单片机测控系统的可靠性分析

单片机测控系统的可靠性分析[摘要]通过对干扰源的分析，讨论在单片机测控系统中硬件系统和软件系统可靠性与整个系统可靠性的关系。采用软硬件协同设计方法，将硬件与软件抗干扰相结合，可以设计出稳定可靠的单片机测控系统。[关键词]单片机测控系统软硬件协同设计可靠性中图分类号：TP202.1文献标识码：A文章编号：1671－7597（2008）1110025－01一、引言近年来，人们在不断完善单片机测控系统硬件配置的基础上，对系统受干扰的原因进行分析，对提高系统抗干扰能力的方法进行探讨，不仅具有一定的理论意义，也有很高的实践价值。二、硬件系统可靠性硬件系统可靠性从技术的角度上来讲，主要指硬件的冗余技术。在工业生产中所出现的干扰一般是以脉冲的形式进入单片机系统的，渠道主要有三条，即空间干扰（场干扰），过程通道干扰和供电系统干扰。空间干扰是通过电磁波辐射进入系统的，过程通道干扰是通过与主机相连的前向通道、后向通道以及与其它主机相连的通道进入的。在一般的情况下，空间干扰的强度上要远小于其他两个渠道的干扰，而且可以通过良好的屏蔽、正确的接地和高频滤波加以消除。因此重点应放在防止供电系统和过程通道的干扰上[1]。影响单片机测控系统可靠性的因素，有45%来自系统设计。为了保证测控系统的可靠性，在对电路设计时，应进行最坏情况的设计。各种电子元件的特性不可能是一个恒定值，总是在其标注值的上下有一个变化的范围。同时，电源电压也有一个波动范围，最坏的设计(指工作环境最坏情况下)方法是考虑所有元件的公差，并取其最不利的数值。核算电路的每一个规定的特性。如果这一组参数值都能保证正常工作，那么在公差范围内的其它所有元件值都能使电路可靠地工作。在设计应用系统电路时，还要根据元件的失效率特征及其使用场所采取相应措施，对那些容易产生断路的部件，以并联方式复制，并在这些部分设置报警和保护装置[2]。对于提高系统的可靠性，人们在硬件上已采取了多种常用的措施，如各种接地处理、屏蔽、隔离、滤波、退耦、旁路等等，因此能够抑制或消除一定的干扰。但是这些措施并不是十分有效的，例如对因单片机系统配置不完善、元器件不能正确使用及硬件设计的不合理而受到的干扰就不能完全消除。另外，进入单片机系统干扰的频谱往往是很宽的，也具有较大的随机性，如果采用硬件抗干扰的措施，也只能控制某个频段的干扰，而对于其他频段的干扰就难于控制了。三、软件系统可靠性实现软件系统可靠性最有效的方法是去除干扰源、隔断干扰路径，但往往很难做到。单片机干扰最常见的现象就是复位，至于程序跑飞，其实也可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态。所以，单片机软件抗干扰最重要的是处理好复位状态。一般单片机都会有一些标志寄存器，可以用来判断复位原因；另外也可以自己在RAM中埋一些标志。在每次程序复位时，通过判断这些标志，可以判断出不同的复位原因；还可以根据不同的标志直接跳到相应的程序。这样可以使程序运行有连续性，用户在使用时也不会察觉到程序被重新复位过。四、软硬件协同系统的可靠性功能强大的各种单片机系统减轻了控制系统设计人员的工作量，但它存在两个问题。其一，在选定单片机过程中没有考虑软硬件的综合设计，即只考虑了硬件的方便性，没有考虑与之相应的软件，所以在系统设计周期中，硬件与软件的设计过程分离且相互独立，在系统集成前没有交互作用；其二，在硬件选择过程中没有考虑系统开发周期及成本，往往需要购买专用的开发系统及编程器，开发人员还要花费一定的时间熟悉指令和仿真器，延长开发周期。显然，这种依据项目功能选择单片机的设计方法限制了平衡软硬件的能力，不能充分发挥软硬件各自的潜力。在单片机测控系统中，只要认真分析系统的干扰来源及传播的途径，并采用软硬件结合抗干扰的措施，就能保证系统可靠的运行。因此，可以采用软硬件协同设计的方法，并将该方法作用于一个设计的过程中。硬件和软件设计是相互作用的，这种相互作用发生在设计过程的各个阶段和各个层次。设计过程充分体现了软硬件的协同性。在软硬件功能分配时就考虑到了现有的软硬件资源，在软硬件功能的设计和仿真评价过程中，软件和硬件是互相支持的。这就使得软硬件功能模块能够在设计开发的早期互相结合，从而及早发现问题及早解决，避免了在设计开发后期反复修改系统以及由此带来的一系列问题，而且有利于挖掘系统潜能、缩小产品的体积、降低系统成本、提高系统整体性能。作为一种全新的设计思想，软硬件协同设计通过挖掘软硬件之间的协同性，可以克服传统设计方法中把软件和硬件分开设计而带来的弊端，使整个设计过程以及设计出来的产品能够高效地工作，提高整个系统的可靠性。当一个采用软硬件协同设计的方法设计的单片机测控系统设计完成后，可以通过测试方法验证其可靠性。具体测试内容包括：①测试单片机软件功能的完善性。这是针对所有单片机系统功能的测试，测试软件是否写的正确完整。②上电、掉电测试。在使用中用户必然会遇到上电和掉电的情况，可以进行多次开关电源，测试单片机系统的可靠性。③老化测试。测试长时间工作情况下，单片机系统的可靠性。必要的话可以放置在高温，高压以及强电磁干扰的环境下测试。④ESD和EFT等测试。可以使用各种干扰模拟器来测试单片机系统的可靠性。五、结束语从根本上来说，单片机测控系统的可靠性，是由硬件系统的可靠性与软件系统的可靠性共同构成，即反映了硬件系统和软件系统抗干扰的能力。硬件抗干扰是主动的，而软件是抗干扰是被动的。认真地分析干扰源，通过软硬件协同设计方法，将硬件与软件抗干扰相结合，完善系统监控程序，设计稳定可靠的单片机测控系统是完全可行的。参考文献：[1]曲桂芳、野锦德，提高单片机测控系统可靠性的若干措施，天津通信技术[J].2001.2：20-24.[2]李永亮，提高单片机设计硬件可靠性的一般方法，现代电子技术[J].2001.4：72-73.