单片机应用系统的可靠性设计
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《1)舞氍时系统送行自硷。 单片机系统开机盾首先对硬件及软件状态进行检测。一旦 发现不正常,进行相应的处理。
①梭测RAM:捡查RAM读写是否正常,实酝操穆是囊 RAM单元写“00I-I”,读出也应为“00H”,再向其写“FFH”,读出
也应为“FFH”。如果谈写出错,应给出RAM出错提示,等待处 理。
①选择具有抗干扰能力的单片机,以求设计出可靠性高 的系统。
②袭选择CPU敬终曩爨{孛笼其是速度较幔酶努设芯片 (如8255)时,要考虑两者的速度聪配问题及元器件莳晶缀(如 民用级、工业级还是军晶级),在软件编程时应特别注意速度匹 配问题。笔者就曾经出于软件编瑕时没有注意8031和8255速 度不嚣配这样一个细节,出现f软箨程序在仿粪器上运行蒸常, 而程序固化到EPROM上不正常的情况。
Laboratorie¥Inc.,2003.
[2] 潘琢金,施国君.c8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用[M].北 京:北京航雀航天大学出版社.2002.
2影响硬件可靠性的因素及提高硬件可靠性 的方法和技术
2.1 影晌硬律胃纛性的因素 ①硬件方案设计性缺陷或考虑不周(如接地、共地不当;长
线传输引发通信错误)。 ②pcB设静、生产、安装错误(鲡毒线不舍瑾、搏赢瘦焊)。
·约·
《藏控技拳}2008年第27卷第le裳
③系统使用环境恶劣导致系统工作不正常或器件氧化、过 早老化、瘸蚀(如温度过高或过低、湿度过毫、海边空气巾盐度 过高)。
RET
NOP;软件陷阱
NOP
秘麓P F£Y
fly:……;“跑飞”处理子程序 翼l登
(3)输出端口刷新。 由于单片机的I/O口很容易受外部信号的干扰,输出口的 状态也可能因此嚣改变。谯程痔中瘸期性地添船输出端剃薪搀 令,可以降低于撬对输出瞄状态的影响。 (4)输人多次采样。 干扰对单片枧的输入会造成采样信号瞬间的误差或误读。 瑟雄除于撬的影镌,逶章采取重复采样、攘较平趣鹣方法。毙翔 对于外部电平采样,采取软件每隔10 ms采样一次或连续读采 样若干次,可以采取表决的方法确认采样的值。为排除干扰的 影璃,可采榉3次求乎麓德,遣霹叛采取嚣次采榉、差值枣于设 定值为有效,然后求平均僚的方法。输入采样后如何进行处理 要根据具体情况和调试实际处理的结果时来确定。 (5)使用软件“看f_】狗”。 软件陷醇楚在程序运箭舞ROM斡菲法区域瞬检测程序潦 锩的方法。而“看门狗”是根据程序在运行指定时间间隔内来 进行相应的操作,即未按时复位看门狗定时器来判断程序运行 怒餐出错。在系统戎本允许粒携嚣下,疲选择专瓣豹看霜猗毫 路芯片或片内带看门狗定时器的单片机。如果条件不允许,应 设计软件“看门狗”。 (6)容锗设诗。 提高可靠馁有两种方法:一是避免敬障,另一燕进行防错性 稷序设计。前蒲是尽可能不让差错和缺陷潜入系统,后者是禚 软件中进行容错性程序设计以提高系统可靠性。
⑤为提高硬件可靠性可采用冗余技术,而同一软件的冗余 不能撼褰可靠性。
⑥软件错误怒永恒的,珂重现静,瑟一些蕊闻的硬件错误 可能会被误认为遐软件错误。
瓣开发好一个单片机应用系统并确保系统的可靠性,在系 统鬣麓帮篱求分拆除段就必缀建立浚可靠性为棱。玉豹,包摇舞 发采用的技术、实现的功能、备类文档、可靠性、可维护性、可扩 展性、用户需求满足度的质量标准。质量标准建立后,在整个开 发过程孛就要严辏实藏。
Abstract:The importance of mierocontroller application system’S reliability is introduced briefly,and the conception and the differ-
reliability玳explained ence of the hardware reliability and software
Reliability Design of Microcontroller Application System
ZHU Min,REN Jun-xin (Schod of Information Services,舞秘j魄College of Information Technology,嚣髓jing 210046,China)
