单片机应用系统可靠性设计

随着单片机在 国防、金融、工业控制等 重 要领 域应用越 来越广泛 ，单片机应用系 统的可 靠性越 来越成 为人们关注 的一 个重要课题 。单 片机 应用系统 的可靠性是 由多种因素 决定的 ， 大体 分为硬件 系统可靠性 设计和软件系 统可靠 性设计 。 硬件系统可靠性设计
一 、
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长 期使 用等方面 来解 决软件可靠 性。单片机系 统 的抗 干扰能力 是系统可靠性 的重要指标 。由 于５ ｌ 单片机 的指 令系统是复杂指 令集结构 ，致 使 其抗 干扰性能较低 ，尤其用在 工业控制 的场 合 ，如果不增加 额外的抗干扰措 施 ，甚至无法 正 常工作 。单片机 软件抗干扰设 计的主要 目的 就 是及时发现 “ 跑飞 ”的程序 ，并及时地将程 序 拉入正常轨道 ，主要方法有 ：指令冗余 、软 件 “ 陷阱 ”、软件 “ 看门狗 ”等等 。 （ １ ） 指令冗余 Ｃ Ｐ Ｕ 取 指令 过程是 先取操 作码 ，再 取操作 数 在程序 的关键地方人为 的插入一些单 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Ｎ ０ Ｐ 指令 。这 样即使 跑飞程序 飞到双字节 指令和三字节 指令操 作数上 。由于 窄操作 指令Ｎ Ｏ Ｐ 的存在 ，避免 了后 面的指 令被 错 误 地 执行 ，为 程 序纳 入 正轨做 好 准备 。此 外 ，对 系统 流 向起 重要作 用 的指令 ，如Ｒ Ｅ Ｔ 、 Ｒ Ｅ Ｔ Ｉ 、Ｌ Ｃ Ａ Ｌ Ｉ 。、Ｌ Ｊ 肝 ，Ｊ Ｃ 等，可 以在这 些指 令之 后插入 两条Ｎ ０ Ｐ 指 令 ，可将跑 飞程序 纳入 正轨 ，以确 保这些重要指 令的执行 。指 令冗余 只 能使Ｃ Ｐ Ｕ 不再 将操作 数 当作操作码 错误 地执 行 ，却不 能主动地将程序 的错误执 行方 向扭转 过来 ，要想纠止程序 的错 误执行方 向，就需要 下面的技术 。 （ ２ ） 设计软件 “ 陷 阱” 通 常在程 序存储器 中未 使用 的Ｅ Ｐ Ｒ ０ Ｍ 空间 填入 窄操作 指令Ｎ ０ Ｐ ，最后 再填入 一条跳 转指 令 ，跳 转 到跑 飞 处理 程序 ，或者 直接 填 入指 令Ｌ Ｊ Ｍ Ｐ Ｏ ０ ０ ０ Ｈ ，当跑飞程序落 到此区域 。即可 在执 行一段空操作 后转入正轨 。如 果未使用 的 Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ 空间 比较大 ，可 以均 匀地 填入几 条空操 作指令 和跳转指令 ，这种几条 空操 作指令加一 条 跳转指令 的结构 我们称之为 “ 软件陷 阱”。 软件 陷阱的一般 结构为：
