單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性技術(shù)

1、單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性技術(shù),介紹近年來(lái)單片機(jī)技術(shù)在提供系統(tǒng)可靠性方面所做的努力與發(fā)展。提醒用戶在單片機(jī)選型、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及制造工藝等方面應(yīng)注意什么，以實(shí)現(xiàn)高可靠性的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。,主要內(nèi)容,單片機(jī)自身的抗干擾措施 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件抗干擾措施 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件抗干擾措施 提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段 單片機(jī)系統(tǒng)中印制電路板的抗干擾設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)中用于抑制干擾的元件,單片機(jī)自身的抗干擾措施,1. 降低外時(shí)鐘頻率

2、2. 低噪聲系列單片機(jī) 3. 時(shí)鐘和電壓監(jiān)測(cè)電路、“看門狗”、復(fù)位 4. EFT技術(shù)5. 軟件方面的措施,外時(shí)鐘是高頻的噪聲源，除能引起對(duì)本應(yīng)用系統(tǒng)的干擾之外，還可能產(chǎn)生對(duì)外界的干擾，使電磁兼容檢測(cè)不能達(dá)標(biāo)。在對(duì)可靠性要求很高的應(yīng)用系統(tǒng)中，選用頻率低的單片機(jī)是降低系統(tǒng)噪聲的原則之一。以8051單片機(jī)為例，最短指令周期1μs時(shí)，外時(shí)鐘是12MHz。而同樣速度的Motorola 單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘只需4MHz，更適合用于工控系統(tǒng)。近年

3、來(lái)，一些生產(chǎn)8051兼容單片機(jī)的廠商也采用了一些新技術(shù)，在不犧牲運(yùn)算速度的前提下將對(duì)外時(shí)鐘的需求降至原來(lái)的1/3。而Motorola 單片機(jī)在新推出的68HC08系列以及其16/32位單片機(jī)中普遍采用了內(nèi)部瑣相環(huán)技術(shù)，將外部時(shí)鐘頻率降至32KHz，而內(nèi)部總線速度卻提高到8MHz乃至更高。,1. 降低外時(shí)鐘頻率,2. 低噪聲系列單片機(jī),傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)中，在電源、地的引出上通常將其安排在對(duì)稱的兩邊。如左下角是地，右下角是電源。這使得電源

4、噪聲穿過(guò)整個(gè)硅片。改進(jìn)的技術(shù)將電源、地安排在兩個(gè)相鄰的引腳上，這樣一方面降低了穿過(guò)整個(gè)硅片的電流，一方面使外部去耦電容在PCB設(shè)計(jì)上更容易安排，以降低系統(tǒng)噪聲。另一個(gè)在集成電路設(shè)計(jì)上降低噪聲的例子是驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。一些單片機(jī)提供若干個(gè)大電流的輸出引腳，從幾十毫安到數(shù)百毫安。這些大功率的驅(qū)動(dòng)電路集成到單片機(jī)內(nèi)部無(wú)疑增加了噪聲源。而跳變沿的軟化技術(shù)可消除這方面的影響，辦法是將一個(gè)大功率管做成若干個(gè)小管子的并聯(lián)，再為每個(gè)管子輸出端串上不同等效

5、阻值的電阻。以降低di/dt。,3.時(shí)鐘和電壓監(jiān)測(cè)電路、“看門狗”、復(fù)位,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘停振時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)以恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘，是單片機(jī)提高系統(tǒng)可靠性的措施之一。而時(shí)鐘監(jiān)控有效與省電指令STOP是一對(duì)矛盾。只能使用其中之一。 “看門狗”技術(shù)是監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序中的一段定時(shí)中斷服務(wù)程序的運(yùn)行狀況，當(dāng)這段程序不工作時(shí)判斷為系統(tǒng)故障，從而產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位。 低電壓復(fù)位技術(shù)用于監(jiān)測(cè)單片機(jī)電源電壓，當(dāng)電壓低于某一值時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信

6、號(hào)。由于單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)本身對(duì)電源電壓范圍的要求越來(lái)越寬。電源電壓從當(dāng)初的5V降至3.3V，并且繼續(xù)下降到2.7V、2.2V、1.8V。在是否使用低電壓復(fù)位功能時(shí)應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況權(quán)衡一下。,4. EFT技術(shù),新近推出的Motorola M68HC08 系列單片機(jī)采用EFT(Electrical Fast Transient)技術(shù)進(jìn)一步提高了單片機(jī)的抗干擾能力。當(dāng)振蕩電路的正弦波信號(hào)受到外界干擾時(shí)，其波形上會(huì)疊加一些毛刺。以施

