单片机应用的可靠性技术发展 教育论文范文
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目前，大量的嵌入式系统均采用了单片机，并且这样的应用正在更进一步扩展；但是多年以来人们一直为单片机系统的可靠性问题所困惑。在一些要求高可靠性的控制系统中，这往往成为限制其应用的主要原因。
1.单片机系统的失效分析
一个单片机系统的可靠性是其自身软硬件与其所处工作环境综合作用的结果，因此系统的可靠性也应从这两个方面去分析与设计。对于系统自身而言，能不能在保证系统各项功能实现的同时，对系统自身运行过程中出现的各种干扰信号及直接来自于系统外部的干扰信号进行有效的抑制，是决定系统可靠性的关键。有缺陷的系统往往只从逻辑上去保证系统功能的实现，而对于系统运行过程中可能出现的潜在的问题考虑欠缺，采取的措施不足，在干扰信号真正袭来的时候，系统就可能会陷入困境。
2. 提高可靠性的措施
2.1减少引起系统不可靠或影响系统可靠的外界因素：
1) EFT (Ellectrical Fast Transient)技术。EFT技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和RC滤波电路时， 就可以消除这些毛否则令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。
2) 低噪声布线技术及驱动技术。在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、右下或右上、左下的两对对称点上。这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。现在，很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，而且在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的噪声。现在为了适应各种应用的需要，很多单片机采用"跳变沿软化技术"，从而消除大电流瞬变时产生的噪声。
3) 采用低频时钟。高频外时钟是噪声源之一，不仅能对单片机应用系统产生干扰，而且还会对外界电路产生干扰，令电磁兼容性不能满足要求。对于要求可靠性较高的系统，低频外时钟有利于降低系统的噪声。在一些单片机中采用内部琐相环技术，则在外部时钟较低时，也能产生较高的内部总线速度，从而保证了速度又降低了噪声。
2.2 提高系统自身抗干扰能力及降低自身运行的不稳定性
2.2.1 用监视定时器技术提高系统的可靠性监视定时器(Watchdog)技术现在使用得非常广泛，技术已较为成熟，这一技术的支持手段也很多。目前，各处理器的生产厂家几乎都在生产内置有看门狗定时器的单片机产品，市场上还有许多独立的看门狗定时器芯片可供选择。采用监视定时器技术后，一旦程序跑飞，系统立即会被监视定时器复位掉，从头重新启动系统，从而退出不正常的运行状态。因此，对于采用了看门狗电路来提高可靠性的系统，必须严格保证系统的可重人性。对于与历史状态相关的系统，为保证其重人性能，可以把其历史状态保存在系统的RAM 中，即在单片机系统的内存或其扩展的外部存储器中，开辟出专用于保存历史状态的缓冲区。在确保系统不掉电的情况下，这些历史数据在系统重人时可以被重新使用。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E2PR0M 或Flash ROM 来保存历史数据。
2.2.2 软件抗干扰技术
一个系统可能由于存在着各种干扰及不稳定因素而出现运行故障。为解决这一问题，可以从程序的设计方面采取一些措施。传统的为抑制系统的干扰信号而经常采用的软件滤波技术、软件冗余设计就是这一类的典型应用。根据设计经验，通常还可以采用软件锁设计、程序陷阱设计。这一类方法主要是针对程序跑飞的情况而采用的。当系统在干扰信号的作用下发生程序跑飞时，程序指针有可能指向两个区域：一种可能正好转到程序区的其他地址进行执行，一种可能转移到程序空间的盲区进行执行。所谓盲区，就是说那里并没有存放有效的程序指令。对于第一种情况，可以采取软件锁加以抑制。
2.2.3 采用备份系统提高可靠性
备份系统在许多重要控制系统中已被广泛使用，但多在工控机中或较大型的系统中采用。备份系统可根据具体的情况分为在线备份系统和后备备份系统。对于在线备份系统，系统中的两个CPU均处于工作状态，有可能两个CPU处在对等的位置，也可能一个处在主CPU 的位置，而另一个处在从CPU的位置。在对等的情况下，两个CPU共同决定系统对外的操作，任何一个CPU 出错都将引起对外操作的禁止。对于一主一从的情况，往往是主CPU负责系统控制逻辑的实现，而从CPU负责对主CPU的工作状态进行监控。当监控到主CPU工作异常时，从CPU通过强行复位主CPU等操作使主CPU恢复正常，同时，为确保从CPU工作正常，从CPU的工作状态也被主CPU监控；当从CPU 的工作状态不正常时，主CPU也可采取措施使从CPU恢复正常工作，即实现互相监控的目的。