Key words:microcontmlter;h矗xdwal'e reliability;software reliability;system’s reliability;software development tool
对于一个成功的单片机应用系统米说,其结果的正确性、功 麓瓣完善性麟然重要,僵系统本身酶稳定性、可靠蛙更为重娶。 狂许多项目并发过程中,濑予开发前期没有对可靠性提出鞠确 的要求,开发人员也没有襁可靠性方断花更多的精力,只注重功 能的实现、完成项目的速发和用户界鼷的友好性,瓤忽视了系统 的霹靠缝。在投入使罪麓才发瑾大繁熬虿靠经隧题,这样就增 加了项目维护的难度、工作量和成本。由于系统开发从上游刻 下游,错误的影响是发散的,所以要尽量把错误消除在开发前期 除段。
艘藕日期:2008一04—30 作者简介:朱教(19∞一)。女,江苏人,在读硕士研究生,助教。主要研究 方向为计算机披制技术;任饿断(1卯9一),舅.系统分析师,讲雌,主安研 宪穷鸯为搐恚系辘、嵌入式系统。
①硬件有老化现象。硬件老化是物理故障,是器件物理变 亿的结果,它有浴盆燕线现象;软饽不发生变纯,没有縻损现象, 没有浴盆馥线现象。
④CPU与外设器件的速度聪配存在问题(如8031CPU与 8255)。
⑤器件瑟缀选撵翔题(热是否选择本身爨骞抗予挽懿器 件,器件的等级是民用级、工业级还魁%IIIl级)。
⑥没有给系统增加抗干扰措施或使用措施不当(如受环境 于挽弓l发错误。)。 2.2提高硬件可靠憔的方法和技术
随着半导体技术的发展,单片机本身的抗千扰能力及可靠 性也在不断提毫。除选撵抗于抗熊力强的攀盼枧於,使用能抑 制干扰筹魅可靠往赢盼辅助元器l譬右韵予提离系统酶《箨健。 此外,系统在电路设计、印制电路板的设计、布线与制造丁二艺、系 统安装时肖无良好的接地等都点接影响虚用系统的町靠性。这 些技术主癸俸瑰在泼下趸方垂。
l 硬件可靠性、软件可靠性及wk.baidu.com者之间的主要 区别
1。1硬律胃纛性、软律嚣箍性及系统可靠性的概念 可靠性魁产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功
能的能力,它的概率度量称为可靠度。软件可靠性表明了一个 软{譬系统按照疆户的要求鞠设计露嚣标,撬行其魂毙鳇歪确摆 度;硬件可靠性表明了一个硬件系统接照用户的要求和设计的 网标,执行其功能的正确稷度;硬件可靠性、软件可靠性综合起 聚的体现就爨系统可靠燃。硬件或软绛窭理错误萼l起系统艘 酶,也就影响了系统的可撩性。 1.2软件可靠性与硬件可靠性的区别
dB。 实际测得的CMRR和工频抑制干扰能力远大于行业标准
中所规定的件能指标(CMRR为80 dB;工频抑制干扰能力为20 dB),达到_广脑电遥测监护系统要具备高输入阻抗、高共模抑制 比、低噪声、非线性度小、抗干扰能力强的设计要求。
7结束语
本课题通过对电路结构的精心设计和选用新器件,完成了 便携式脑电遥测I监护系统的设计。该设备可以进行16位精度 的16通道脑电信号的放大、采集和无线传输,并通过USB接口 传输给计算机,由计算机对脑电信号进行显示、分析和储存处 理。系统克服了脑电信号提取中存在的50 Hz和极化电压的干 扰,并且使患者与网电源完全隔离,达到了医疗器械安全级别的 要求。 参考文献: [1]Full speed USB,16k ISP Flash MCU family C8051F320[z].Silicon
④其他援LJ电路检测:对系统的其他接口电路,如扩展的 A/D转换电路均应进行检测。
只有各矮稔查均正常,程序方能继续执行,秀鬟|l痉提示溅 错。
(2)设置软件陷阱。 如果因卡扰导致单片“执豹指令计数器PC值出现异常,程 序魏到一謦来糟的存储空阍,系统就会出错。为院l£出现魏类 锚误,可使用软件陷阱技术。软件陷阱是指在存储器未使用的 送域加上若干空操作和戈条件跳转指令,使其指向”跑飞”处理 予磋_亭酶入疆缝薤,除程廖采雳区域终,还霹泼在程序段之蕊及 一页的末尾处插入软件陷阱,效果会更好。 下面是一段带软件陷阱的程序: main.1-…t;主程序
(节籍第鲻茭)
脑电遥测监护系统的设计
·95·
厂…i三赢}一:一: 厂…一≮孬石…~
图6脑电接收器与计算机的USB通信
图7脑电软件显示的EEG波形
6 系统性能指标测试结果与分析