7、密特電路對(duì)其整形時(shí)，這種毛刺會(huì)成為觸發(fā)信號(hào)干擾正常的時(shí)鐘信號(hào)。交替使用施密特電路和RC濾波可以使這類毛刺不起作用，這就是EFT技術(shù)。隨著VLSI技術(shù)的不斷發(fā)展，電路內(nèi)部的抗干擾技術(shù)也在不斷發(fā)展之中。,5. 軟件方面的措施,單片機(jī)本身在指令設(shè)計(jì)上也有一些抗干擾的考慮。非法指令復(fù)位或非法指令中斷是當(dāng)運(yùn)行程序時(shí)遇到非法指令或非法尋址空間能產(chǎn)生復(fù)位或中斷。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序是事先寫好的，不可能有非法指令或?qū)ぶ?。一定是系統(tǒng)受到干擾，CPU讀指令時(shí)

8、出的錯(cuò)。 以上提到的是當(dāng)前廣泛使用的單片機(jī)應(yīng)該具有的內(nèi)部抗干擾措施。在選用單片機(jī)時(shí)，要檢查一下這些性能是否都有，以求設(shè)計(jì)出可靠性高的系統(tǒng)。,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件抗干擾措施,1. 開(kāi)機(jī)自檢 2 .指令冗余技術(shù) 3. 對(duì)確定的工作狀態(tài)進(jìn)行多次刷新 4. 數(shù)字濾波 5. 軟件陷阱 6. “看門狗”技術(shù) 7. 干擾避開(kāi)法 8. I/O開(kāi)關(guān)量軟件抗干擾設(shè)計(jì) 9. 程序運(yùn)行出錯(cuò)處理程序 10

9、. 編寫軟件的其它注意事項(xiàng),1. 開(kāi)機(jī)自檢,a. 檢測(cè)RAM 檢查RAM讀寫是否正常。 b. 檢查ROM單元的內(nèi)容 檢查ROM單元的內(nèi)容的校驗(yàn)和。 c. 檢查I/O口狀態(tài) 檢查I/O口是否有短路或開(kāi)路等不正?，F(xiàn)象。 d. 其它接口電路檢測(cè) 如擴(kuò)展的E2PROM、A/D轉(zhuǎn)換電路等的檢測(cè)。,2． 指令冗余技術(shù),a. NOP的使用 可在雙字節(jié)指令和3字節(jié)指令之后插入兩個(gè)單字

10、節(jié)NOP指令，這可保證其后的指令在程序“跑飛”后不會(huì)被拆散。 b. 重要指令冗余 在對(duì)程序流向起決定作用的指令(如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ等)和某些對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)起重要作用的指令(如SETB EA等)之前插入兩條NOP指令。,3. 對(duì)確定的工作狀態(tài)進(jìn)行多次刷新,一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)中程序運(yùn)行到某些特定的地方時(shí)，部分運(yùn)行參數(shù)、輸出端口、SP值、IE值等是

11、可以確定的，在這些地方對(duì)這些可以確定的參數(shù)和工作狀態(tài)進(jìn)行刷新。例如：軟件的主程序中，在自檢和初始化后一般都有一個(gè)循環(huán)，剛進(jìn)入循環(huán)時(shí)，IE的部分位和SP等是可以確定的，在這里對(duì)這些可以確定的參數(shù)和工作狀態(tài)用常數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以保證因“跑飛”等原因而造成改變的參數(shù)和工作狀態(tài)可以迅速恢復(fù)正常。,4. 數(shù)字濾波,a. 程序判斷濾波法 判斷兩次采樣允許的最大偏差ΔY或單次采樣允許的最大(小)值。b. 中位值濾波法

12、 中位值濾波法就是對(duì)某一被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N取奇數(shù))，然后把N次采樣值按大小排列，取中間值作為本次采樣值。 c. 算術(shù)平均濾波法 算術(shù)平均濾波法就是連續(xù)取N個(gè)值進(jìn)行采樣，然后算術(shù)平均。,d. 遞推平均濾波法 遞推平均濾波法是把N個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度為N，每進(jìn)行一次新的測(cè)量，就把測(cè)量結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，這樣一來(lái)在隊(duì)列中始終有N個(gè)“最新”

13、的測(cè)量數(shù)據(jù)。計(jì)算濾波值時(shí)，只要把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，就可以得到新的濾波值。 e. 防脈沖干擾平均值濾波法 先去掉N個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。,f. 一階滯后濾波法 在模擬量輸入通道中，常用一階滯后RC模擬濾波器來(lái)抑制干擾。當(dāng)用這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻干擾濾波時(shí)，首先遇到的問(wèn)題是要求濾波器有大的時(shí)間常數(shù)和高精度的RC網(wǎng)絡(luò)。時(shí)間常數(shù)Tf越大，要求R、C越大，其

