探討提高單片機系統(tǒng)可靠性方法

摘要:闡述在單片機選型、單片機系統(tǒng)設(shè)計以及制造工藝等方面應(yīng)注意的問題,以實現(xiàn)高可靠性的單片機應(yīng)用系統(tǒng),討論了提高系統(tǒng)可靠性的措施,并提出了提高系統(tǒng)可靠性的綜合設(shè)計方法。使系統(tǒng)的可靠性得到了充分的保障。

關(guān)鍵詞:單片機;可靠性;抗干擾
　
　　
　　1 電源干擾及其抑制
　　單片機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性是極為重要的。在影響單片機系統(tǒng)可靠性的諸多因素中,電源干擾可謂首屈一指。據(jù)統(tǒng)計,計算機應(yīng)用的運行故障有90%以上是由電源噪聲引起的。
　　1.1 交流電源干擾及其抑制
　　多數(shù)情況下,單片機運用系統(tǒng)都使用交流220 V、50 Hz的電源供電。在工業(yè)現(xiàn)場,生產(chǎn)負荷的經(jīng)常變化,大型用電設(shè)備的啟動與停止,往往要造成電源電壓的波動,有時還會產(chǎn)生尖峰脈沖,這種高能尖峰脈沖的幅度約在50 000 V~4 000 V之間,持續(xù)時間為幾個毫秒。它對計算機應(yīng)用系統(tǒng)影響最大,能使系統(tǒng)的程序“跑飛”或使系統(tǒng)造成“死機”。因此,一方面要使系統(tǒng)盡量遠離這些干擾源,另一方面要采用電源濾波器。這種濾波器是按頻譜均衡原理設(shè)計的一種無源四端網(wǎng)絡(luò)。為了提高系統(tǒng)供電的可靠性,還要采用交流穩(wěn)壓器,防止電源的過壓和欠壓。采用1∶1隔離變壓器,防止干擾通過初次級間的電容效應(yīng)進入單片機供電系統(tǒng)。
　　1.2 直流電源抗干擾措施
　　1.2.1 采用高質(zhì)量集成穩(wěn)壓電路單獨供電
　　單片機應(yīng)用系統(tǒng)中往往需要幾種不同電壓等級的直流電源。這時,可以采用相應(yīng)的低紋波高質(zhì)量集成穩(wěn)壓電路。每個穩(wěn)壓電路單獨對電壓過載進行保護,因此不會因某個電路出現(xiàn)故障使整個系統(tǒng)遭到破壞,而且也減少了公共阻抗的互相偶合,從而使供電系統(tǒng)的可靠性大大提高。
　　1.2.2 采用直流開關(guān)電源
　　直流開關(guān)電源是一種脈寬調(diào)制型電源。它甩掉了傳統(tǒng)的工頻變壓器,具有體積小、重量輕、效率高、電網(wǎng)電壓范圍寬、變化時不易輸出過電壓和欠電壓的特點,在計算機應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。這種電源一般都有幾個獨立的電壓輸出,如±5 V、±12 V、±24 V等,電網(wǎng)電壓波動范圍可達220 V的 10%至-20%,同時,直流開關(guān)電源還具有較好的初、次級隔離作用。
　　1.2.3 采用DC-DC變換器
　　如果系統(tǒng)供電電網(wǎng)波動較大,或者精度要求高,可以采用DC-DC變換器。DC-DC變換器的特點是輸入電壓范圍大、輸出電壓穩(wěn)定且可調(diào)整、效率高、體積小,有多種封裝形式。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。
　　2 地線干擾及其抑制
　　在計算機應(yīng)用系統(tǒng)中,接地是一個非常重要的問題。接地問題處理的正確與否,將直接影響系統(tǒng)的正常工作。
　　2.1 一點接地和多點接地的應(yīng)用
　　在低頻電路中,布線和元件間的寄生電感影響不大,因而常采用一點接地,以減少地線造成的地環(huán)路。在高頻電路中,布線和元件間的寄生電感及分布電容將造成各接地線間的偶合,影響比較突出,此時應(yīng)采用多點接地。
　　通常頻率小于1 MHz時,采用一點接地;頻率高于10 MHz時,采用多點接地;頻率處于1 MHz~10 MHz之間時,若采用一點接地,其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20。否則,應(yīng)采用多點接地。
　　2.2 數(shù)字地與模擬地的連接原則