性能指标是衡量脑电系统的重要指标。经测试该脑电遥测 监护系统的性能指标如F:共模抑制比(CMRR)不小于115 dB; 频率范围0.2—40 Hz;输入阻抗大于100 MQ;时间常数大于1 s;输入噪声电平小于1.8斗V。一。;工频滤波效率衰减不低于30
②稔查ROM革嚣懿蠢容:辩ROM单元梭溅主要燕梭查
ROM单元内襻的校验和。程序固化到ROM后内容是确定的。 梭验耨是唯一的。著ROM校验和出镂,应绘出出镪提示,等待 处理。
③检杳I/O口状态:酋先确定系统的I/O口谯待机状态时 的状态,然后检测单片机的I/O口在待机状态下的状态是否正 鬻。若不正霉,癯给毒窭镶提示,等待憝瑾。
②影响硬件可靠性的决定因素是设计、生产、运行的所有 过程及系统运行时间,软件可纛性的决定因素更多的是与系统 设谤、程序设计、数据输入等入为的鑫素餐关。
③硬件的纠错维护可通过修复或更换失效的系统重新恢 复功能.软件只有通过重设计。
④对硬俘霹聚臻覆防缝维护技本羧防菝障,采耀叛舞失效 部件的办法诊断故障,雨软件则不能采用这些技术。
单片机应用系统盼可靠憾设计
·89-
单片机应用系统的可靠性设计
朱敏,任俊新
(南京信怠妖她技术学院傣患鼹务学院,江苏南京210046)
摘要:瞥先简要地介绍了单片机臆用系统可靠性的重要性,并分别给出了硬件可靠性、软件可靠性的概念及其区别。然后 分别阐述了影响系统可靠性的囡素及其提高系统可靠性4个方面的对策:影响硬件方面的因索及对策;影响软件方1旃的因 素覆对惹;透蠢包括软、硬锋的襄统测试;便麓软箨秀发薰英进行秀发套程砖管壤。 关键词:筚片机;硬件可靠性;软件可靠性;系统可靠性;软件开发工兵 中图分类号:TP202.1 文献标识码:B 文章编号:1000—8829(2008)10-0089一02
respectively.then the factors and countermeasures which have
ba昏d啪.and effected the
the countermeasure for improving the system’s reliability On the four respects including the factor and 80,-
3影响软件可靠性的因素及提高软件可靠性 的方法和技术
3。l影响较谗胃鑫悛约霾素 软件W靠性比硬件可靠性更难保证,其可靠性比硬件可靠
性低一个数量级。影响软件可靠性的因素有:需求分析定义错 误(如开发者和用户对嚣求理解不同);设计错误(如算法错 误);编码错误(如变豢襁始纯错误等);受予扰弓l发的错谈(如 通信失误,程序飞掉)。 3.2提离软件可靠性的方法和技术
lution effect hardware,the factor and solution effect software,the system debug to hardware and software,the management of using
the software development tools to develop the whole coIⅡBe.a糟elaborated separately.
③设计单片机系统时采取一道的抗干扰措施。 ④PCB戆设计辩单片橇系统戆否抗于拨嫠常重要。簧本 着尽量摔制噪声源、减小噪声的传播与耦合、减小噪声的吸收这 三大原则进行规范化设计及电器规则检查。 ⑤进行系统各郝馋及整祝懿澎亿及抗震动的倒行实骏。 ⑥在硬件系统中进行关键或勃换部件的笼余设计,使褥易 损部件一鼠工作不正常其冗余部件立即工作以保证系统工作的 可靠性。
①梭测RAM:捡查RAM读写是否正常,实酝操穆是囊 RAM单元写“00I-I”,读出也应为“00H”,再向其写“FFH”,读出
也应为“FFH”。如果谈写出错,应给出RAM出错提示,等待处 理。
①选择具有抗干扰能力的单片机,以求设计出可靠性高 的系统。
②袭选择CPU敬终曩爨{孛笼其是速度较幔酶努设芯片 (如8255)时,要考虑两者的速度聪配问题及元器件莳晶缀(如 民用级、工业级还是军晶级),在软件编程时应特别注意速度匹 配问题。笔者就曾经出于软件编瑕时没有注意8031和8255速 度不嚣配这样一个细节,出现f软箨程序在仿粪器上运行蒸常, 而程序固化到EPROM上不正常的情况。
Laboratorie¥Inc.,2003.
[2] 潘琢金,施国君.c8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用[M].北 京:北京航雀航天大学出版社.2002.
