摘要：可靠性設計是單片機應甩系統(tǒng)設計必不可少的設計內容。本文從現(xiàn)代電子系統(tǒng)的可靠性出發(fā)，詳細論述了單片機應用系統(tǒng)的可靠性特點。提出了芯片選擇、電源設計、PCB制作、噪聲失敏控制、程序失控回復等集合硬件系統(tǒng)的可靠性設計技術和軟件系統(tǒng)的可靠性設計技術的解決方法。可供單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)人員借鑒與參考。

單片機應用系統(tǒng)的設計包括功能性設計、可靠性設計和產(chǎn)品化設計。其中，功能性是基礎，可靠性是保障，產(chǎn)品化是前途。因此，從事單片機應用系統(tǒng)開發(fā)工作的設計人員必須掌握可靠性設計。

一、可靠性與可靠性設計

1．現(xiàn)代電子系統(tǒng)的可靠性

現(xiàn)代電子系統(tǒng)具有如下特點：嵌入式的計算機系統(tǒng)．智能化的體系結構；以計算機為核心的柔性硬件基礎，由軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功能；硬件系統(tǒng)有微電子技術的有力支持。單片機應用系統(tǒng)是當前最典型、最廣泛的現(xiàn)代電子系統(tǒng)。

現(xiàn)代電子系統(tǒng)的可靠性表現(xiàn)為，在規(guī)定條件下，系統(tǒng)準確無誤運行的能力．突出了可靠性的軟件和運行中的失誤概率。可靠性設計則是在產(chǎn)品開發(fā)過程中，保證運行可靠的全部設計手段，甚至包括了產(chǎn)品出廠后軟件升級中的町靠性設計。由于軟件的介入，可靠性問題除了二值可靠性的“失效”外．出現(xiàn)了除了“正常”與“失效”以外介于其間的諸如“出錯”、“失誤”、“不穩(wěn)定”的多值可靠性問題。

2．單片機應用系統(tǒng)的可靠性特點

(1)系統(tǒng)運行狀態(tài)的可靠性特點

單片機應用系統(tǒng)普遍采用CMOS器件，因此，經(jīng)常的運行狀態(tài)有靜態(tài)運行與動態(tài)運行之分。

靜態(tài)運行是指單片機在休閑或掉電方式下的工作狀態(tài)。此時，單片機指令停止運行。外圍電路被關斷或電源被關斷，系統(tǒng)中只有值守電路在工作。因此，靜態(tài)運行下的系統(tǒng)不存在軟件的可靠性問題，其可靠性主要表現(xiàn)在值守電路的抗干擾能力、系統(tǒng)中器件的靜態(tài)參數(shù)余度，如直流特性參數(shù)余度、工作電壓、工作穩(wěn)定以及接插件的可靠性等。

動態(tài)運行是指單片機應用系統(tǒng)工作在程序運行狀態(tài)。此時的可靠性主要是軟件運行的可靠性問題．表現(xiàn)在動態(tài)參數(shù)余度，如邏輯電平噪聲容限、時鐘誤差、時序誤差等。

(2)固化軟件運行環(huán)境與可靠性

單片機應用系統(tǒng)中，CPU運行的是事先固化在單片機的程序存儲器的軟件．用戶無法更改和輸入新的程序。這就避免r外來計算機病毒的侵襲，其可靠性表現(xiàn)在固化軟件本身的可靠性和程序存儲器數(shù)據(jù)保護的可靠性。

(3)時空邊界性問題與可靠性

時空邊界性問題普遍存在于單片機應用系統(tǒng)中．如單片機應用系統(tǒng)中采用二位十進制數(shù)代替四位公元紀年的定時時鐘系統(tǒng)。在跨越2000年時就會形成數(shù)據(jù)處理失誤；采用有限寫入次數(shù)的程序存儲器。在超過寫入次數(shù)的運行操作時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤；程序存儲器保存數(shù)據(jù)也有一定的年限，超過此年限也會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤。其它諸如計數(shù)容量．數(shù)據(jù)溢出，參數(shù)超邊界應用都會帶來可靠性問題。因此．必須采取時空邊界性問題的可靠性防范措施。

3．本質可靠性與可靠性控制

本質可靠性是只考慮系統(tǒng)功能要求的軟、硬件可靠性設計，是可靠性設計的基礎。如采用CMOS電路代替7rrL電路提高噪聲容限，增加系統(tǒng)抗干擾能力：采用高可靠性的軟硬件開發(fā)平臺實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)；按照電磁兼容規(guī)范設計可靠的PCB等。