　　數(shù)字地是指TTL或CMOS芯片、I/O接口電路芯片、CPU芯片等數(shù)字邏輯電路的接地端,以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地。模擬地是指放大器、取樣保持器和A/D、D/A中模擬信號的接地端。在單片機系統(tǒng)中,數(shù)字地和模擬地應(yīng)分別接地。即使是一個芯片上有兩種地也要分別接地,然后在一點處把兩種地連接起來,否則,數(shù)字回路通過模擬電路的地線再返回到數(shù)字電源,將會對模擬信號產(chǎn)生影響。
　　2.3 印刷電路板的地線分布原則
　　TTL、CMOS器件的接地線要呈輻射網(wǎng)狀,避免環(huán)形;板上地線的寬度要根據(jù)通過的電流大小而定,最好不小于3 mm。在可能的情況下,地線盡量加寬;旁路電容的地線不要太長;功率地通過電流信號較大,地線應(yīng)較寬,必須與小信號地分開。
　　2.4 信號電纜屏蔽層的接地
　　信號電纜可以采用雙絞線和多芯線,又有屏蔽和無屏蔽兩種情況。雙絞線具有抑制電磁干擾的作用,屏蔽線具有抑制靜電磁感應(yīng)干擾的作用。
　　對于屏蔽線,屏蔽層最佳的接地點是在信號源測(一點接地)。
　　3 其他提高系統(tǒng)可靠性的方法
　　3.1 硬件抗干擾設(shè)計
　　(1)選擇抗干擾性能強的CPU。單片機和單片機抗干擾能力是不一樣的。如果你的產(chǎn)品是工作在干擾比較大的環(huán)境,可以選用抗干擾能力強的單片機。
　　(2)數(shù)字量的光電隔離。開關(guān)量信號實際上有不同的信號傳輸方式:①TTL電平;②RS232電平(非平衡信號);③RS485電平(平衡信號或者差分信號);④電流環(huán)路(有電流或者無電流)。
　　單片機的輸入輸出口線是最容易引進干擾的地方;對于不使用的I/O口線,需要使用電阻上拉到高電平,不可懸置。直接將開關(guān)量信號接到單片機的口線上,是最不可取的設(shè)計;至少要加一個緩沖驅(qū)動的芯片隔離,而且這個芯片要跟CPU盡量近;在嚴重干擾的情況下,需要將所有的口線采用光耦光電隔離。光耦隔離就是采用電流環(huán)路傳輸,避免在長線傳輸?shù)臅r候,在傳輸線上積累高壓和感應(yīng)信號,使得數(shù)據(jù)紊亂甚至損壞TTL接口芯片,或者干擾單片機的正常運行。注意,采用光電隔離是為了信號使用電流環(huán)路傳輸,而不是使用TTL電平傳輸,這意味著,從CPU模塊的角度看,開關(guān)量輸出、驅(qū)動器件,如74LS244/245/07…等等,在CPU模塊這里,光耦在另外一塊電路板處;開關(guān)量輸入,光耦在CPU模塊處,而驅(qū)動器件在另外一塊電路板處;這樣才能形成電流環(huán)路。數(shù)字信號的電流環(huán)路的電流一般在5 mA～10 mA,根據(jù)光耦的指標(biāo)而定。在工業(yè)環(huán)境下與CPU模塊相對獨立的鍵盤,需要使用光耦光電隔離接入到系統(tǒng)中,否則極易損壞接口芯片。
　　(3)模擬量的光電隔離。模擬量隔離有2種方法,一種是,使用線性光耦,隔離模擬量;由于線性光耦的價格昂貴,并且線性區(qū)也很窄,不推薦使用。比較常用的辦法是,選用SPI接口,或者3線接口的AD或者DA,把數(shù)據(jù)、時鐘和使能信號,使用光耦隔離。這實際上是把模擬量的信號轉(zhuǎn)換成串行的開關(guān)量的數(shù)據(jù)流傳輸。另一種是使用4 mA～20 mA的電流環(huán)路,但是4 mA～20 mA的芯片價格比較昂貴,而且電路也復(fù)雜。
　　(4)模擬量的通訊傳輸。使用一個CPU,把模擬量讀入到CPU,再通過RS485接口把數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議,傳輸?shù)街鰿PU模塊;當(dāng)然,也可以傳輸開關(guān)量信號等。實際上,這是一個分布式的測控網(wǎng)絡(luò)的方法;多板的單片機測控系統(tǒng)經(jīng)常使用這種方法。
　　(5)獨立的“看門狗”。選用獨立的“看門狗”作為系統(tǒng)復(fù)位信號產(chǎn)生;當(dāng)系統(tǒng)跑飛時,由于沒有“喂狗”,“看門狗”產(chǎn)生復(fù)位信號,使得系統(tǒng)可以最大限度地找回跑飛前的數(shù)據(jù),盡可能重新開始平穩(wěn)的運行。
　　(6)采用RS232電平傳輸。比如,機

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