好 的接插件 ，设计好工 艺结构；选用合格 的元 器 件 ，进行严 格的测试 、筛 选和老化 ；设计时 技术参数 （ 如负载） 要 留有 一定的余量或 降额使 用元器件；提高印制板和组装的质量 。 （ ２ ） 冗余与容错设计 保证单片机应 用系统 １ ０ ０ ％ 无 故障是不可能 的 。容错是 指当系统 的某 个部件发生 故障时 ， 系统仍 能完 全正常地工作 ，即给系统增 加容忍 故障的 能力。为使系统 具有容错能 力，必须在 系统 中增加 适当 的冗余 单元， 以保证 当某个部 件发 生 故障 时 能 由冗 余部 件接 替 其 工作 ，原 部件修 复后再恢复 出错 前的状态 。硬 件冗余设 计可 以在元 件级 、子系 统或系统级上 进行 。例 如 ，在 系统级上采用双 机系统 ，两套系统互为 备用 。 Ｃ ３ ） 采用硬件抗干扰措施 来 自供 电系 统 以及通 过 导线 传输 、 电磁 耦合等 产生的 电磁干扰 信号 ，是 单片机系统 工 作不稳 定的重要 因素，在系统硬 件设计时必须 采取有 效的干扰抑 制措施 。单片机 应用系统 中 还常使 用系统监视 电路检测系 统发生 的错误 或 故障 ， 自动报警或 使系统 自动恢 复正常工作状 态 。如采用 电源故障监视 、看 门狗定时器等
很快增长 到预置时 间，迫使系统复位 。需要注 意 的是 ，在程序 正常运行的时候 ，应 该在适 当 的地方加 一条喂狗指 令，使系统正 常运 行时的 定时时 间达不到预置时 间。系统就 不会 复位 。
二 、软件 可靠性设计 单 片机应用系统 的软件和硬件 是紧密相关 的。要 使整个系 统具有较高 的可靠 性，除 了在 （ １ ） 选优设计 尽 可能提高硬件 可靠 性的前提 下，软件的可靠 在系统硬件 设计和加工时 ，应 该选用质量 性 设计也是必不 可少的，必须从 设计、测试及
采用８ ９ Ｃ ５ １ 单片机和Ｘ ２ ５ ０ ４ ５ 组成的看门狗
电路 ，Ｘ ２ ５ ０ ４ ５ 硬件 连接 图如 图所示 。Ｘ ２ ５ ０ ４ ５ 芯 片 内包含有一个 看 门狗定 时器 ，可通过软件 预 置 系统的监控时 间 。在看 门狗 定时器预置 的时 间内若没 有总 线活动 ，Ｐ ｌ Ｊ ￣ Ｘ ２ ５ ０ ４ ５ 将从Ｒ Ｅ Ｓ Ｅ Ｔ 输 出一个高 电平信 号 ，经过微 分 电路Ｃ ２ 、Ｒ ３ 输出 个 正脉冲 ，使Ｃ Ｐ Ｕ 复位 。如图１ 所示 电路 中 ， Ｃ Ｐ Ｕ 的复位信 号共有３ 个 ：上电复位 （ Ｃ ｌ 、Ｒ ２ ） ， 人工 复位 （ ｓ 、Ｒ １ 、ＲБайду номын сангаас２ ） 和Ｗ ａ ｔ ｃ ｈ ｄ ｏ ｇ 复位 （ Ｃ ２ 、 Ｒ ３ ） ，通过或 门综合后加 到Ｒ Ｅ ｓ Ｅ Ｔ 端 。ｃ ２ 、Ｒ ３ 的 时间常数不 必太大 ，有数 百微秒即可 ，因为这 时Ｃ Ｐ Ｕ 的振 荡器 已经在工作 。
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皇 燕 一 －
单片机应用系统可靠性设计
海南省技 师学院 王庆伟
【 摘要 】单 片机 应用 系统的可靠性会 受到系统所处 环境 的温度 、湿度、震动、电磁 干扰等多种外部因素的干扰 ，同时也受本身 软硬件 系统设计 的可靠性 的影响 ，一个高可 靠性的单 片机 应用系统是通过 可靠性设计 而产生的，并且通过可 靠性生产和 可靠性使 用及 维护来保 证。因此，在 系统设计 时要 充分利用可 靠性的概念和方法考虑 系统硬件 设计和软件设计 。本 文介 绍几种单 片机应 用系统 可靠性设计 的方法 。 【 关键词 】单 片机 ；看 门狗；抗 干扰指令