常用的可靠性控制設計有：噪聲失敏控制，時空邊界管理，系統(tǒng)自檢與自修復，出錯后的安全性包容等。

二、硬件系統(tǒng)的可靠性設計

硬件系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)本質可靠性和可靠性控制的基礎。

1．硬件系統(tǒng)總體方案的可靠性設計

硬件系統(tǒng)總體方案的可靠性設計內容包括：

(1)采用硬件平臺的系統(tǒng)設計方法

單片機應用系統(tǒng)的硬件平臺都是由相近似的應用系統(tǒng)基本電路組成，只適用于某一領域中的硬件系統(tǒng)設計。基于硬件平臺設計的應用系統(tǒng)有基本的可靠性保證。一個良好的硬件平臺應具備：標準化、系列化、規(guī)范化設計的電路系統(tǒng)；柔性特性的基本應用系統(tǒng)體系結構；豐富的軟件支持；可靠性測試記錄。

(2)最大的系統(tǒng)集成

最大的系統(tǒng)集成可以最大限度簡化系統(tǒng)構成，有助于減少系統(tǒng)硬件失誤概率。最大的系統(tǒng)集成應具備：依靠器件解決的思想；單片機選擇實現(xiàn)系統(tǒng)的最大包容；0EM的支持。

2．器件選擇的可靠性設計

單片機芯片的選擇要滿足系統(tǒng)集成的最大化要求；優(yōu)選CMOS器件：為簡化電路設計盡可能采用串行傳輸總線器件代替并行總線擴展的器件；選擇保證可靠性的專用器件，如采用電源監(jiān)控類器件、信號線路故障保護器、ESD(靜電干擾)保護器、能實現(xiàn)電源短路保護的自聚合開關等。

三、軟件系統(tǒng)的可靠性設計

在單片機應用系統(tǒng)可靠性設計中，軟件設計最主要的任務是保證在過程空間中。應用程序按照給定的順序有序運行。在高可靠性的硬件系統(tǒng)基礎上。軟件設計的可靠性保障了最少的軟件錯誤以及在軟件出錯后仍能保證系統(tǒng)正常運行或安全運行。

1．本質可靠性的軟件設計

軟件的本質可靠性是指不依靠軟件附加．最大限度減少自身錯誤及缺陷，并且要有足夠的時序余度。

單片機系統(tǒng)在CPU的控制下實現(xiàn)分時操作．程序完全依靠時序調度、切換控制。程序運行的可控不僅要求時序準確，而且要有足夠的時序余度。

第一，系統(tǒng)復位時序。多個器件復位的時序要求是主要問題。應保證MCU對外圍可編程器件的初始化在該器件復位后進行。軟件設計時，可以在系統(tǒng)上電復位后，MCU延遲片刻，確保外圍器件復位后，再對其初始化。

第二，外圍器件工作時序。對外圍器件的工作時序必須分析清楚，MCU的操作必須保證時序信號的銜接控制和時序信號的時序余度。

第三。應用系統(tǒng)的狀態(tài)轉換時序。應用系統(tǒng)中的狀態(tài)轉換有MCU運行狀態(tài)轉換、外圍器件運行狀態(tài)轉換和電源系統(tǒng)供電狀態(tài)轉換等。在程序設計中．必須考慮狀態(tài)轉換時過渡期對程序運行的影響，精心設計時序控制。通常。MCU本身的狀態(tài)轉換，都有自動監(jiān)視、自動運行管理功能，程序設計只需按MCU數(shù)據(jù)手冊及指令系統(tǒng)的操作要求進行即可。對于有較長過渡期的外圍狀態(tài)轉換，可采取足夠的延時或設置提前轉換狀態(tài)的辦法。

第四，總線時序。單片機應用系統(tǒng)中有并行總線和串行總線，這些總線在規(guī)范化操作時，其時序數(shù)據(jù)通信協(xié)議保證。在虛擬總線方式時，虛擬總線運行的可靠性在于時序的準確模擬。并行總線要保證讀、寫操作指令運行下的讀寫時序：同步串行總線要保證時鐘線控制下的同步時序；串行異步時序則要考慮波特率對數(shù)據(jù)傳送的影響。

四、結束語

單片機應用系統(tǒng)的可靠性設計涉及硬件系統(tǒng)的抗干擾設計和軟件系統(tǒng)的抗干擾設計，采取的措施多而復雜。實際應用時，應根據(jù)設計條件與目標要求，制定應用系統(tǒng)的可靠性等級，合理采用硬性可靠性措施。充分利用軟件的可靠性設計，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

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