浅谈单片机控制系统的可靠性

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摘 要：下文主要结合笔者多年的工作实践经验，针对单片机控制系统中的可靠性进行了探讨，提出了规范合理的系统设计和容错设计来提高系统的可靠性，同时对系统的干扰进行了介绍，并给出了硬件和软件抗干扰的措施，使单片机控制系统的工作可靠、稳定、高效。

关键词：可靠性 容错 干扰

中图分类号：TN973.3 文献标识码：A 文章编号：

1、规范合理的系统设计和容错设计

单片机控制系统是完成一定控制功能的系统，有其工作任务、运行环境和持续运行时间。设计中不仅要考虑系统运行的可靠性以及可维护性，还要考虑系统的性价比，为了保证系统的可靠持续运行，规范合理的系统设计和容错设计是非常重要的。

在单片机控制系统的设计中要求方案正确、易于实现。系统的硬件和软件的功能分配合理不仅有利于系统的良好运行，而且有利于节约系统的开发成本，便于可扩展和可维护。在满足系统性能指标和可靠性的前提下，元器件尽量选择廉价、性能优良、常见的元器件品种和型号，充分利用较好的系统设计方案来降低使用元器件的设计等级。在系统的元器件的布局、印制板的布线以及电源和地线连接情况等都会对系统的运行性能和抗干扰能力产生影响。软件设计要求模块化程序设计和结构化程序设计。

容错设计就是对故障予以容忍的设计。因为单片机控制系统故障或出错是客观存在的，容错设计就是解除系统故障或出错影响措施。实施的方法是投入超常规设计所需要的资源，以换取更高的系统可靠性。

2、单片机控制系统的干扰简介

要解决单片机控制系统的干扰问题，必须对干扰的来源、类型等进行分析才能找到合适的抗干扰方法。单片机控制系统是包含数字电路和模拟电路部分，因此受干扰的情况较复杂，不论是哪种信号，只要其中夹杂有干扰信号都会对单片机某个单元甚至使整个控制系统造成干扰或故障。

干扰的类型从单片机控制系统来看可以分为外部干扰和内部干扰两种。外部干扰与系统结构无关，由外界环境决定的影响系统正常运行的因素，如空间、环境温度、湿度或磁的影响等；内部干扰是指由系统结构、制造工艺等决定的因素，如分布电容、分布电感引起的耦合，多点接地引起的电位差和电源系统引入的干扰等。

干扰的来源可以分为以下几种：①空间感应干扰。空间感应的干扰主要来源于电磁场在空间的传播。②过程通道抗干扰。过程通道是单片机控制系统的输入、输出以及单片机与其他智能装置之间进行信息传输的路径，不可避免地会受到各种干扰直接的侵入，影响系统信号的准确性。③地电位波动干扰。由于整个单片机控制系统接地线不同，它们之间存在着一定的电位差；或者如果单片机的交流供电电源很不稳定，那么就会产生地电位差的干扰。④电源系统干扰。计算机控制系统一般由交流电网供电，电网的各种冲击、射频的波动都将会导致系统的电源电压的波动，从而对单片机控制系统造成干扰。⑤长线传输干扰。单片机控制系统的被控对象与单片机之间一般存在或长或短的距离，当信号在信号传输时，由于传输线的阻抗、分布电容与分布电感，或者传输线的终端阻抗不匹配，或者信号传输中的延时，都会对系统产生干扰。

3、硬件抗干扰技术

1）屏蔽技术。屏蔽技术能有效地抑制通过自由空间传播的电磁干扰，磁场屏蔽目的是消除或抑制直流或低频交流磁场与扰回路的磁耦合。对磁场进行屏蔽主要采取方法：采用高磁导率材料的屏蔽体、反向电流或涡流实现磁屏蔽；强磁场的屏蔽可以采用双层屏蔽结构；电磁场屏蔽主要是针对电磁波干扰的措施，对于电场波的屏蔽，以反射衰减为主；磁场的屏蔽，以吸收衰减为主。