14、漏電流也必然加大，從而也使RC網(wǎng)絡(luò)的精度降低。采用一階滯后的數(shù)字濾波程序，能很好地克服上述這種模擬量濾波器的缺點(diǎn)，在濾波常數(shù)要求大的場(chǎng)合，此法更適合，一階滯后濾波算法為：  Yn = (1-α)Yn+αYn-1  式中：Yn —— 未經(jīng)濾波的第n次采樣值；Tf為濾波時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期； Tfα = ———— T + Tf

15、α值由實(shí)驗(yàn)確定；只要使被檢測(cè)信號(hào)不產(chǎn)生明顯紋波即可。,,,,5. 軟件陷阱,當(dāng)“跑飛”程序進(jìn)入非程序區(qū)(如EPROM未使用的空間)或表格區(qū)時(shí)，采用冗余指令已不能使程序納入正軌，此時(shí)可以設(shè)置軟件陷阱，攔截亂非程序，將其引向一個(gè)特定的程序----程序運(yùn)行出錯(cuò)處理程序。 5.1 軟件陷阱 如果因干擾導(dǎo)致單片機(jī)的指令計(jì)數(shù)器PC值被錯(cuò)置，程序跳到程序存儲(chǔ)器中的未使用區(qū)域，系統(tǒng)就會(huì)出錯(cuò)。軟件陷阱是在程序存儲(chǔ)器的未使用的區(qū)域

16、中，加上若干條指令將“跑飛”程序引向程序運(yùn)行出錯(cuò)處理程序或復(fù)位入口地址。,,5.2 軟件陷阱的安排 a. 未使用的中斷區(qū) b. 未使用的程序存儲(chǔ)器空間 c. 非程序存儲(chǔ)器空間 d. 運(yùn)行程序區(qū) e. 中斷服務(wù)程序 f. RAM數(shù)據(jù)保護(hù)的條件陷阱,6. “看門狗”技術(shù),6.1 硬件“看門狗”技術(shù) a. 單穩(wěn)態(tài)型“看門狗”電路 b. 計(jì)數(shù)器型“看門狗”電路

17、 c. μP監(jiān)控器 6.2 軟件“看門狗”技術(shù) 軟件“看門狗”技術(shù)用中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)“看門狗”功能。,7. 干擾避開(kāi)法,在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，許多干擾來(lái)自系統(tǒng)本身。例如：大型感性負(fù)載的通斷，尤其是電源過(guò)壓、欠壓、浪涌、下陷以及產(chǎn)生尖峰干擾等。這些干擾可通過(guò)電源耦合竄入系統(tǒng)。雖然這些干擾危害很嚴(yán)重，但有大部分是可以預(yù)知的，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)可采用適當(dāng)?shù)拇胧┍荛_(kāi)這些干擾。當(dāng)系統(tǒng)要接通或斷開(kāi)大功率負(fù)載時(shí)，使單片機(jī)

18、暫停工作，待干擾過(guò)后再恢復(fù)工作，這比單純?cè)谟布喜扇】垢蓴_措施要方便許多。,8. I/O開(kāi)關(guān)量軟件抗干擾設(shè)計(jì),8.1 開(kāi)關(guān)量輸入軟件抗干擾措施 用重復(fù)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)抗干擾，如鍵盤去抖動(dòng) 。在干擾信號(hào)的頻率較高的場(chǎng)合，還可以采用通信中常用“大數(shù)判決法”來(lái)實(shí)現(xiàn)去干擾。實(shí)現(xiàn)的過(guò)程是：在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次采樣，對(duì)輸入電平的高低分別計(jì)數(shù)，以計(jì)數(shù)值大的對(duì)應(yīng)狀態(tài)作為有效狀態(tài)。 8.2 開(kāi)關(guān)量輸出軟件抗干擾措施 用重復(fù)

19、輸出的方法提高輸出接口抗干擾的性能。對(duì)于可編程借口芯片，工作方式控制字與輸出狀態(tài)字一并重復(fù)輸出。,9. 程序運(yùn)行出錯(cuò)處理程序,程序運(yùn)行出錯(cuò)處理程序又叫故障自動(dòng)恢復(fù)處理程序。單片機(jī)系統(tǒng)因干擾而失控，導(dǎo)致程“跑飛”、進(jìn)入“死循環(huán)”，甚至使某些中斷關(guān)閉。采用冗余指令、軟件陷阱和“看門狗”技術(shù)，使系統(tǒng)盡快擺脫失控狀態(tài)，而轉(zhuǎn)到“復(fù)位”時(shí)開(kāi)始的位置執(zhí)行或者轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序運(yùn)行出錯(cuò)處理程序，判斷出錯(cuò)的原因和出錯(cuò)后已造成的后果，盡可能地糾正錯(cuò)誤，使程序進(jìn)

