浅谈提高单片机系统可靠性的设计方法
关键词：单片机干扰可靠性
随着单片机系统应用的广泛和深入，人们对单片机系统的可靠性越来越重视，要求也越来越高。

单片机系统的运行可靠性与它的硬件、软件以及它所处的环境密切相关，可看作是受内部因素和外部因素的共同影响。

从内部因素看，系统需要能够对运行过程中自身以及周围产生的干扰信号进行有效的抑制和消除；而从外部因素看，要求改善外部环境质量，为系统创造一个良好的运行环境。

在实际运用中，各种技术需要根据情况和场合的不同，把握重点，软硬结合，合理选择运用。

1 硬件可靠性设计
1.1 电源干扰及其抑制措施
在影响单片机系统可靠性的诸多因素中，电源干扰可谓首屈一指。

据统计，单片机应用系统的运行故障中有90%以上是由电源噪声引起的。

（1）交流电源干扰及抑制
多数情况下，单片机应用系统都使用交流220v、50hz的电源供电。

在工业现场，生产负荷的经常变化，大型用电设备的启动与停止，往往会造成电源电压的波动，有时还会产生尖峰脉冲，它对单片机应用系统的影响最大，能使系统的程序“跑飞”或使系统造成“死机”。

因此，一方面要使系统尽量远离这些干扰源，另一方面可采用电源滤波器；还可采用交流稳压器；也可采用1：1隔离变
压器。

（2）直流电源抗干扰措施
单片机应用系统中有时往往需要几种不同电压等级的直流电源。

这时，可以采用相应的低纹波高质量集成稳压电路，从而使供电系统的可靠性大大提高；也可以采用直流开关电源进行供电；还可以采用dc-dc变换器。

1.2 地线干扰及其抑制
在单片机系统中，接地是一个非常重要的问题。

接地问题处理的好坏，将直接影响单片机系统的正常工作。

在低频电路中，布线和元件间的寄生电感影响不大，因而常采用一点接地；在高频电路中，布线和元件间的寄生电感及分布电容将造成各接地线间的耦合，此时应采用多点接地。

数字地和模拟地应分别接地。

即使是一个芯片上有两种地也要分别接地，然后在一点处把两种地连接起来。

在印刷电路板的地线分布时，ttl、cmos器件的接地线要呈辐射网状，避免环形；板上地线的宽度要根据通过的电流大小而定。

在可能的情况下，地线尽量加宽，旁路电容的地线不要太长；功率地通过电流信号较大，地线应较宽，必须与小信号地分开。

1.3 隔离措施
（1）物理隔离
物理隔离技术是指在单片机系统中，通过器件和线路的合理布局，将容易产生干扰和容易被干扰的器件和线路分开或者按照合理
的规则放置，将系统自身可能产生的干扰降到最低。

具体的方法有；大功率、高电平器件与小功率、低电平器件隔离；模拟电路和数字电路隔离；数字信号线、模拟信号线与电源线隔离。

（2）信号隔离技术
信号隔离技术是指通过安装中间器件来切断两个电路的直接电
联系，使之相互独立不成回路，从而切断噪声从一个电路进入另一个电路的通道。

单片机的输入输出口线是最容易引进干扰的地方，对于不使用的i/o口线，需要使用电阻上拉到高电平，不可悬置；直接将开关量信号接到单片机的口线上，是最不可取的设计，至少要加一个缓冲驱动的芯片隔离；在严重干扰的情况下，需要将所有的口线采用光耦光电隔离。

2 软件可靠性设计
在单片机软件程序的设计中，要采用一些措施来提高单片机系统工作的可靠性。

软件抗干扰的方法主要分两类：一类是消除模拟输入信号的噪声（如数字滤波技术）；一类是程序运行混乱时使程序恢复正轨的方法。

2.1 数字滤波技术
在采集模拟信号时，得到的数据可能存在偏差。

这些偏差有时并不是由程序本身引起的，而是由于噪声信号串入前向传感器中所致。

针对这种情况，可采用数字滤波确保采集到的数据的准确性和真实性。

数字滤波技术方法有滑动平均值法、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。

2.2 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”。

在某些关键地方可以人为地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，程序自动转入正轨。

2.3 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。

可以通过设置软件陷阱，拦截“乱飞”程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。

目前比较成熟的软件拦截技术就是常用的软件陷阱，所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的指令。

如果我们把这段程序的入口地址记为err的话，软件陷阱即为一条无条件转移指令，为了加强其捕获效果，一般还在它前面加几条nop指令，2.4 “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”。

“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现。

对于采用了“看门狗”技术来提高可靠性的系统，还必须严格保证系统的可重入性。

为保证系统的重入性能，可以把其历史状态保存在单片机系统的ram中。

在确保系统不掉电的情况下，这些历史数据在系统重入时可以被重新使用。

如果不能保证系统的电源稳
定，还必须考虑采用备用电池供电，以保证ram数据的安全稳定；对于时间不是太敏感的系统，还可以采用eprom或flash rom来保存历史数据。

3 结束语
在上面，对单片机系统的干扰及其应对方法进行了分析，在实际的单片机系统设计时，要分析系统工作的环境，明确干扰的类型和性质，根据干扰的不同及对系统影响程度的大小，从硬件和软件两个方面采取不同的应对方法，提高单片机系统的工作的可靠性。

参考文献：
[1]胡汉才.单片机原理及系统设计.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.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.北京：北京航空航天大学出版社，2000.。