单片机应用系统的可靠性设计

kajchild

[摘要]可靠性设计是 单片机应用系统设计必不可少的设计内容。本文从现代电子系统的可靠性出发,详细论述了单片机应用系统的可
靠性特点,提出了芯片选择、电源设计PCB制作、嗓声失敏控制、程序失控回复等集合硬件系统的可靠性设计技术和软件系统的可靠性设计技
术的解决方法,可供单片机应用系统的开发人员借鉴与参考。
[关键词]单片机应用系统;可靠性;CMOS;电磁兼容性
单片机应用系统的设计包括功能性设计、可靠性设计和产品化设
计。其中,功能性是基础.可靠性是保障,产品化是前途。因此,从事单
. |' D8 h6 Z% _* [. a6 ]2 F片机应用系统开发工作的设计人员必须掌抛叮靠性设计。
一、可靠性与可靠性设计
1.现代电子系统的可靠性
" `6 H+ w. n& m0 ?现代电子系统具有如下特点:嵌人式的计算机系统，智能化的体
6 R+ i3 t) S9 p( {; J( e系结构;以计算机为核心的柔性硬件基础,由软件实现系统的功能;硬
' c# k" e9 Y( v: S件系统有微电子技术的有力支持。单片机应用系统是当前最典型、最
  j& D7 A! \! z& W, S, h广泛的现代电子系统。
9 T7 u" {% t/ C" L: o: I' M" q3 u现代电子系统的可靠性表现为，在规定条件下,系统准确无误运
行的能力,突出了可靠性的软件和运行中的失误概率。可靠性设计则
3 m: C  |5 b! ^是在产品开发过程中，保证运行可靠的全部设计手段,甚至包括了产
品出厂后软件升级中的可靠性设计。由于软件的介入,可靠性问题除
8 \* K" s% u' Z; C& n, e了二值可靠性的“失效”外,出现了除了“正常”与“失效”以外介于其间
( O: N4 h2 d) S' ], h  o$ h  \的诸如“出错"、“失误”、“不稳定”的多值可靠性问题。
2 r5 ~5 F9 h6 d: }- V0 ^2.单片机应用系统的可靠性特点
(1)系统运行状态的可靠性特点
4 I% M# \3 N" k单片机应用系统普遍采用CMOS器件，因此，经常的运行状态有
/ T. b, w. B& g, g静态运行与动态运行之分。
静态运行是指单片机在休闲或掉电方式下的工作状态。此时,单
片机指令停止运行，外围电路被关断或电源被关断.系统中只有值守
3 y1 l! `, S8 o. h7 R& v9 m- D% ~电路在工作。因此,静态运行下的系统不存在软件的可靠性问题,其可
1 z4 y* D( B  F7 Z* O! K靠性主要表现在值守电路的抗干扰能力、系统中器件的静态参数余
度,如直流特性参数余度.工作电压、工作稳定以及接插件的可靠性
! i; W) k  j* }0 ~6 I- z7 B等。
动态运行是指单片机应用系统工作在程序运行状态。此时的可靠
性主要是软件运行的可靠性问题，表现在动态参数余度，如逻辑电平
* m+ H: ~# @3 ]4 j, s- a+ g5 z噪声容限、时钟误差时序误差等。
$ |" H3 Y1 E9 b5 @- d" R(2)固化软件运行环境与可靠性
. G5 ^" ^: x- C单片机应用系统中,CPU运行的是事先固化在单片机的程序存储
器的软件,用户无法更改和输人新的程序,这就避免了外来计算机病
! a3 d) M: t6 k! F* [) z毒的侵袭,其可靠性表现在固化软件本身的可靠性和程序存储器数据
5 q9 N# V% G- M, [8 s& C保护的可靠性。
(3)时空边界性问题与可靠性
时空边界性问题普遍存在于单片机应用系统中，如单片机应用系
. ~" R& u0 g# y* i; y( N; |( c统中采用二位十进制数代替四位公元纪年的定时时钟系统,在跨越
& F: ?8 J0 x- E2000年时就会形成数据处理失误;采用有限写人次数的程序存储器,
在超过写人次数的运行操作时会出现数据错误;程序存储器保存数据
也有-定的年限,超过此年限也会出现数据错误。其它诸如计数容量,
, ]1 u' ?* l# c3 }+ g4 C1 h' U数据溢出,参数超边界应用都会带来可靠性问题。因此,必须采取时空
边界性问题的可靠性防范措施。
, {- ~7 X/ D2 t  x3.本质可靠性与可靠性控制