20、入出錯(cuò)前的位置。對(duì)于可以從“復(fù)位”時(shí)開(kāi)始的位置執(zhí)行的情況，還需要區(qū)分是上電“復(fù)位”(又稱冷啟動(dòng))，還是故障“復(fù)位”(由軟件轉(zhuǎn)入的“復(fù)位”，有稱軟“復(fù)位”或熱啟動(dòng))。,9.1 上電標(biāo)志設(shè)定 冷啟動(dòng)的特征是要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行徹底的初始化，程序從頭開(kāi)始執(zhí)行。而熱啟動(dòng)的特征是不需要全部進(jìn)行初始化的，程序應(yīng)從發(fā)生故障的位置開(kāi)始執(zhí)行。為了區(qū)分是冷啟動(dòng)還是熱啟動(dòng)，需要用上電“復(fù)位”標(biāo)志來(lái)判定。 a. PSW·5作為

21、上電標(biāo)志 PSW·5標(biāo)志適合于軟件復(fù)位方式。 b. SP建立上電標(biāo)志 SP標(biāo)志僅適用于軟件復(fù)位方式。 c. 內(nèi)部RAM中設(shè)置上電標(biāo)志 RAM單元上電標(biāo)志適用于硬件、軟件復(fù)位方式。 d. 硬件實(shí)現(xiàn)上電標(biāo)志 硬件上電標(biāo)志適用于硬件復(fù)位和軟件復(fù)位方式。,9.2 RAM中數(shù)據(jù)冗余保護(hù)與糾錯(cuò) 在單片機(jī)系統(tǒng)，若

22、RAM具有掉電保護(hù)功能，在電源開(kāi)啟和斷電過(guò)程中有可能造成RAM中數(shù)據(jù)丟失；當(dāng)單片機(jī)受到干擾而造成程序“跑飛”時(shí)，也有可能破壞RAM中的數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)復(fù)位后首先要檢測(cè)RAM中的內(nèi)容是否出錯(cuò)，并將被破壞的內(nèi)容恢復(fù)。工程實(shí)踐表明，干擾僅使RAM中個(gè)別數(shù)據(jù)出錯(cuò)或丟失，并不會(huì)沖毀整個(gè)RAM區(qū)。這就是用數(shù)據(jù)冗余的思想保護(hù)RAM數(shù)據(jù)的依據(jù)。所謂數(shù)據(jù)冗余是將系統(tǒng)中的重要參數(shù)實(shí)行悲憤保留。系統(tǒng)復(fù)位后，立即利用備份RAM對(duì)重要參數(shù)區(qū)進(jìn)行自我檢驗(yàn)和恢復(fù)，從

23、而保護(hù)了RAM中的數(shù)據(jù)。,例如：三重冗余編碼糾錯(cuò)方法是將重要數(shù)據(jù)在三個(gè)互不相關(guān)的地址單元按一定的編碼方式(取反、與特定值異或等，編碼方式應(yīng)容易實(shí)現(xiàn)解碼)存放，建立兩重的備份數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)副本)，需要時(shí)對(duì)三個(gè)保存的數(shù)據(jù)解碼后再進(jìn)行比較，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的解碼結(jié)果相同，則取相同的作為正確的結(jié)果數(shù)據(jù)，如果三個(gè)數(shù)據(jù)解碼后互不相同，則糾錯(cuò)失敗，進(jìn)行相應(yīng)的出錯(cuò)處理。 建立備份數(shù)據(jù)應(yīng)遵循如下原則： a. 各備份數(shù)據(jù)間應(yīng)相

24、互原理分散設(shè)置，減少備份數(shù)據(jù)同時(shí)被破壞的概率； b. 各備份數(shù)據(jù)間應(yīng)盡可能原理堆棧區(qū)，避免由于堆棧操作錯(cuò)誤而造成數(shù)據(jù)被破壞； c. 備份不得少于2份，備份越多，可靠性越高，處理也越復(fù)雜，處理時(shí)間也越長(zhǎng)。,9.3 軟件復(fù)位與中斷激活標(biāo)志 軟件復(fù)位是指系統(tǒng)失控后由軟件陷阱捕捉到“跑飛”的程序，將其直接引向上電后開(kāi)始執(zhí)行的程序地址，或者由軟件“看門狗”將程序脫離死循環(huán)而引向上電

25、后開(kāi)始執(zhí)行的程序地址。系統(tǒng)受干擾后，很可能是在執(zhí)行中斷服務(wù)過(guò)程中“跑飛”。,在MCS-51系統(tǒng)響應(yīng)中斷后會(huì)自動(dòng)把相應(yīng)的中斷激活標(biāo)志置位，阻止同級(jí)中斷響應(yīng)。清除中斷激活標(biāo)志的方法有兩個(gè)：一是系統(tǒng)硬件復(fù)位，二是執(zhí)行RETI指令。當(dāng)系統(tǒng)在執(zhí)行中斷服務(wù)中還沒(méi)有執(zhí)行RETI指令就因干擾而跳出中斷服務(wù)程序，如果這時(shí)直接將程序引0000H，這顯然就不可能清除該中斷的激活標(biāo)志。這將使系統(tǒng)熱啟動(dòng)后，不管中斷允許標(biāo)志是否置位，都不響應(yīng)同級(jí)的中斷請(qǐng)求。因此，

