令NOP,最后再填入一条跳转指令 ,跳转到跑飞处理程序,或者直接填入指令LJMP 0000H,当跑飞程序落到此区域。即可在执行一段空操作后转入正轨。如果未使用的EPR OM空间比较大,可以均匀地填入几条空操作指令和跳转指令,这种几条空操作指令加一 条跳转指令的结构我们称之为软件陷阱。 软件陷阱的一般结构为: NOP NOP LJMP FLY FLY为跑飞处理子程序,如果程序正常执行,软件陷阱部分是永远也执行不到的,只有在 程序跑飞到陷阱里,软件陷阱会立刻将程序跳转到正常轨道。即使程序没有跑飞到陷阱 里,也可以在程序执行一段错误操作后遇到一个软件陷阱 , 相关下载链接:https://download.csdn.net/download/qq_43934844/87506059?utm_source=bbsseo
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单片机应用系统可靠性设计 随着单片机在国防、金融、工业控制等重要领域应用越来越广泛,单片机应用系统可靠性越来越成为人们关注的一个重要课题。单片机应用系统可靠性是由多种因素 决定的,大体分为硬件系统可靠性设计和软件系统可靠性设计。 一、硬件系统可靠性设计 (1)选优设计系统硬件设计和加工时,应该选用质量好的接插件,设计好工艺结构;选用合格的元 器件,进行严格的测试、筛选和老化;设计时技术参数(如负载)要留有一定的余量或 降额使用元器件;提高印制板和组装的质量。 (2)冗余与容错设计 保证单片机应用系统100%无故障是不可能的。容错是指当系统的某个部件发生故障时, 系统仍能完全正常地工作,即给系统增加容忍故障的能力。为使系统具有容错能力,必 须在系统中增加适当的冗余单元,以保证当某个部件发生故障时能由冗余部件接替其工 作,原部件修复后再恢复出错前的状态。硬件冗余设计可以在元件级、子系统系统级 上进行。例如,在系统级上采用双机系统,两套系统互为备用。 (3)采用硬件抗干扰措施 来自供电系统以及通过导线传输、电磁耦合等产生的电磁干扰信号,是单片机系统工作 不稳定的重要因素,在系统硬件设计时必须采取有效的干扰抑制措施。单片机应用系统 中还常使用系统监视电路检测系统发生的错误或故障,自动报警或使系统自动恢复正常 工作状态。如采用电源故障监视、看门狗定时器等采用89C51单片机和X25045组成的看门 狗电路,X25045硬件连接图如图所示。X25045芯片内包含有一个看门狗定时器,可通过 软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动,则X25045将 从RESET输出一个高电平信号,经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲,使CPU复位。如图 1所示电路中,CPU的复位信号共有3个:上电复位(C1、R2),人工复位(S、R1、R2) 和Watchdog复位(C2、R3),通过或门综合后加到RESET端。C2、R3的时间常数不必太大 ,有数百微秒即可,因为这时CPU的振荡器已经在工作。 看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定,通常比系统正常工作时 最大循环周期的时间略长即可。编程时,可在软件的合适地方加一条喂狗指令,使看门 狗的定时时间永远达不到预置时间,系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞,用软件 陷阱等别的方法无法捕捉回程序时,则看门狗定时时间很快增长到预置时间,迫使系统 复位。需要注意的是,在程序正常运行的时候,应该在适当的地方加一条喂狗指令,使 系统正常运行时的定时时间达不到预置时间。系统就不会复位。 二、软件可靠性设计 单片机应用系统的软件和硬件是紧密相关的。要使整个系统具有较高的可靠性,除了在 尽可能提高硬件可靠性的前提下,软件的可靠性设计也是必不可少的,必须从设计、测 试及长期使用等方面来解决软件可靠性单片机系统的抗干扰能力是系统可靠性的重要 指标。由于51单片机的指令系统是复杂指令集结构,致使其抗干扰性能较低,尤其用在 工业控制的场合,如果不增加额外的抗干扰措施,甚至无法正常工作。单片机软件抗干 扰设计的主要目的就是及时发现跑飞的程序,并及时地将程序拉入正常轨道,主要方法 有:指令冗余、软件陷阱、软件看门狗等等。 (1)指令冗余 CPU取指令过程是先取操作码,再取操作数。在程序的关键地方人为的插入一些单字节指 令,或将有效单字节指令重写称为指令冗余,通常是在双字节指令和三字节指令后插入 两个字节以上的NOP指令。这样即使跑飞程序飞到双字节指令和三字节指令操作数上。由 于窄操作指令NOP的存在,避免了后面的指令被错误地执行,为程序纳入正轨做好准备。 此外,对系统流向起重要作用的指令,如RET、RETI、LCALI.、LJMP,JC等,可以在这些 指令之后插入两条NOP指令,可将跑飞程序纳入正轨,以确保这些重要指令的执行。指令 冗余只能使CPU不再将操作数当作操作码错误地执行,却不能主动地将程序的错误执行方 向扭转过来,要想纠止程序的错误执行方向,就需要下面的技术。 (2)设计软件陷阱 通常在程序存储器中未使用的EPROM空间填入窄操作指令NOP,最后再填入一条跳转指令 ,跳转到跑飞处理程序,或者直接填入指令LJMP 0000H,当跑飞程序落到此区域。即可在执行一段空操作后转入正轨。如果未使用的EPR OM空间比较大,可以均匀地填入几条空操作指令和跳转指令,这种几条空操作指令加一 条跳转指令的结构我们称之为软件陷阱。 软件陷阱的一般结构为: NOP NOP LJMP FLY FLY为跑飞处理子程序,如果程序正常执行,软件陷阱部分是永远也执行不到的,只有在 程序跑飞到陷阱里,软件陷阱会立刻将程序跳转到正常轨道。即使程序没有跑飞到陷阱 里,也可以在程序执行一段错误操作后遇到一个软件陷阱
