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单片机应用系统的可靠度为指数型:
失效率是单位时间内出现的失效次数,是系统试验研究的统计数据。
常用元器件的失效率可参见器件手册。
失效特性曲线如图1-1所示。
曲线分为三段。
(1)早期失效。
(2)使用寿命期。
(3)损耗失效期。
图2-1失效特性曲线
2.2提高可靠性的措施
用单片机构成实时控制系统和数据采集系统时,最重要的一个基本要求是有很高的可靠性。
因为一量系统出故障,出现数据采集错误,将造成生产过程的混乱,从而导致严重后果。
因此,在系统设计过程中,对可靠性的设计应贯穿于每一个环节为了提高单片机应用系统的可靠性,可以采取以下几个措施。
工艺设计
其中包括选用高质量的元器件、电路设计、PCB板设计、接地与电磁兼容设计。
元器件参数设计上留有余地,工艺严格把关,产品要进行例行试验。
2.3硬件改进措施
在设计上,用增加硬件来提高系统的可靠性,可采用以下两种措施。
(1)掉电保护。
由于单片机应用系统所用的工业电网不稳定,会出现突然掉电现象。
此时必须保存好现场的数据,待电压恢复正常,系统便能从掉电处继续执行程序。
掉电保护是许多测量仪器、控制和通信设备必备的功能,有得提高系统的可靠性。
进行掉电保护有几种方法:
一是通过电源监测电路,在电源电压跌到某一数值之前,启动备用电源,把要保护的数据转移到非易失性存储器;
二是把系统中的数据存在有备用电源供电的RAM中;
三是直接把数据存在FLASH结构的声易失存储器中。
(2)硬件故障自检功能。
利用单片机应用系统自身具备的条件,可设计硬件故障自检功能。
单片机应用系统一般应具有如下自检功能:
上电复位后,首先进行硬件自检,以声、光信号显示硬件工作是否正常;
利用扩展的键盘来检查每一模块的功能:
在程序运行中,可在程序的某些点上插入自检,并显示故障部分。
2.4抗干扰的设计原则
干扰是造成单片机应用系统故障的主要原因之一。
因此抗干扰的设计也是单片机应用系统设计的首要问题。
要进行抗干扰的设计,首先要了解干扰源。
由于工业应用环境纷杂,要抑制、清除干扰必须白领形成干扰的三要素:
干扰源、耦合通道长期存在接收设备,采用相应的抗干扰设计原则解决问题。
干扰的来源
单片机应用系统的干扰主要来自以下几个方面:
(1)外部干扰:
主要是来自电源的干扰。
切断感性负载产生的瞬变电压脉冲、可控硅通断造成的浪涌等,工业电网瞬变干扰、电气设备的电弧和火花放电形成的高频电磁波干扰、空间中的各种各样的电磁波等。
(2)耦合通道的干扰:
主要有输入/输出通道、电源和地的干扰。
其中耦合干扰方式有共阻耦合、静电耦合、互感耦合、磁辐射耦合等。
(3)内部干扰:
主要是接地电位差扬形成的地环流、PCB板设计的不合理,模拟与数字电路未隔离、电路的虚焊和接触不良等。
抗干扰的设计原则
抗干扰的设计,就是针对干扰的性质、产生条件、传播途径、被干扰的对象,采取有效的措施,白领干扰源、切断干扰的传输通道、减弱电路对哭声干扰的第三性等几方面进行综合治理。
对于大型的电子设备一般采用以下设计原则。
(1)消除干扰源:
在电源线上,通常采用压敏电阻和RC电路吸收浪涌电压、消除电弧和火花放电干扰。
如在继电器、接触器触点两端并接RC吸收电路,消除火花放电。
(2)切断干扰的耦合通道:
切断传导耦合、共阻抗耦合、感应耦合与辐射大师傅的干扰。
采用隔离变压器、光电耦合器、滤波器等方法切断干扰的耦合通道。
(3)减弱电路对哭声干扰的敏感性:
在电路设计上采用对称结构。
电桥和差分放大器,可使干扰在电路中自行抵消;