26、對(duì)于MCS-51系統(tǒng)，在將“跑飛”的程序引向上電后開(kāi)始執(zhí)行的程序地址之前，一定要先清除兩個(gè)中斷激活標(biāo)志。,MCS-51系統(tǒng)消除中斷激活標(biāo)志的程序如下：ERR： CLREA ；關(guān)中斷MOV DPTR，#ERR1 ；返回ERR1地址PUSHDPLPUSHDPH RETI ；清除高級(jí)中斷激活標(biāo)志ERR1：MOVDPTR，#START

27、 ；上電后開(kāi)始執(zhí)行的程序地址PUSHDPLPUSHDPHRETI ；清除低級(jí)中斷激活標(biāo)志,9.4 程序失控后恢復(fù)運(yùn)行的方法 在一些生產(chǎn)過(guò)程或自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)中，要求生產(chǎn)工藝有嚴(yán)格的邏輯順序性，當(dāng)程序失控后，不希望(甚至不允許)從整個(gè)控制程序的入口處從頭開(kāi)始執(zhí)行控制程序，從而應(yīng)從失控的那個(gè)程序模塊恢復(fù)執(zhí)行。 一般來(lái)說(shuō)，主程序總是

28、由若干個(gè)功能模塊組成，每個(gè)功能?？烊肟谠O(shè)置一個(gè)標(biāo)志。系統(tǒng)故障復(fù)位后，可根據(jù)這些標(biāo)志(可以用冗余編碼糾錯(cuò)方式來(lái)保存和備份這些標(biāo)志)選擇進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊。,10. 編寫軟件的其它注意事項(xiàng) a. 盡量采用單字節(jié)指令，以減少因干擾而程序“跑飛”的概率。b. 慎用堆棧。程序運(yùn)行中經(jīng)常與堆棧打交道，但堆棧操作因干擾而出錯(cuò)的概率較大，堆棧操作次數(shù)越多，出錯(cuò)概率也越大。因此在使用堆棧操作指令時(shí)，一次不要使用太多，減少子程序的個(gè)數(shù)，特別不要使

29、子程序嵌套層次太多。從抗干擾的角度，棧區(qū)的設(shè)置應(yīng)遠(yuǎn)離程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)，最好單獨(dú)設(shè)置，避免影響程序的其它部分。,c. 屏蔽中斷是受單片機(jī)內(nèi)部中斷允許控制寄存器控制的中斷。不可屏蔽中斷不受單片機(jī)內(nèi)部中斷允許控制寄存器控制。系統(tǒng)受干擾時(shí)，很可能會(huì)使中斷允許控制寄存器失效，從而使中斷關(guān)閉。因此，“看門狗”輸出信號(hào)應(yīng)接入單片機(jī)的不可屏蔽中斷輸入端NMI。MCS-51單片機(jī)沒(méi)有不可屏蔽中斷控制方式，因此，一般將“看門狗”輸出信號(hào)接復(fù)位端。,d.

30、對(duì)于硬件“看門狗”電路，千萬(wàn)不要在中斷里面清“看門狗”。因?yàn)閱纹瑱C(jī)在受到干擾而進(jìn)入“死循環(huán)”時(shí)，有可能中斷還能進(jìn)入，如果靠中斷清“看門狗”，就永遠(yuǎn)不能退出“死循環(huán)”了。e. 硬件“看門狗”的輸出信號(hào)，最好不要接到外部中斷輸入端口，而要與“復(fù)位”信號(hào)端口連接。因?yàn)閱纹瑱C(jī)可能會(huì)因干擾而破壞中斷允許控制寄存器或者非法執(zhí)行了關(guān)中斷指令而使“看門狗”失效。,f. 單片機(jī)系統(tǒng)中采用的可編程I/O器件(如：8255、8251等)，原則上在上電啟

31、動(dòng)后初始化一次即可，但工作模式控制字可能因干擾而受到破壞，使系統(tǒng)的輸入/輸出狀態(tài)發(fā)生混亂。因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，每次用到這種接口時(shí)，都要對(duì)有關(guān)部門功能重新設(shè)定一次，確保這些器件處于可靠的工作模式。,以上只是介紹了一些單片機(jī)系統(tǒng)常用的軟件抗干擾方法，其中部分方法的詳細(xì)說(shuō)明和程序?qū)嵗梢詤⒖急本┖娇蘸教齑髮W(xué)出版社出版的《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)》一書，希望對(duì)各位有所幫助。,單片機(jī)系統(tǒng)的硬件抗干擾措施,1. 特別要注意抗電磁干擾的單片機(jī)系

