摘要：随着单片机系统应用的不断深入，对系统综合性能也提出更高的要求。然而从较多工业控制中单片机的应用现状看，系统可靠性仍难以保障，究其原因在于实际设计中未做好软硬件设计，这就要求单片机系统设计中，为进一步增强其可靠性，需将更多相关技术引入其中。本文将从硬件、软件两方面着手，对可靠性设计思路进行研究。
关键词：单片机系统；可靠性设计；测试
由于具有优异的性能价格比，单片机系统在通讯、工业控制和医疗等多个领域得到了应用。但随着单片机种类的不断增多，人们对单片机系统的可靠性要求也越来越高，引起了相关研究者对增强单片机系统可靠性的软硬件设计问题的重视。因此，本文从硬件设计和软件设计两个方面对单片机系统可靠性的设计问题进行了分析，以便为相关系统的设计提供一定的参考。
1、硬件可靠性设计
为了提高系统的可靠性,本系统在滤波技术、隔离技术、屏蔽技术、接地技术等方面都有专门的考虑和设计。
1.1滤波技术
电源和负载的变化、电路状态的切换以及突发的雷击等都有可能在线路上形成尖峰电流,从而产生噪声电压。该噪声电压耦合到电路中,严重时就会影响电路的正常工作。利用电容、电感的储能特性来抑制产生的噪声,称为“滤波技术”。
在本系统中,供电模块设计了前级滤波电路,有效地抑制了高频和低频噪声分量,稳定了系统电源电压。实践证明,电源部分的干扰问题解决得好对于整个系统的可靠性有着极其重要的意义。以系统使用的AT89C51单片机5V供电电压为例,滤波电路如图1所示,其中78M05为三端稳压器。
图1 前级滤波电路
1.2隔离技术
1.2.1物理隔离技术
物理隔离技术是指在单片机系统中,通过器件的合理布局和线路的合理布线,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。具体来说包括: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。在本系统中,包含有电机、继电器、整流桥等噪声设备,同时也含有单片机芯片、AD/DA、RAM等敏感器件。它们被限定在了各自划分的区域,保持了合适的距离,噪声设备也被放置在了电路板边缘;信号线和模拟线在各自的区域布线,不平行,不重叠。
1.2.2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,从而割断噪声从一个电路进入另一个电路的通道。在系统的供电模块,采用模拟电源设计了末级隔离电路。它承接前级滤波电路,将输入电源和输出电源完全隔离,实现独立电源供电。其中,输出电源的电压可以与输入相同,也可以不同,如图2所示。图中的SPX1117为DC/DC,输出电压大小可调。在本系统的信号传输部分,采用了光电耦合的隔离方式,对数字信号的输入、输出进行了隔离。负责光电转换的光耦,具有高隔离电阻特性,能够实现无公共地的两个不同电平数字信号的隔离传输,如图3所示。图中6N137为10MHz高速光耦。
图2 末级隔离电路 图3 光电耦合隔离电路
1.3屏蔽技术
高频电源、交流电源、电器设备的火花、雷电等都能产生电磁波。当干扰源距离系统较近时,电磁波通过分布电容、分布电感耦合到悬浮回路形成干扰;当干扰源距离系统较远时,电磁波将以辐射形式构成干扰。屏蔽技术是利用金属板、金属网、金属盒等屏蔽体,通过反射和吸收电磁场来削弱进入屏蔽体内的电磁场能量,或把电磁场限制在一定空间,形成对电磁波的屏蔽作用,从而使得系统具有较高的EMC特性。在本系统中,针对以电压形式出现的干扰,考虑干扰源与电子设备之间存在的容性电场耦合,将屏蔽体以对地极低阻抗进行了良好接地,对干扰源施行了有效的电场屏蔽,如图4所示。
图4 屏蔽技术
在本系统中,针对以电流形式出现的干扰源,考虑到电流所产生磁场的互感耦合效应,对干扰源施行了有效的磁场屏蔽,如图5所示。运用时,应根据干扰源的频率高低选用不同的屏蔽材料。100kHz以下的低频磁场选用高导磁率铁磁材料做屏蔽体,而100kHz以上的高频磁场选用高电导率材料做屏蔽体。
图5 磁场屏蔽
1.4电路接地设计
为了提高单片机系统的可靠性，也可以通过接地设计将系统外壳的漏电流快速引入地下，以确保系统的使用安全。而就目前来看，接地设计可以分成两种，即安全接地和信号接地。其中，安全接地是将系统电路外壳利用低阻抗导体接入大地(如图2所示)，信号接地则是将系统的一些信号端口与地线连接。而信号接地技术的应用不仅可以为系统电路提供公共电路参考点，还可以在一定程度上消除系统的噪声干扰。但在接地的过程中，需要避免接地环路的产生。此外，需要根据电路频率大小确定接地方式，比如频率低于10MHz时应选择“单点接地”，而高于10MHz则选择“多点接地”
2、单片机软件系统设计分析
2.1数字滤波技术
软件系统设计过程中，考虑到模拟信号采集中有较多偏差问题存在，其产生的原因多归结于前向传感器中有噪声信号传入。若这种偏差问题未得以及时控制，系统发出的控制信号都将出现误差。这种情况下，为使数据真实性得以保证，便需引入数字滤波技术。该技术实现中，对于错误数据主要利用其中判断或运算程序，使随机干扰得以消除，将有用信号中干扰信号比重控制到最低，尽可能将数据可信度提高。如一般滑动平均值、算术平均值等方法，都可使数据偏差问题得到控制。
2.2冗余技术
单片机软件可靠性设计中，冗余技术的应用集中表现在数据冗余、时间冗余以及指令冗余等方面。以数据冗余为例，其主要解决RAM区因干扰而产生的数据丢失问题，能够直接备份保留这些参数，在系统运行中可通过备份数据完成恢复与检验过程。而在时间冗余方面，其主要对系统某一程序反复执行，在此基础上将每次执行的结果对比分析，假若对比结果相同便说明系统运行正常，若结果差异明显需重新执行这一程序，剔除其中的干扰问题，或直接对不同结果认定为故障。以布尔类型信号为例，技术应用过程中会多次进行信号采集，对比采集结果的基础上，分析系否有外部控制信号存在。另外，在指令冗余技术应用下，其主要将冗余指令装设到程序中，使程序错误问题得以有效控制。
2.3系统复位设计
在电磁干扰下，单片机系统的运行可能会进入到死循环状态。而通过系统复位设计则可以使系统尽快重启，能够使系统摆脱死循环状态。一方面，在系统的PC指针失控的情况下，单片机芯片可能会出现程序运行错误。而在非程序处设置软件陷阱进行程序的捕捉，则可以使系统强行进行程序错误的处理，并通过初始化重启系统。另一方面，在系统程序落入到临时出现的死循环程序后，软件陷阱将无法发挥作用。而此时，可以通过设计“看门狗”程序引导系统运行。这一程序独立于单片机程序存在，可以使系统的可靠性得到有效的提高。
3、结论
总而言之，在整个控制系统中，单片机系统设计的可靠性是整个系统安全运行的保障。所以，设计人员需要了解提高单片机系统可靠性的硬件设计方法和软件设计方法，并通过分析单片机工作环境和性能完成单片机的可靠性设计，确保控制系统的安全运行。
参考文献
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论文作者:潘焱
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：系统论文; 单片机论文; 电路论文; 干扰论文; 可靠性论文; 技术论文; 屏蔽论文; 《电力设备》2018年第24期论文;