浅谈单片机应用系统的可靠性设计

摘要：可靠性设计是单片机应甩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、噪声失敏控制、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。

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，从事单片机应用系统开发工作的设计人员必须掌握可靠性设计。

一、可靠性与可靠性设计

1．现代电子系统的可靠性

现代电子系统具有如下特点：嵌入式的计算机系统．智能化的体系结构；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、最广泛的现代电子系统。

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町靠性设计。由于软件的介入，可靠性问题除了二值可靠性的“失效”外．出现了除了“正常”与“失效”以外介于其间的诸如“出错”、“失误”、“不稳定”的多值可靠性问题。

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

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。

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，如逻辑电平噪声容限、时钟误差、时序误差等。

(2)固化软件运行环境与可靠性

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．用户无法更改和输入新的程序。这就避免r外来计算机病毒的侵袭，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2000年时就会形成数据处理失误；采用有限写入次数的程序存储器。在超过写入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一定的年限，超过此年限也会出现数据错误。其它诸如计数容量．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。

3．本质可靠性与可靠性控制

本质可靠性是只考虑系统功能要求的软、硬件可靠性设计，是可靠性设计的基础。如采用CMOS电路代替7rrL电路提高噪声容限，增加系统抗干扰能力：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靠的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。

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；单片机选择实现系统的最大包容；0EM的支持。

2．器件选择的可靠性设计

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。

三、软件系统的可靠性设计

在单片机应用系统可靠性设计中，软件设计最主要的任务是保证在过程空间中。应用程序按照给定的顺序有序运行。在高可靠性的硬件系统基础上。软件设计的可靠性保障了最少的软件错误以及在软件出错后仍能保证系统正常运行或安全运行。

1．本质可靠性的软件设计

软件的本质可靠性是指不依靠软件附加．最大限度减少自身错误及缺陷，并且要有足够的时序余度。

单片机系统在CPU的控制下实现分时操作．程序完全依靠时序调度、切换控制。程序运行的可控不仅要求时序准确，而且要有足够的时序余度。

第一，系统复位时序。多个器件复位的时序要求是主要问题。应保证MCU对外围可编程器件的初始化在该器件复位后进行。软件设计时，可以在系统上电复位后，MCU延迟片刻，确保外围器件复位后，再对其初始化。

第二，外围器件工作时序。对外围器件的工作时序必须分析清楚，MCU的操作必须保证时序信号的衔接控制和时序信号的时序余度。

第三。应用系统的状态转换时序。应用系统中的状态转换有MCU运行状态转换、外围器件运行状态转换和电源系统供电状态转换等。在程序设计中．必须考虑状态转换时过渡期对程序运行的影响，精心设计时序控制。通常。MCU本身的状态转换，都有自动监视、自动运行管理功能，程序设计只需按MCU数据手册及指令系统的操作要求进行即可。对于有较长过渡期的外围状态转换，可采取足够的延时或设置提前转换状态的办法。

第四，总线时序。单片机应用系统中有并行总线和串行总线，这些总线在规范化操作时，其时序数据通信协议保证。在虚拟总线方式时，虚拟总线运行的可靠性在于时序的准确模拟。并行总线要保证读、写操作指令运行下的读写时序：同步串行总线要保证时钟线控制下的同步时序；串行异步时序则要考虑波特率对数据传送的影响。

四、结束语

单片机应用系统的可靠性设计涉及硬件系统的抗干扰设计和软件系统的抗干扰设计，采取的措施多而复杂。实际应用时，应根据设计条件与目标要求，制定应用系统的可靠性等级，合理采用硬性可靠性措施。充分利用软件的可靠性设计，提高系统的抗干扰能力。

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审核编辑 黄昊宇