32、統(tǒng)a. 微控制器時(shí)鐘頻率特別高，總線周期特別快的系統(tǒng)。b. 系統(tǒng)含有大功率，大電流驅(qū)動(dòng)電路，如產(chǎn)生火花的繼電器，大電流開(kāi)關(guān)等。c. 含微弱模擬信號(hào)電路以及高精度A/D變換電路的系統(tǒng)。,a. 選用頻率低的微控制器 b. 減小信號(hào)傳輸中的畸變 c. 減小信號(hào)線間的交叉干擾 d. 減小來(lái)自電源的噪聲 e. 注意印刷線板與元器件的高頻特性 f. 元件布置要合理分區(qū) g

33、. 處理好接地線 h. 用好退耦電容,2. 提高系統(tǒng)抗干擾能力而應(yīng)采取的措施,3. 降低噪聲與電磁干擾的一些經(jīng)驗(yàn) 能用低速芯片就不用高速的，高速芯片用在關(guān)鍵地方。 可用串一個(gè)電阻的辦法，降低控制電路上下沿跳變速率。 盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼。 使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率時(shí)鐘。 時(shí)鐘產(chǎn)生器盡量靠近到用該時(shí)鐘的器件。石英晶體振蕩器外殼要接地。,用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來(lái)，時(shí)鐘線盡量短。 I/O驅(qū)動(dòng)

34、電路盡量靠近印刷板邊，讓其盡快離開(kāi)印刷板。對(duì)進(jìn)入印制板的信號(hào)要加濾波，從高噪聲區(qū)來(lái)的信號(hào)也要加濾波，同時(shí)用串終端電阻的辦法，減小信號(hào)反射。 無(wú)用端口要接高，或接地，或定義成輸出端，集成電路上該接電源地的端都要接，不要懸空。 閑置不用的門電路輸入端不要懸空，閑置不用的運(yùn)放正輸入端接地，負(fù)輸入端接輸出端。,印制板盡量使用45折線而不用90折線布線以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射與耦合。 印制板按頻率和電流開(kāi)關(guān)特性分區(qū)，噪聲元件與非噪聲元

35、件要距離再遠(yuǎn)一些。 單面板和雙面板用單點(diǎn)接電源和單點(diǎn)接地、電源線、地線盡量粗，經(jīng)濟(jì)能承受的話用多層板以減小電源，地的容生電感。 時(shí)鐘、總線、片選信號(hào)要遠(yuǎn)離I/O線和接插件。,模擬電壓輸入線、參考電壓端要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字電路信號(hào)線，特別是時(shí)鐘。 對(duì)A/D類器件，數(shù)字部分與模擬部分寧可統(tǒng)一下也不要交叉。 時(shí)鐘線垂直于I/O線比平行I/O線干擾小，時(shí)鐘元件引腳遠(yuǎn)離I/O電纜。 元件引腳盡量短，去耦電容引腳盡量短。 關(guān)鍵的線

36、要盡量粗，并在兩邊加上保護(hù)地。高速線要短要直。 對(duì)噪聲敏感的線不要與大電流，高速開(kāi)關(guān)線平行。,石英晶體下面以及對(duì)噪聲敏感的器件下面不要走線。 弱信號(hào)電路，低頻電路周圍不要形成電流環(huán)路。 任何信號(hào)都不要形成環(huán)路，如不可避免，讓環(huán)路區(qū)盡量小。 每個(gè)集成電路一個(gè)去耦電容。每個(gè)電解電容邊上都要加一個(gè)小的高頻旁路電容。 用大容量的鉭電容或聚碳酸電容而不用電解電容作電路充放電儲(chǔ)能電容。使用管狀電容時(shí)，外殼要接地。 地線和大地之間加高壓

37、電容。 電源加電感。 電源和地之間加TVS，輸入輸出信號(hào)線對(duì)地加TVS效果顯著。,提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段,1. 接地 這里的接地指接大地，也稱作保護(hù)地。為單片機(jī)系統(tǒng)提供良好的地線，對(duì)提高系統(tǒng)的抗干擾能力極為有益。特別是對(duì)有防雷擊要求的系統(tǒng)，良好的接地至關(guān)重要。上面提到的一系列抗干擾元件，意在將雷擊、浪涌式干擾以及快脈沖群干擾去除，而去除的方法都是將干擾引入大地，如果系統(tǒng)不接地，或雖有地線但接地電阻