降低电路输入阻抗,可减弱哭声的影响;
使用共模干扰;
使用负反馈电路,对抑制内部哭声十分有效。
(4)在电路板上使用抗干扰设计:
使用表面贴装(SMT)技术,增大元件与线路的接触面;
采用多层板设计,使信号层和电源层隔离;
电路中电流一路保持最小;
设计上使模拟电路和数字电路分离,模拟地与数字地一点共地;
改善接地方式,尽量减小接地阻抗,必要时可使用浮置地等方法来掏干扰。
2.5硬件抗干扰
软件抗干扰的优点是成本低,但其效率较低,也存在着一定的局限性。
在很多场合还需要加入硬件抗干扰,才能够满足需要。
人们经过长期的研究与实践,积累了丰富的经纶,有了许多硬件抗干扰措施。
由于硬件抗干扰的效率较高,所以在许多电子设备中都能够看到硬件抗干扰的设计。
硬件抗干扰的设计有滤波技术。
屏蔽技术、隔离技术、去耦技术、接地技术及电源的监测和保护技术等。
2.5.1滤波
滤波是压缩信号回路干扰频谱的一种方法。
当干扰频谱万分不同于有用信号的频带时,可以用滤波器将无用的干扰滤除。
有源滤波器
有源滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器等多种。
这些知识应该在模拟电路中讲过,这里就不一一叙述了。
信号滤波器
信号滤波器是用在各种信号线上的低通滤波器,其作用是消除导线上的各种高频干扰。
信号滤波器可分为线路板安装滤波器、馈通滤波器和滤波器连接器等到三种。
电源滤波器
目前,许多厂家已生产出用于电源输入端的滤波器件。
这种滤波器能够防止射频的干扰,可用于各种电子设备的输入端。
屏蔽技术
屏蔽技术是采用各种屏蔽的方法抑制沿空间传播的电磁干扰,即阻断辐射干扰的传播路径。
常用的屏蔽方法有机箱屏蔽、采用高层磁材料制造屏蔽体或地线、在工艺设计上保证屏蔽机箱的完整性和电缆线的屏蔽。
2.5.2隔离
在单片机应用系统中,为了防止电气干扰信号从前向和后向通道进入系统,通常在输入/输出通道上设置光电耦合器,这种方法有效地改善了单片机应用系统的工作环境,使其工作可靠性大大提高。
1.光电耦合器的的种类
常用的光电耦合的作用有两种:
一是输入信号隔离,用于单片机应用系统的前身通道,可防止由输入信号带来的干扰;
二是控制隔离,用于系统的兵役通道,可以防止来自绳开关上的干扰。
光电耦合器种类繁多,常用的有发光二极管/光晶体管、发光二极管/复合晶体管、发光二极管/光电阻器、发光二极管/光触发可控硅和高速光电耦合器等几种,其中用于输入信号隔离的光电耦合器电路如图2-2所示。
这三种光电耦合器都是以发光二极管为输入端,一般用于100kHz以下的频率信号,在输出端,如果基级有引出线,则可满足温度补偿、检测和调制的要求。
调整光电大师傅器的内部电路如图2-2(C)所示,它以发光二极管为输入端,以PN型光敏二极管和调整开关管组成复合式的输出端,具有较高的响应速度。
(a)发光二极管/光晶体管(b)发光二极管/光电阻器(c)高速光电耦合器
图2-2用于输入信号隔离的光电耦合器
用于输出控制隔离的光电耦合器电路。
用于输出控制隔离的光电耦合器也是发光二极管为输入法端,但输出端有可控硅和达林顿管等两种。
具有达林顿输出的光电耦合器可用于驱动低频率的负载,并用于远距离的光电传输。
具有可控硅输出的光电耦合器可用于交流大功率隔离驱动。
2.光电耦合器的应用
常用的光电耦合器应用电路如图2-3所示。
一般光电耦合器由光源(如发光二极管)和光传感器(如光敏三极管)组成,当输入端Vi为高电平(+12)时,发光二极管因导通而发光,光敏三极管的基极因光电流的作用而导通,所以输出端Vo可输出高电平;
