增強單片機系統可靠性的軟硬件設計研究

摘 要：隨著單片機系統應用的不斷深入，對系統綜合性能也提出更高的要求。然而從較多工業控制中單片機的應用現狀看，系統可靠性仍難以保障，究其原因在于實際設計中未做好軟硬件設計，這就要求單片機系統設計中，為進一步增強其可靠性，需將更多相關技術引入其中。本文將從硬件、軟件兩方面著手，對可靠性設計思路進行研究。

關鍵詞：單片機系統；可靠性設計；測試

作為現行較多電子產品、智能儀器、交通設備以及工業控制中常用的設備之一，單片機實際運行中本身處于較為惡劣的環境，且存在較多干擾性因素，嚴重情況下將直接使整個系統出現癱瘓。在此背景下，便提出系統可靠性設計內容，要求從系統硬件與軟件等方面著手。但如何做好硬件、軟件等設計，成為實際設計中的主要難題。因此，本文對單片機系統可靠性設計相關研究，具有十分重要的意義。

一、單片機系統硬件設計分析

（一）隔離與濾波技術

單片機系統設計中，對于硬件部分首先應注重將隔離技術引入其中。對于這種隔離技術，可細化為物理隔離、信號隔離技術等。以物理隔離技術為例，將其引入單片機系統內，需在線路布線、器件布局等方面保持合理的基礎上，對其中可能被干擾的線路與器件進行放置，保證干擾問題得以有效控制。實際隔離過程中，主要強調對電源線與模擬、數字兩種信號線進行隔離、數字與模擬兩種電路相互隔離以及低功率與高功率器件間的隔離。對于單片機系統，一般其涉及到的敏感器件集中表現在RAM、AD/DA、單片機芯片以及相關噪聲設備如整流橋、繼電器與電機等。設計中對于模擬線、信號線，應保證做到不重疊、不平行，而噪聲設備也需裝設于具體區域，可考慮在電路板邊緣進行設置。另外，在信號隔離技術方面，其在應用過程中主要在兩個電路中進行中間器件的裝設，避免電路間有回路情況存在。實際設計中首先可從供電模塊方面著手，主要將末級隔離電路設置于模擬電源中，其作用在于隔離輸入與輸出電源，保證電源供電獨立。而從信號傳輸方面，可將光電耦合隔離引入其中，這樣在輸入與輸出數字信號中可滿足隔離要求。尤其中的光耦，其用于光電轉換，在隔離電阻特性上具有一定的優勢，即使電平數字信號不同情況下，也能滿足隔離傳輸要求。

（二）屏蔽技術與接地技術

在系統可靠性設計過程中，對于硬件部分也要求將屏蔽技術引入其中。系統運行過程中，通常電氣設備、交流電源或高頻電源等很可能在雷電下，有電磁波產生。假若在單片機系統附近有干擾源存在，電磁波干擾問題的產生主要集中在懸浮回路方面，而在系統與干擾源較遠的情況下，電磁波干擾問題的存在主要以輻射形式為主。對此問題，可考慮將屏蔽體如金屬盒、金屬網、金屬板等引入其中，使電磁場在這些屏蔽體吸收、反射下減弱，有利于屏蔽電磁波，系統EMC特性將表現極為明顯。硬件部分設計過程中，需考慮到干擾問題的產生可能以電流形式或電壓形式存在，對于不同形式干擾源應采取不同的解決策略，如在電流形式方面，可考慮將相應的高導電率、高導磁率鐵磁等類型材料用于屏蔽中。而電壓形式干擾問題，可采取屏蔽體接地方式，達到屏蔽電場干擾源的目的。另外，在硬件可靠性設計中，一般也需將接地技術應用其中，該技術可具體細化為信號接地、安全接地形式，前者主要針對信號、接口接地問題采取信號接地方式，尤其在系統中弱信號電路部分，若需滿足噪聲干擾消除、公共電路參考點獲取等要求，可采取信號接地措施。而安全接地中強調系統電路接地過程中保持低阻抗，有利于漏電問題的有效控制[ 1 ]。

二、單片機軟件系統設計分析

1）數字濾波技術。軟件系統設計過程中，考慮到模擬信號采集中有較多偏差問題存在，其產生的原因多歸結于前向傳感器中有噪聲信號傳入。若這種偏差問題未得以及時控制，系統發出的控制信號都將出現誤差。這種情況下，為使數據真實性得以保證，便需引入數字濾波技術。該技術實現中，對于錯誤數據主要利用其中判斷或運算程序，使隨機干擾得以消除，將有用信號中干擾信號比重控制到最低，盡可能將數據可信度提高。如一般滑動平均值、算術平均值等方法，都可使數據偏差問題得到控制[ 2 ]。

2）冗余技術。單片機軟件可靠性設計中，冗余技術的應用集中表現在數據冗余、時間冗余以及指令冗余等方面。以數據冗余為例，其主要解決RAM區因干擾而產生的數據丟失問題，能夠直接備份保留這些參數，在系統運行中可通過備份數據完成恢復與檢驗過程。而在時間冗余方面，其主要對系統某一程序反復執行，在此基礎上將每次執行的結果對比分析，假若對比結果相同便說明系統運行正常，若結果差異明顯需重新執行這一程序，剔除其中的干擾問題，或直接對不同結果認定為故障。以布爾類型信號為例，技術應用過程中會多次進行信號采集，對比采集結果的基礎上，分析系否有外部控制信號存在。另外，在指令冗余技術應用下，其主要將冗余指令裝設到程序中，使程序錯誤問題得以有效控制。

3）恢復技術。當電磁干擾較為嚴重時，單片機系統中較多程序都可能處于錯誤運行狀態，此時需考慮到利用相應軟件以使系統自我恢復得以實現。其中的恢復技術首先表現在軟件陷阱方面，其主要利用相應的代碼與指令初始化處理錯誤程序問題，避免系統運行偏離正確軌道。為使軟件陷阱效果得到最大程度發揮，可考慮在非程序區中裝設軟件陷阱，其在不影響正常程序運行的情況下可引導失控程序。另外，也可考慮將“看門狗”程序引入軟件設計中，其對于程序錯誤的處理以及程序中斷等能夠發揮重要作用[ 3 ]。

三、結論

軟硬件設計是否合理是決定單片機系統可靠性的關鍵性因素。實際設計過程中，對于硬件設計部分，可考慮將接地技術、屏蔽技術、濾波技術以及隔離技術等引入其中，而在軟件設計方面主要以恢復技術、冗余技術以及數字濾波技術等為主。通過這些技術的融入，對系統可靠性的強化可起到明顯效果。

參考文獻：

[1] 張璐璐.單片機溫度測量和控制系統的設計與實現[D].吉林大學，2014.

[2] 王銳鋒.機翼模擬梁液壓控制系統軟硬件設計及實現[D].西安電子科技大學，2013.

[3] 賈常俊.智能立體車庫控制系統的設計與研究[D].蘭州理工大學，2010.

作者簡介：張娟（1980-），女，漢族，山西晉中人，助理工程師，研究方向：廣播發送技術。