38、過(guò)大，則這些元件都不能發(fā)揮作用。為單片機(jī)供電的電源的地俗稱邏輯地，它們和大地的地的關(guān)系可以相通、浮空、或接一電阻，要視應(yīng)用場(chǎng)合而定。不能把地線隨便接在暖氣管子上。絕對(duì)不能把接地線與動(dòng)力線的火線、零線中的零線混淆。,2. 隔離與屏蔽 典型的信號(hào)隔離是光電隔離。使用光電隔離器件將單片機(jī)的輸入輸出隔離開(kāi)，一方面使干擾信號(hào)不得進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，另一方面單片機(jī)系統(tǒng)本身的噪聲也不會(huì)以傳導(dǎo)的方式傳播出去。屏蔽則是用來(lái)隔離空間輻射的，

39、對(duì)噪聲特別大的部件，如開(kāi)關(guān)電源，用金屬盒罩起來(lái)，可減少噪聲源對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾。對(duì)特別怕干擾的模擬電路，如高靈敏度的弱信號(hào)放大電路可屏蔽起來(lái)。而重要的是金屬屏蔽本身必須接真正的地。,3. 濾波 濾波指各類信號(hào)按頻率特性分類并控制它們的方向。常用的有各種低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器。低通濾波器用在接入的交流電源線上，旨在讓50Hz的交流電順利通過(guò)，將其它高頻噪聲導(dǎo)入大地。低通濾波器的配置指標(biāo)是插入損耗，選擇的低通

40、濾波器插入損耗過(guò)低起不到抑制噪聲的作用，而過(guò)高的插入損耗會(huì)導(dǎo)致“漏電”，影響系統(tǒng)的人身安全性。高通、帶通濾波器則應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)的處理要求選擇使用。,單片機(jī)系統(tǒng)中印制電路板的抗干擾設(shè)計(jì),印制電路板的設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)能否抗干擾非常重要。要本著盡量控制噪聲源、盡量減小噪聲的傳播與耦合，盡量減小噪聲的吸收這三大原則設(shè)計(jì)印制電路板和布線。當(dāng)你設(shè)計(jì)單片機(jī)用印制電路板時(shí)，不仿對(duì)照下面的條條檢查一下。 使用滿足系統(tǒng)要求最低頻率的時(shí)鐘，時(shí)鐘產(chǎn)生器要盡

41、量靠近用到該時(shí)鐘的器件。 印制電路板要合理區(qū)分，單片機(jī)系統(tǒng)通常可分三區(qū)，即模擬電路區(qū)(怕干擾)，數(shù)字電路區(qū)(即怕干擾、又產(chǎn)生干擾)，功率驅(qū)動(dòng)區(qū)(干擾源)。 印刷板按單點(diǎn)接電源、單點(diǎn)接地原則送電。三個(gè)區(qū)域的電源線、地線由該點(diǎn)分三路引出。噪聲元件與非噪聲元件要離得遠(yuǎn)一些。,時(shí)鐘振蕩電路、特殊高速邏輯電路部分用地線圈起來(lái)。讓周圍電場(chǎng)趨近于零。 I/O驅(qū)動(dòng)器件、功率放大器件盡量靠近印刷板的邊，靠近引出接插件。 能用低速的就不用高

42、速的,高速器件只用在關(guān)鍵的地方。 使用滿足系統(tǒng)要求最低頻率的時(shí)鐘，時(shí)鐘產(chǎn)生器要盡量靠近用到該時(shí)鐘的器件。 石英晶體振蕩器外殼要接地，時(shí)鐘線要盡量短，且不要引得到處都是。 使用450的折線布線，不要使用900折線,以減小高頻信號(hào)的發(fā)射。 單面板、雙面板，電源線、地線要盡量的粗。信號(hào)線的過(guò)孔要盡量少。,4層板比雙面板噪聲低20dB。6層板比4層板噪聲低10dB。經(jīng)濟(jì)條件允許時(shí)盡量用多層板。 關(guān)鍵的線盡量短并要盡量粗，并在

43、兩邊加上保護(hù)地。將敏感信號(hào)和噪聲場(chǎng)帶信號(hào)通過(guò)一條扁帶電纜引出的話，要用地線-信號(hào)-地線......的方式引出。 石英振蕩器下面、噪聲敏感器件下面要加大地的面積而不應(yīng)該走其它信號(hào)線。 任何信號(hào)線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應(yīng)盡量小。 時(shí)鐘線垂直于I/O線比平行于I/O線干擾小，時(shí)鐘線要遠(yuǎn)離I/O線。,對(duì)A/D類器件，數(shù)字部分與模擬部分寧可繞一下也不要交叉。噪聲敏感線不要與高速線、大電流線平行。 單片機(jī)及其它IC電路，如