当输入端Vi为低电平(0V)时,发光二极管截止,光敏三极管也截止,输出端Vo为低电平。
图2-3光电耦合器的应用电路
2.6接地
接地的设计是电子设备中的一项重要设计。
如果地线设计的不好,系统的抗干扰能力就差,那么电子设备就不能正常运行。
在单片机控制系统中,有以下几种地线:
模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。
模拟地作为传感器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位;
数字地作为计算机各种数字电路的零电位,应该与模拟地分开,避免模拟信号受到数字信号的干扰;
系统地是上述几种地的最终回流点,直接与大地相连作为基准零电位;
交流地是计算机交流供电电源地,即动力线地,它的地电位節不稳定,因此,交流地不允许上述几种地相边,而且是交流电源变压器的绝缘性能要好,绝对避免漏电现象;
保护地也叫安全地,目的是使设备机壳与大地等电位,以避免机壳带电,影响人身脸设备安全。
一.接地的设计方法
单片机应用系统中接地技术的设计方法如下:
(1)单点接地就是把需要接地的电路、单元脸屏蔽体都接到设备接地面的同一个接地点上。
单点接地方式适用于低频电路。
(2)多点接地就是把需要接地的电路、单元脸屏蔽体用多条通路和设备接地面相连,多点接地降低了接地线的阻抗。
多点接地方式试用于高频电路。
(3)悬浮接地就是把控制系统的地线与外壳或大地浮轩,提高对电源、外壳引进干扰的抑制。
二.接地的设计原则
1.出现地线一路问题时,应采用浮地隔离技术。
2.接地线应尽量的短,并具有良好的导电性。
3.对于那些出现较大突变电流的电路,要采用单独接地的系统,以减小其他电路的瞬态耦合。
4.低电平接地线要和其他接地线隔离。
5.系统中数字地、模拟地应一点相连。
6.信号线电源线交叉的地方要使导线相互垂直。
、
7.采用平衡差分电路,以昼尽量减小接地电路的干扰。
8.低电平传输时要使用多层屏蔽。
2.7动复位与监测技术
单片机的自动复位是单项奖片机抗干扰技术的一个重要方法。
当单片机受到干扰后,可以按下人工复位按钮,强制系统复位。
如果操作者不能一直监视着系统,不能进行人工复位时,系统就冰能正常运行。
单片机的自动复位电路就可以解决上述问题。
下面介绍几种常用的自动复位电路。
1.4060构成的自动复位电路
4060是14级分频计数器,构成的自动复位电路如图2-4所示。
4060计数频率由R和C决定。
单片机的复位频率由4060的计数频率分频(Q4~Q14)而来,大小由此及彼由用户自行设定。
设Q4~Q14输出的信号周期为T0,单片机的P1.3定期输出一个使4060复位的信号T1(使4060发不出扫描信号)。
系统正常工作时,T0>
T1;
如果系统受到干扰,程序跑飞,单片机就不能正常发出T1信号从而使T1>
T0,那么计数器的输出信号使单片机自动复位。
图2-44060硬件看门狗电路
2.采用MAX813L构成的自动复位与电源监测电路
MAX813L是MAX公司生产的uP监控芯片。
当单片机由干扰引起的系统失控时,为单片机提供可靠的上、掉电复位、电源监测、“看门狗”脸电源管理功能。
采用MAX813L构成的自动复位电路如图2-5所示。
电路有两种复位方式,即手动复位和“看门狗”自动复位,手动复位是通过复位键使系统复位的;
使用“看门狗”自动复位电路时,程序在正常时,从0000H开始执行,即在80C51系列单片机的RESET端加上一个持续两个机器周期以上高电平信号使系统复位。
