摘要：可靠性設(shè)計是單片機應(yīng)甩系統(tǒng)設(shè)計必不可少的設(shè)計內(nèi)容。本文從現(xiàn)代電子系統(tǒng)的可靠性出發(fā)，詳細論述了單片機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性特點。提出了芯片選擇、電源設(shè)計、PCB制作、噪聲失敏控制、程序失控回復(fù)等集合硬件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計技術(shù)和軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計技術(shù)的解決方法?？晒﹩纹瑱C應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)人員借鑒與參考。

單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計包括功能性設(shè)計、可靠性設(shè)計和產(chǎn)品化設(shè)計。其中，功能性是基礎(chǔ)，可靠性是保障，產(chǎn)品化是前途。因此，從事單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工作的設(shè)計人員必須掌握可靠性設(shè)計。

一、可靠性與可靠性設(shè)計

1．現(xiàn)代電子系統(tǒng)的可靠性

現(xiàn)代電子系統(tǒng)具有如下特點：嵌入式的計算機系統(tǒng)．智能化的體系結(jié)構(gòu)；以計算機為核心的柔性硬件基礎(chǔ)，由軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功能；硬件系統(tǒng)有微電子技術(shù)的有力支持。單片機應(yīng)用系統(tǒng)是當(dāng)前最典型、最廣泛的現(xiàn)代電子系統(tǒng)。

現(xiàn)代電子系統(tǒng)的可靠性表現(xiàn)為，在規(guī)定條件下，系統(tǒng)準(zhǔn)確無誤運行的能力．突出了可靠性的軟件和運行中的失誤概率?？煽啃栽O(shè)計則是在產(chǎn)品開發(fā)過程中，保證運行可靠的全部設(shè)計手段，甚至包括了產(chǎn)品出廠后軟件升級中的町靠性設(shè)計。由于軟件的介入，可靠性問題除了二值可靠性的“失效”外．出現(xiàn)了除了“正常”與“失效”以外介于其間的諸如“出錯”、“失誤”、“不穩(wěn)定”的多值可靠性問題。

2．單片機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性特點

(1)系統(tǒng)運行狀態(tài)的可靠性特點

單片機應(yīng)用系統(tǒng)普遍采用CMOS器件，因此，經(jīng)常的運行狀態(tài)有靜態(tài)運行與動態(tài)運行之分。

靜態(tài)運行是指單片機在休閑或掉電方式下的工作狀態(tài)。此時，單片機指令停止運行。外圍電路被關(guān)斷或電源被關(guān)斷，系統(tǒng)中只有值守電路在工作。因此，靜態(tài)運行下的系統(tǒng)不存在軟件的可靠性問題，其可靠性主要表現(xiàn)在值守電路的抗干擾能力、系統(tǒng)中器件的靜態(tài)參數(shù)余度，如直流特性參數(shù)余度、工作電壓、工作穩(wěn)定以及接插件的可靠性等。

動態(tài)運行是指單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作在程序運行狀態(tài)。此時的可靠性主要是軟件運行的可靠性問題．表現(xiàn)在動態(tài)參數(shù)余度，如邏輯電平噪聲容限、時鐘誤差、時序誤差等。

(2)固化軟件運行環(huán)境與可靠性

單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU運行的是事先固化在單片機的程序存儲器的軟件．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(xiàn)在固化軟件本身的可靠性和程序存儲器數(shù)據(jù)保護的可靠性。

(3)時空邊界性問題與可靠性

時空邊界性問題普遍存在于單片機應(yīng)用系統(tǒng)中．如單片機應(yīng)用系統(tǒng)中采用二位十進制數(shù)代替四位公元紀(jì)年的定時時鐘系統(tǒng)。在跨越2000年時就會形成數(shù)據(jù)處理失誤；采用有限寫入次數(shù)的程序存儲器。在超過寫入次數(shù)的運行操作時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤；程序存儲器保存數(shù)據(jù)也有一定的年限，超過此年限也會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤。其它諸如計數(shù)容量．?dāng)?shù)據(jù)溢出，參數(shù)超邊界應(yīng)用都會帶來可靠性問題。因此．必須采取時空邊界性問題的可靠性防范措施。

3．本質(zhì)可靠性與可靠性控制

本質(zhì)可靠性是只考慮系統(tǒng)功能要求的軟、硬件可靠性設(shè)計，是可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)。如采用CMOS電路代替7rrL電路提高噪聲容限，增加系統(tǒng)抗干擾能力：采用高可靠性的軟硬件開發(fā)平臺實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)；按照電磁兼容規(guī)范設(shè)計可靠的PCB等。