44、有多個(gè)電源、地端的話，每端都要加一個(gè)去耦電容。 單片機(jī)不用的I/O端口要定義成輸出。 每個(gè)集成電路要加一個(gè)去耦電容，要選高頻信號(hào)好的獨(dú)石電容式瓷片電容作去耦電容。去耦電容焊在印制電路板上時(shí)，引腳要盡量短。 從高噪聲區(qū)來(lái)的信號(hào)要加濾波。繼電器線圈處要加放電二極管?？梢杂么粋€(gè)電阻的辦法來(lái)軟化I/O線的跳變沿或提供一定的阻尼。,用大容量的鉭電容或聚脂電容而不用電解電容作電路充電的儲(chǔ)能電容。因?yàn)殡娊怆娙莘植茧姼休^大，對(duì)高頻無(wú)效。

45、使用電解電容時(shí)要與高特性好的去耦電容成對(duì)使用。 需要時(shí)，電源線、地線上可加用銅線繞制鐵氧體而成的高頻扼流器件阻斷高頻噪聲的傳導(dǎo)。 弱信號(hào)引出線、高頻、大功率引出電纜要加屏蔽。引出線與地線要絞起來(lái)。 印刷板過(guò)大、或信號(hào)線頻率過(guò)高，使得線上的延遲時(shí)間大于等于信號(hào)上升時(shí)間時(shí)，該線要按傳輸線處理，要加終端匹配電阻。 盡量不要使用IC 插座，把IC直接焊在印刷板上，IC座有較大的分布電容。,單片機(jī)系統(tǒng)中用于抑制干擾的元件,1.去耦

46、電容 每個(gè)集成電路的電源、地之間應(yīng)配置一個(gè)去耦電容，它可以濾掉來(lái)自電源的高頻噪聲。作為儲(chǔ)能元件，它吸收或提供該集成電路內(nèi)部三極管導(dǎo)通、截止引起的電流變化(di/dt)，從而降低系統(tǒng)噪聲。要選高頻特性好的獨(dú)石電容或瓷片電容作去耦電容。每塊印制電路板電源引入的地方要安放一只大容量的儲(chǔ)能電容。由于電解電容的纏繞式結(jié)構(gòu)，其分布電感較大，對(duì)濾除高頻干擾信號(hào)幾乎不起作用。使用時(shí)要與去耦電容成對(duì)使用。鉭電容則比電解電容效果更好。,2.

47、抑制高頻的電感 用粗漆包線穿入軸向有幾個(gè)孔的鐵氧體芯，就構(gòu)成了高頻扼制器件。將其串入電源線或地線中可阻止高頻信號(hào)從電源/地線引入。這種元件特別適用于隔開(kāi)一塊印制電路板上的模擬電路區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、以及大功率驅(qū)動(dòng)區(qū)的供電。應(yīng)該注意的是它必須放在該區(qū)儲(chǔ)能電容與電源之間而不能放在儲(chǔ)能電容與用電器件之間。,3.自恢復(fù)保險(xiǎn)絲 這是用一種新型高分子聚合材料制成的器件，當(dāng)電流低于其額定值時(shí)，它的直流電阻只有零點(diǎn)幾

48、歐。而電流大到一定程度，它的阻值迅速升高，引起發(fā)熱，而越熱電阻越大，從而阻斷電源電流。當(dāng)溫度降下來(lái)以后能自動(dòng)恢復(fù)正常。這種器件可防止CMOS器件在遇到強(qiáng)沖擊型干擾時(shí)引起所謂“可控硅觸發(fā)”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象指集成電路硅片的基體變得導(dǎo)通，從而引起電流增大，導(dǎo)致CMOS集成電路發(fā)熱乃至燒毀。,4.防雷擊器件 室外使用的單片機(jī)系統(tǒng)或電源線、信號(hào)線從室外架空引入室內(nèi)的，要考慮系統(tǒng)的防雷擊問(wèn)題。常用的防雷擊器件有：氣體放電管，TVS

49、(Transient Voltage Supervention)等，氣體放電管是當(dāng)電源電壓大于某一值時(shí)，通常為數(shù)十伏或數(shù)百伏，氣體擊穿放電，將電源線上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)入大地，TVS可以看成兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當(dāng)電兩端電壓高于某一額定值時(shí)導(dǎo)通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過(guò)數(shù)百乃至上千安培的電流。這類元器件要和抗共模和抗差模干擾的電感配合使用以提高抗干擾效果。,單片機(jī)軟件系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的方法很多，各位同仁都有自己的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。單純地談可靠性

50、的問(wèn)題，都應(yīng)該簡(jiǎn)單地從軟件或硬件方面考慮。更重要的是從影響性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠的因素方面，排除干擾源對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的作用是至關(guān)重要的！有位業(yè)界資深的工程師說(shuō)過(guò)：“完成軟硬件的設(shè)計(jì)，只是一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的十分之一，更多的是去做系統(tǒng)的可靠性、工藝性、合理性方面的工作”。