每隔一段时间单片机就通过I/O口P1.0向MAX813L输出一个脉冲,当单片机由于干扰等原因不能正常向MAX813L输出复位脉冲时,MAX813L内部有一个定时器,定时时间到时MAX813L的/RESET端将输出一个脉冲给单片机的RESET端,使单片机各单位。
当电源电压下降到界限值(4.4V)以下时,MAX813L的内部电源监测电路将使/TESET端输出一个低电平,使单片机复位。
当电源电压恢复到界限值(4.4V)以上时,单片机仍维持一段低电平,从而保证单片机能够可靠地复位。
图2-5MAX813L构成的自动复位电路
第三章单片机测控系统的设计要求
3.1程序设计要求
软件的可靠性问题常常容易被人们忽视,但随着单片机测控系统越来越复杂,工作环境干扰越来越严重,软件可靠性问题逐渐为人们所重视。
软件的可靠性问题虽然和硬件的可靠性问题不尽相同,在基于单片机的测控系统中,软件的重要性与硬件是处于同等重要的地位。
单片机测控系统本身对程序设计的要求除了可靠、易理解、易维护、准确和测试以外,还提出以下要求:
(1)容错性。
在工业控制中,由于单片机测控系统所处的环境比较恶劣,常存在干扰源,如环境温度、电场、磁场等,使数据采集不可靠、控制失灵或程序运行失常。
当发生这些错误或故障时,测控软件要能够不受影响,从错误或故障中恢复,保证系统的正常进行。
(2)实时性。
实时性是测控系统的普通要求,即要求系统及时响应外部事件的发生,并及时给出处理结果。
随着电子技术的飞速发展,硬件的集成度与速度都在不断提高,因此,这就要编写相应的测控软件来满足实时性要求。
在工程应用程序设计中,采用汇编语言要比高级语言更具有实时性。
(3)足够的时序裕度。
时序是程序设计中必须考虑的问题。
系统在中心控制器的控制下,实现分时操作,在非握手控制方式下,程序运行完成依靠时序调度、切换控制,这就要求在编写程序时,不仅要时序正确,而且要有足够的时序裕度。
3.2软件抗干扰的特点
由于软件抗干扰的特殊性,单片机测控系统的软件抗干扰技术与硬件抗干扰技术有着很大的不同,其主要表现在以下几个方面。
(1)软件抗干扰的两个作用。
在两种情况下需要应用软件抗干扰:
一种情况是为了提高系统的效能、节省硬件,用软件的功能去代替硬件;
另一种情况是用软件去解决硬件解决不了的问题。
大量的干扰源虽然不能造成硬件的破坏,但却使系统工作不稳定,数据不可靠,运行失常,程序“跑飞”,严重时可造成单片机系统失灵,发生严重的故障。
一些不稳定的因素产生于生产的全过程中,实时控制系统往往是24个小时连续工作的,不允许断电检测。
这些令工业控制系统大受困扰的问题不是硬件都能解决的,因为这些干扰信号大多数是瞬时存在,时间间隔不确定,传播途径不清楚,而单片机软件却能处理这些具有随时性、瞬时性的干扰,例如在单片机电源电压上,由于开关、继电器和雷电的影响而形成的浪涌电压,电源出现的瞬时欠压、过压、掉电,各内外因素产生的瞬间干扰脉冲都属于这类干扰。
(2)软件抗干扰是一种价廉、灵活、方便的抗干扰方法。
纯软件抗干扰不需要硬件资源,不改变硬件的环境,不需要对干扰源精确定位,不需要定量分析,因此使用起来灵活、方便。
用于工业过程控制可很好地保证控制的可靠性。
(3)用软件方法处理故障,实质上是采用冗余技术对故障进行屏蔽,对干扰响应进行掩盖,在干扰过后对干扰进行多层次、多角度的预防、屏蔽和监控。
(4)应用软件抗干扰,需要首先搞清楚干扰的种类、性质于影响的部位。
然后对症下药,确定软件抗干扰的方法,同时,要注意其具体实现的时间开销等问题。
例如用备份的方法来抗干扰,实际上是用软件完成判别和转换,付出的是备份的硬件设施,等于用增加空间来换取工作的可靠性;