2）接地技术。在单片机控制系统设计时，若能将接地和屏蔽正确地结合在一起，可以解决大部分干扰引起的故障。接地包括两个部分内容：一是接地点是否正确；二是接地点是否牢靠。单片机控制系统中地线有许多类型，大致可分为以下几类：模拟地、数字地、交流地、直流地、信号地、功率地和屏蔽地等。不同地线有不同的处理方法，要根据系统的实际情况，具体问题具体分析。

3）供电电源配置。单片机控制系统采用的电源一般是通过电网的交流电经过降压、整流、滤波、稳压环节后变成直流电源再供电。常见的电源干扰有以下几种：电源线中的高频干扰、感性负载产生的瞬变噪声、晶闸管通断时所产生的干扰、电网电压的短时下降干扰。电源抗干扰的基本方法有：通过在电感线圈两端并联吸收网络（如R、RC、RCD等吸收网络）或采用无触点开关代替有触电开关来消除系统中的电磁干扰源；采用分类供电、掉电保护装置、蓄电池、在线UPS不间断等方法来提高电源质量等。

4）硬件滤波技术。硬件滤波方法可对单片机控制系统中的尖峰脉冲干扰、串模干扰、电源系统干扰、过程通道干扰进行有效的抑制。常见的滤波电路有无源滤波器、有源滤波器、信号滤波器等。

5）隔离技术。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。该方法可用于抑制尖峰脉冲干扰、共模干扰、电源系统干扰和过程通道干扰。一般工业应用的单片机控制系统采用的隔离措施有：光电隔离、继电器隔离和变压器隔离等。

6）布线抗干扰技术。单片机控制系统的印制电路板的选择大小要适中，且要求布线合理，还应满足抗干扰技术的要求。将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，尽量保证传输信号损失小，波形不失真，系统电路间的耦合降低到最小。

4、软件抗干扰技术

1）指令冗余技术。当CPU 受到强干扰时，可能将一些操作数当作操作码去执行，引起程序混乱，这时首要解决的问题是尽快将程序引入正轨。值得注意的是，当程序弹飞到某一单字节指令时便会自行纳入正轨，因此可以多采用单字节指令，并在关键的地方适当地插入一些冗余的单字节指令( NOP)，或将有效单字节指令重复使用，这便是指令冗余 。

2）软件陷阱技术。所谓软件陷阱，就是一条引导指令，它强行将捕获到的程序引向一个指定的地址，去运行一段程序出处理程序，使程序运行处于正常化。如果把这段程序的地址称为ERROR，其程序为：

NOP

NOP

LJMP ERROR

一旦程序运行出错，PC指针落到这些位置，则可有效地捕捉到使之回到正常的程序运行。软件陷阱在EPROM容量允许的情况下多多益善。

3）程序运行监视器（WTD）。单片机控制系统受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入死循环。通常采用程序监视技术，又称看门狗技术（Watchdog Timer）。看门狗结构原理图由一个与CPU形成闭合回路的定时器构成，如图1所示。

图1 看门狗结构原理图

程序在正常运行的情况下，CPU定时对定时器进行复位或初始化，使定时器在定时到溢出之前重新开始计时，这样该定时器就永远不会产生溢出脉冲。一旦CPU受到干扰陷入死循环或程序跑飞， CPU就不能及时对定时器进行复位或初始化，定时器在定时到之后产生溢出脉冲，从而引起系统复位或产生中断。

4）输入输出数字量的软件抗干扰。输入数字量中的干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，可以通过重复采集的方法，将随机干扰引起的虚假输入状态信号滤除掉。还可以建立反馈检测通道来确定输出结果的正确性。

5）数字滤波技术。常用的数字滤波法有：程序判断滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、防脉冲干扰平均值滤波法和一阶滞后滤波法等方法。

5、结束语

综上所述，可靠性技术是单片机控制系统的重要内容，在设计时应分析具体情况，选用针对性的抗干扰措施。在工程实践中，规范设计和容错设计要相辅相成，根据系统的应用环境和实现功能有选择性的侧重，以提高系统的可靠性和性价比