单片机系统设计可靠性 【摘要】: 对单片机实际应用中遇到的、与可靠性技术有关的问题进行了讨论,并分析了一些可行 的办法。 【关键词】:单片机;抗干扰;可靠性;稳定性    一、单片机选型 在单片机系统设计的初始阶段,结合设计要求,合理选择单片机型号,来提高系统可靠性。 1. 选用低功耗单片机 CHMOS芯片是专为低功耗系统设计的芯片类型,通过对单片机的特殊功能寄存器 PCON编程,使单片机工作在待机或掉电工作方式。在设计低功耗应用系统时,不仅要选 用低功耗型单片机,在外围扩展电路中也应选择低功耗的芯片和器件。 2. 选用低噪声单片机 使用低噪声单片机可实现单片机系统噪声的降低。而大功率的驱动电路集成到单片机 内部无疑增加了噪声源,一般采用跳变沿软化技术可降低此类系统噪声。 3. 选用高速度单片机 单片机外部时钟是高频的噪声源,除了能引起单片机应用系统本身的干扰之外,还可 能对外界其他设备造成干扰,使电磁兼容检测不能达标。在对系统可靠性要求很高的应 用系统中,通常可选用时钟频率低、指令运行速度快的单片机来降低系统噪声干扰。 二、单片机硬件抗干扰 在单片机硬件电路的设计中,采用一些措施来提高单片机系统工作的可靠性。 1. 接地 给单片机系统提供良好的保护地线,从而提高系统的抗干扰能力。 2. 隔离与屏蔽 隔离一般是通过使用光电隔离器件将单片机的输入输出隔离开,从而有效地抑制尖峰 脉冲及各种噪声干扰,使传输通道的信噪比大大提高。屏蔽则是用来隔离空间辐射的, 对噪声特别大的部件,如开关电源用金属盒罩起来,可减少对单片机系统的干扰。 3. PCB综合布局和布线 PCB电路板的设计要本着尽量控制噪声源、尽量减小噪声的传播与耦合和尽量减少敏 感元件对干扰噪声的拾取这三大原则进行。具体设计时,应结合PCB设计的相关规则进行 合理的布局和布线。 4. 硬件"看门狗"技术 若失控的程序进入"死循环",一般采用"看门狗"技术使程序脱离"死循环"。通过硬件 "看门狗"电路不断检测程序循环运行时间,当发现程序循环时间超过最大循环运行时间 ,则认为系统陷入"死循环",对单片机进行复位操作,脱离"死循环"。 三、单片机软件抗干扰 在单片机软件程序的设计中,采用一些措施来提高单片机系统工作的可靠性。 软件抗干扰研究的内容主要是:一、消除模拟输入信号的嗓声(如数字滤波技术); 二、程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。这里针对后者提出几种有效的软件抗干扰 方法。 1. 指令冗余技术 单片机CPU取指令过程是先取操作码,再取操作数。当PC受干扰出现错误,程序便脱 离正常轨道"乱飞",当乱飞到某双字节指令,若取指令时刻落在操作数上,误将操作数 当作操作码,程序将出错。若"飞" 到了三字节指令,出错机率更大。 在关键地方人为插入一些单字节指令,或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常 是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数 上,由于空操作指令NOP的存在,避免了后面的指令被当作操作数执行,程序自动纳入正 轨。 此外,对系统流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP,也可将乱飞程序纳入正轨,确保这些 重要指令的执行。 2. 软件陷阱技术 当乱飞程序进入非程序区,冗余指令便无法起作用。通过设置软件陷阱,拦截乱飞程 序,将其引向指定位置,再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复 位入口地址0000H的指令。 例如,对于8051单片机,通常在单片机程序存储器中非程序区填入以下指令作为软件 陷阱: NOP NOP LJMP0000H 在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放 时,在对应的中断服务程序中设置软件陷阱,能及时捕获错误的中断。如某应用系统虽 未用到外部中断1,外部中断1的中断服务程序可为如下形式: NOP NOP? RETI 返回指令可用"RETI",也可用"LJMP 0000H"。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可靠、 完善,用"LJMP 0000H"作返回指令可直接进入故障诊断程序,尽早地处理故障并恢复程序的运行。 考虑到程序存储器的容量,软件陷阱一般1K空间有2-3个就可以进行有效拦截。 3. 软件"看门狗"技术 若失控的程序进入"死循环",通常采用"看门狗"技术使程序脱离"死循环"。通过不断 检测程序循环运行时间,若发现程序循环时间超过最大循环运行时间,则认为系统陷入 "死循环",需进行出错处理。"看门狗"技术可由硬件实现,也可由软件实现。 在工业应用中,严重的干扰有时会破坏中断方式控制字,关闭中断。则系统无法定时"喂 狗",硬件"看门狗"电路失效。而软件"看门狗"可有效地解决这类问题。 软件看门狗通常是使用定

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