用软件数字滤波代替硬件滤波,用重复取数、比较来判断输入、输出数据的正确性,这种对付干扰的做法实质上是用时间抗干扰。
对于付出的时间或空间,必须考虑系统能否承受的问题。
(5)应用软件抗干扰技术的前提是干扰尚未引起硬件的破坏,RAM中的程序与数据未丢失。
(6)高可靠、不停顿连续运行的容错抗干扰工业控制单片机系统发展的必然产物,也是单片机系统发展的必经阶段。
3.3软件抗干扰的条件
软件抗干扰是属于测试系统的自身防御行为。
采用软件抗干扰设计的最根本的前提条件是:
系统中抗干扰软件不会因干扰而损坏。
在单片机应用系统中,由于程序及一些重要常数都放置在ROM中,着就为软件抗干扰创造了良好的前提条件。
因此,软件抗干扰的设置前提条件概括为以下三个方面:
(1)在干扰作用下,微机系统硬件部分不会受到任何损坏,或易损坏部分设置有检测状态可供查询。
(2)程序区不会受干扰侵害。
系统的程序及重要常数不会因干扰侵入而变化。
对于单机系统,程序及表格、常数均固化在ROM中,着一条件自然满足,而对于以下在ROM中允许用户应用程序的微机系统,无法满足这一条件。
但这种系统因干扰造成运行失常时,只能在干扰过后,重新向ROM区调入应用程序。
(3)ROM区中的重要数据不被破坏,或虽被破坏但可以重新建立。
通过重新建立的数据,系统的重新运行不会出现不可允许的状态,例如,在一些控制系统中,ROM中的大部分内容时为了进行分析、比较而临时寄存的,即使用一些不允许丢失的数据也只占极少部分,这些数据被破坏后,往往只引起控制系统一个短期波动,在闭环环节的纠正下,控制系统能很快恢复正常,这种系统都能采用软件恢复。
3.4软件技术
存在于测控系统内部的干扰,具有随机性,采用硬件抗干扰措施,只能抑制某些干扰,但仍有一些干扰会侵入系统而引起系统不时地出现一些功能性故障,如:
程序运行溢出形成死机,控制开机不起作用,产生误动作或不按程序设定的逻辑顺序动作,测试结果不能正常输出,数据存储区内个别或全部数据发生错误等。
由于故障的特点是暂时、间歇和随机的,用硬件解决比较困难。
因此,对于单片机测控系统来说,除了采取硬件抗干扰方法外,还要采取必要的软件干扰措施。
常用到的软件抗干扰技术有:
(1)利用软件陷阱技术防止干扰造成的乱序宽展下去。
(2)利用时间冗余技术,屏蔽干扰信号。
该技术包含多次采样输入、判断,以提高输入的可靠性;
利用多次重复输出判断,提高输出信息的可靠性;
重新初始化,强行恢复正常工作,以免影响输入与输出;
查询中断源状态,防止干扰造成误中断;
在不需要的大部分时间里对中断进行屏蔽,从而大大减少因干扰引起的误中断。
(3)容错技术。
采用一些特定的编码,对经过存放的数据进行检查,判断是否是因为存放干扰,然后从逻辑上对错误进行纠正。
(4)指令冗余技术。
对重要的指令重复写上多个,即使某一个被干扰,程序仍可执行。
(5)空间冗余技术。
整机、电源、接口、数据区均可设置备份,软件用于判别干扰和转换设备。
(6)设立标志技术。
设置特征标志、识别标志,常在内部数据区的保护中使用。
(7)数字滤波技术。
该技术既可称为硬件仿真(代替滤波器的功能)技术,又可属于时间冗余技术。
它不需要硬件,靠单片机特殊设计的计算程序,高速、多次运算达到对采样数据序列进行平滑的目的,以提高其有用信号在采样值中所占的比例,减少乃至消除各种干扰和噪声,以保证测控系统工作的可靠性。
软件抗干扰技术是当系统受干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后伪求真的一种辅助方法。
因此,软件抗干扰是被动措施,而硬件抗干扰是主动措施。