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目前，大量的嵌入式系统均采用了单片机，并且这样的应用正在更进一步扩展；但是多年以来人们一直为单片机系统的可靠性问题所困惑。在一些要求高可靠性的控制系统中，这往往成为限制其应用的主要原因。
1.单片机系统的失效分析
一个单片机系统的可靠性是其自身软硬件与其所处工作环境综合作用的结果，因此系统的可靠性也应从这两个方面去分析与设计。对于系统自身而言，能不能在保证系统各项功能实现的同时，对系统自身运行过程中出现的各种干扰信号及直接来自于系统外部的干扰信号进行有效的抑制，是决定系统可靠性的关键。有缺陷的系统往往只从逻辑上去保证系统功能的实现，而对于系统运行过程中可能出现的潜在的问题考虑欠缺，采取的措施不足，在干扰信号真正袭来的时候，系统就可能会陷入困境。
2. 提高可靠性的措施
2.1减少引起系统不可靠或影响系统可靠的外界因素：
1) EFT (Ellectrical Fast Transient)技术。EFT技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和RC滤波电路时， 就可以消除这些毛否则令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。
2) 低噪声布线技术及驱动技术。在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、右下或右上、左下的两对对称点上。这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。现在，很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，而且在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的噪声。现在为了适应各种应用的需要，很多单片机采用"跳变沿软化技术"，从而消除大电流瞬变时产生的噪声。
3) 采用低频时钟。高频外时钟是噪声源之一，不仅能对单片机应用系统产生干扰，而且还会对外界电路产生干扰，令电磁兼容性不能满足要求。对于要求可靠性较高的系统，低频外时钟有利于降低系统的噪声。在一些单片机中采用内部琐相环技术，则在外部时钟较低时，也能产生较高的内部总线速度，从而保证了速度又降低了噪声。
2.2 提高系统自身抗干扰能力及降低自身运行的不稳定性
2.2.1 用监视定时器技术提高系统的可靠性监视定时器(Watchdog)技术现在使用得非常广泛，技术已较为成熟，这一技术的支持手段也很多。目前，各处理器的生产厂家几乎都在生产内置有看门狗定时器的单片机产品，市场上还有许多独立的看门狗定时器芯片可供选择。采用监视定时器技术后，一旦程序跑飞，系统立即会被监视定时器复位掉，从头重新启动系统，从而退出不正常的运行状态。因此，对于采用了看门狗电路来提高可靠性的系统，必须严格保证系统的可重人性。对于与历史状态相关的系统，为保证其重人性能，可以把其历史状态保存在系统的RAM 中，即在单片机系统的内存或其扩展的外部存储器中，开辟出专用于保存历史状态的缓冲区。在确保系统不掉电的情况下，这些历史数据在系统重人时可以被重新使用。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E2PR0M 或Flash ROM 来保存历史数据。
2.2.2 软件抗干扰技术
一个系统可能由于存在着各种干扰及不稳定因素而出现运行故障。为解决这一问题，可以从程序的设计方面采取一些措施。传统的为抑制系统的干扰信号而经常采用的软件滤波技术、软件冗余设计就是这一类的典型应用。根据设计经验，通常还可以采用软件锁设计、程序陷阱设计。这一类方法主要是针对程序跑飞的情况而采用的。当系统在干扰信号的作用下发生程序跑飞时，程序指针有可能指向两个区域：一种可能正好转到程序区的其他地址进行执行，一种可能转移到程序空间的盲区进行执行。所谓盲区，就是说那里并没有存放有效的程序指令。对于第一种情况，可以采取软件锁加以抑制。
2.2.3 采用备份系统提高可靠性
备份系统在许多重要控制系统中已被广泛使用，但多在工控机中或较大型的系统中采用。备份系统可根据具体的情况分为在线备份系统和后备备份系统。对于在线备份系统，系统中的两个CPU均处于工作状态，有可能两个CPU处在对等的位置，也可能一个处在主CPU 的位置，而另一个处在从CPU的位置。在对等的情况下，两个CPU共同决定系统对外的操作，任何一个CPU 出错都将引起对外操作的禁止。对于一主一从的情况，往往是主CPU负责系统控制逻辑的实现，而从CPU负责对主CPU的工作状态进行监控。当监控到主CPU工作异常时，从CPU通过强行复位主CPU等操作使主CPU恢复正常，同时，为确保从CPU工作正常，从CPU的工作状态也被主CPU监控；当从CPU 的工作状态不正常时，主CPU也可采取措施使从CPU恢复正常工作，即实现互相监控的目的。
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