常用的可靠性控制設(shè)計有：噪聲失敏控制，時空邊界管理，系統(tǒng)自檢與自修復(fù)，出錯后的安全性包容等。

二、硬件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

硬件系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)本質(zhì)可靠性和可靠性控制的基礎(chǔ)。

1．硬件系統(tǒng)總體方案的可靠性設(shè)計

硬件系統(tǒng)總體方案的可靠性設(shè)計內(nèi)容包括：

(1)采用硬件平臺的系統(tǒng)設(shè)計方法

單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件平臺都是由相近似的應(yīng)用系統(tǒng)基本電路組成，只適用于某一領(lǐng)域中的硬件系統(tǒng)設(shè)計?；谟布脚_設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)有基本的可靠性保證。一個良好的硬件平臺應(yīng)具備：標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化設(shè)計的電路系統(tǒng)；柔性特性的基本應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；豐富的軟件支持；可靠性測試記錄。

(2)最大的系統(tǒng)集成

最大的系統(tǒng)集成可以最大限度簡化系統(tǒng)構(gòu)成，有助于減少系統(tǒng)硬件失誤概率。最大的系統(tǒng)集成應(yīng)具備：依靠器件解決的思想；單片機選擇實現(xiàn)系統(tǒng)的最大包容；0EM的支持。

2．器件選擇的可靠性設(shè)計

單片機芯片的選擇要滿足系統(tǒng)集成的最大化要求；優(yōu)選CMOS器件：為簡化電路設(shè)計盡可能采用串行傳輸總線器件代替并行總線擴展的器件；選擇保證可靠性的專用器件，如采用電源監(jiān)控類器件、信號線路故障保護器、ESD(靜電干擾)保護器、能實現(xiàn)電源短路保護的自聚合開關(guān)等。

三、軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計中，軟件設(shè)計最主要的任務(wù)是保證在過程空間中。應(yīng)用程序按照給定的順序有序運行。在高可靠性的硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上。軟件設(shè)計的可靠性保障了最少的軟件錯誤以及在軟件出錯后仍能保證系統(tǒng)正常運行或安全運行。

1．本質(zhì)可靠性的軟件設(shè)計

軟件的本質(zhì)可靠性是指不依靠軟件附加．最大限度減少自身錯誤及缺陷，并且要有足夠的時序余度。

單片機系統(tǒng)在CPU的控制下實現(xiàn)分時操作．程序完全依靠時序調(diào)度、切換控制。程序運行的可控不僅要求時序準(zhǔn)確，而且要有足夠的時序余度。

第一，系統(tǒng)復(fù)位時序。多個器件復(fù)位的時序要求是主要問題。應(yīng)保證MCU對外圍可編程器件的初始化在該器件復(fù)位后進行。軟件設(shè)計時，可以在系統(tǒng)上電復(fù)位后，MCU延遲片刻，確保外圍器件復(fù)位后，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余度。

第三。應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時序。應(yīng)用系統(tǒng)中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換有MCU運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換、外圍器件運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換和電源系統(tǒng)供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換等。在程序設(shè)計中．必須考慮狀態(tài)轉(zhuǎn)換時過渡期對程序運行的影響，精心設(shè)計時序控制。通常。MCU本身的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，都有自動監(jiān)視、自動運行管理功能，程序設(shè)計只需按MCU數(shù)據(jù)手冊及指令系統(tǒng)的操作要求進行即可。對于有較長過渡期的外圍狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可采取足夠的延時或設(shè)置提前轉(zhuǎn)換狀態(tài)的辦法。

第四，總線時序。單片機應(yīng)用系統(tǒng)中有并行總線和串行總線，這些總線在規(guī)范化操作時，其時序數(shù)據(jù)通信協(xié)議保證。在虛擬總線方式時，虛擬總線運行的可靠性在于時序的準(zhǔn)確模擬。并行總線要保證讀、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(shù)據(jù)傳送的影響。

四、結(jié)束語

單片機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計涉及硬件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計和軟件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計，采取的措施多而復(fù)雜。實際應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)設(shè)計條件與目標(biāo)要求，制定應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性等級，合理采用硬性可靠性措施。充分利用軟件的可靠性設(shè)計，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

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審核編輯 黃昊宇