但由于程序设计灵活,节省硬件资源,所以软件抗干扰设计越来越引起人们的重视。
在微机测控系统中,只要认真分析系统所处环境的干扰设计来源以及传播途径,采用硬件、软件相结合的抗干扰措施,就能保证长期稳定可靠的运行。
第四章可靠的程序
本质可靠性程序设计是指程序可以不依靠附加部分就可以完成规定的功能。
要做到程序设计的本质可靠性,必须从以下几方面着手。
4.1确保程序正确
程序在编制和调试时对系统将来所处的环境不可能做到完全的模拟,因此,看似正确的程序,实际上还是存在一定的缺陷。
这些缺陷,有的是显性的,可以通过进一步的调试与仿真加以改进,还有是隐性的,如因为信号的延误而造成程序的判断错误。
这就需我们在编制程序时,需作综合、全面、动态的考虑,并让程序有一定的容错及限时退出能力。
4.2复位时序
在系统中,通常需要复位的不仅仅是MCU,一些带有工作寄存器的外围器件也要复位。
实际中经常出现的情况是各个器件共享同一根复位信号线,造成当单片机已经复位完毕并开始向其他器件写控制字时,其他器件因为尚未完全复位,状态字也就未实际写入,造成后续程序的运得、行错误。
解决此种问题的方法是在主程序向外围器件写控制字前加入一小段延时程序,或者,在硬件上保证外围器件先复位,MCU最后、复位,在整个系统完全复位后再写入控制字。
4.3工作过程
器件工作时序是器件应用程序设计的基础。
程序中必须保证时序工作的正确性,而且,要有足够的时序裕度。
例如,语音芯片ISD4004在向其发出上电命令字后,必顺延时20ms,才能发和续指令,这是由器件的工作特性决定的。
在考虑器件运行时序时,MCU的操作必须保证时序信号的衔接控制和时序信号的时序裕度。
1.状态转换时序
在MCU应用系统的实际运行中,存在许多的状态转换过程,如低功耗运行方式的转换、电源系统的切换管理、外围器件的关断激励与响应等。
这些状态转换中有一个过滤过程,应用程序设计时,必须保证有足够的时序空裕度。
(1)应用系统中的状态转换时序。
应用系统中的状态转换有MCU运行状态转换、外围器件运行状态转换和电源系统的供电状态转换等。
这些转换时序有如下特点:
①自动保证时序空裕度的状态转换。
这一类状态转换过程较短、或由器件逻辑控制电路来保证过渡过程的时序的时序裕度。
例如一些带关断控制的A/D转换器,关断后再次启动时,内部逻辑电路可保证在电源或时钟稳定后才开始A/D转换。
在许多MCU的状态转换中,MCU内部都会有相应的监视管理操作。
②过渡参数可查的状态转换。
这些器件其状态转换过程都有过渡参数说明。
例如,在许多带关断控制的DC/DC器件中,都给出了输出ON/OFF控制的过渡时间参数。
③具有握手标志的状态转换。
这些器件或电路的状态转换带有一些临测的电路,它可以输出状态转换结束标志。
④具有握手标志的状态转换。
这些器件或电路的状态转换带有一些监测的电路,它可输出状态转换结束标志。
(2)状态转换的程序设计处理
在程序设计中,必须考虑状态转换时,过渡时期间对程序运行的影响。
例如,采用可关断DC/DC供电的串行通信接口,在串行通信时,对DC/DC供电操作后立即进入通程序,可能由于串行通信接口尚示进入稳定状态,导致通信失败。
在状态转换的程序设计中,应根据状态转换的时序特点,进行精心的时序控制设计。
通常,MCU本身的状态转换,如复位、ID、PD方式的进入或退出,片内外围集成电路单元的关断与运行,都有自动监视、自动运行管理功能。
程序设计中只需按MCU数据手册及指令系统的操作要求进行程序设计即可。
对于有较长过
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