+ y* o3 K. N5 V5 w" j' z3 Q, A3 M8 n本质可靠性是只考虑系统功能要求的软、硬件可靠性设计,是可
" X# S8 w/ p' i5 `+ n* P+ d靠性设计的基础。如采用CMOS电路代替TTL电路提高噪声容限,增
2 g8 ^( [$ l7 r" w8 p加系统抗干扰能力;采用高可靠性的软硬件开发平台实现产品开发;
按照电磁兼容规范设计可籮的PCB等。.
常用的可靠性控制设计有:噪声失敏控制,时空边界管理,系统自检与
自修复,出错后的安全性包容等。
/ j& E4 l( e* k- R二、硬件系统的可靠性设计
硬件系统的可靠性是系统本质可靠性和可靠性控制的基础。
1.硬件系统总体方案的可靠性设计
硬件系统总体方案的可靠性设计内容包括:
(1)采用硬件平台的系统设计方法
单片机应用系统的硬件平台都是由相近似的应用系统基本电路
组成,只适用于某一领域中的硬件系统设计。基于硬件平台设计的应
用系统有基本的可靠性保证。一个良好的硬件平台应具备:标准化、系
" V/ D3 S8 A% `0 P9 K* C* i6 g列化、规范化设计的电路系统;柔性特性的基本应用系统体系结构;丰
富的软件支持;可靠性测试记录。
(2)最大的系统集成
最大的系统集成可以最大限度简化系统构成,有助于减少系统硬
件失误概率。最大的系统集成应具备:依靠器件解决的思想;单片机选
- m9 X. ~8 G$ }择实现系统的最大包容;0EM的支持。
: M. A2 ?0 y- ^% K. i9 V2.器件选择的可靠性设计
8 n# H8 a% I. ?: p6 z单片机芯片的选择要满足系统集成的最大化要求;优选CMOS器
* F" p. N: |! C; r/ n% n/ M$ W0 E件;为简化电路设计尽可能采用串行传输总线器件代替并行总线扩展
的器件;选择保证可靠性的专用器件,如采用电源监控类器件.信号线
路故障保护器.ESD(静电干扰)保护器、能实现电源短路保护的自聚
合开关等。
7 r( n5 |& a$ M3.电路系统的可靠性设计
* ?  F' K- `& x% G  ](1)CMOS电路的可靠性设计
9 S9 ], r: v& K+ Y) oCMOS电路系统是单片机应用系统的主要发展方向，因此CMOS
9 ~8 [  c1 b3 @0 R( [电路的叮靠性设计是电路系统可靠性设计的主要内容。CMOS电路的
- y% X  |) a, v8 X( Z& B1 s可靠性设计包括:
防止寄生可控硅闩锁效应CMOS集成电路中形成的寄生可控
( H7 g/ }2 ^3 z& [( [硅结构会产生闩锁效应形成大电流.损坏器件。防止出现闩锁效应的
条件是:任何时候,CMOS输人端的电压不超过电源电压、不低于地电
压,即:VSS≤VIN≤VDD。
- s, ^$ U2 t) g9 d! l- k' `, s防止CMOS电路的静电损坏在系统电路设计中,保证未使用的
, T8 Y) Q+ S1 l4 _+ b- ]9 V2 G/ C! f输人端接电源或地,在重要的易受静电干扰的通道上设静电保护电路
4 T$ S3 ^& B9 }: {# Y) B或选掸有抗静电干扰的器件。
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单片机应用系统普遍采用CMOS器件，因此，经常的运行状态有静态运行与动态运行之分。