2影响硬件可靠性的因素及提高硬件可靠性 的方法和技术
2.1 影晌硬律胃纛性的因素 ①硬件方案设计性缺陷或考虑不周(如接地、共地不当;长
线传输引发通信错误)。 ②pcB设静、生产、安装错误(鲡毒线不舍瑾、搏赢瘦焊)。
·约·
《藏控技拳}2008年第27卷第le裳
③系统使用环境恶劣导致系统工作不正常或器件氧化、过 早老化、瘸蚀(如温度过高或过低、湿度过毫、海边空气巾盐度 过高)。
RET
NOP;软件陷阱
NOP
秘麓P F£Y
fly:……;“跑飞”处理子程序 翼l登
(3)输出端口刷新。 由于单片机的I/O口很容易受外部信号的干扰,输出口的 状态也可能因此嚣改变。谯程痔中瘸期性地添船输出端剃薪搀 令,可以降低于撬对输出瞄状态的影响。 (4)输人多次采样。 干扰对单片枧的输入会造成采样信号瞬间的误差或误读。 瑟雄除于撬的影镌,逶章采取重复采样、攘较平趣鹣方法。毙翔 对于外部电平采样,采取软件每隔10 ms采样一次或连续读采 样若干次,可以采取表决的方法确认采样的值。为排除干扰的 影璃,可采榉3次求乎麓德,遣霹叛采取嚣次采榉、差值枣于设 定值为有效,然后求平均僚的方法。输入采样后如何进行处理 要根据具体情况和调试实际处理的结果时来确定。 (5)使用软件“看f_】狗”。 软件陷醇楚在程序运箭舞ROM斡菲法区域瞬检测程序潦 锩的方法。而“看门狗”是根据程序在运行指定时间间隔内来 进行相应的操作,即未按时复位看门狗定时器来判断程序运行 怒餐出错。在系统戎本允许粒携嚣下,疲选择专瓣豹看霜猗毫 路芯片或片内带看门狗定时器的单片机。如果条件不允许,应 设计软件“看门狗”。 (6)容锗设诗。 提高可靠馁有两种方法:一是避免敬障,另一燕进行防错性 稷序设计。前蒲是尽可能不让差错和缺陷潜入系统,后者是禚 软件中进行容错性程序设计以提高系统可靠性。
⑤为提高硬件可靠性可采用冗余技术,而同一软件的冗余 不能撼褰可靠性。
⑥软件错误怒永恒的,珂重现静,瑟一些蕊闻的硬件错误 可能会被误认为遐软件错误。
瓣开发好一个单片机应用系统并确保系统的可靠性,在系 统鬣麓帮篱求分拆除段就必缀建立浚可靠性为棱。玉豹,包摇舞 发采用的技术、实现的功能、备类文档、可靠性、可维护性、可扩 展性、用户需求满足度的质量标准。质量标准建立后,在整个开 发过程孛就要严辏实藏。
Abstract:The importance of mierocontroller application system’S reliability is introduced briefly,and the conception and the differ-
reliability玳explained ence of the hardware reliability and software
Reliability Design of Microcontroller Application System
ZHU Min,REN Jun-xin (Schod of Information Services,舞秘j魄College of Information Technology,嚣髓jing 210046,China)
Key words:microcontmlter;h矗xdwal'e reliability;software reliability;system’s reliability;software development tool
对于一个成功的单片机应用系统米说,其结果的正确性、功 麓瓣完善性麟然重要,僵系统本身酶稳定性、可靠蛙更为重娶。 狂许多项目并发过程中,濑予开发前期没有对可靠性提出鞠确 的要求,开发人员也没有襁可靠性方断花更多的精力,只注重功 能的实现、完成项目的速发和用户界鼷的友好性,瓤忽视了系统 的霹靠缝。在投入使罪麓才发瑾大繁熬虿靠经隧题,这样就增 加了项目维护的难度、工作量和成本。由于系统开发从上游刻 下游,错误的影响是发散的,所以要尽量把错误消除在开发前期 除段。
艘藕日期:2008一04—30 作者简介:朱教(19∞一)。女,江苏人,在读硕士研究生,助教。主要研究 方向为计算机披制技术;任饿断(1卯9一),舅.系统分析师,讲雌,主安研 宪穷鸯为搐恚系辘、嵌入式系统。
①硬件有老化现象。硬件老化是物理故障,是器件物理变 亿的结果,它有浴盆燕线现象;软饽不发生变纯,没有縻损现象, 没有浴盆馥线现象。
④CPU与外设器件的速度聪配存在问题(如8031CPU与 8255)。
⑤器件瑟缀选撵翔题(热是否选择本身爨骞抗予挽懿器 件,器件的等级是民用级、工业级还魁%IIIl级)。
⑥没有给系统增加抗干扰措施或使用措施不当(如受环境 于挽弓l发错误。)。 2.2提高硬件可靠憔的方法和技术
随着半导体技术的发展,单片机本身的抗千扰能力及可靠 性也在不断提毫。除选撵抗于抗熊力强的攀盼枧於,使用能抑 制干扰筹魅可靠往赢盼辅助元器l譬右韵予提离系统酶《箨健。 此外,系统在电路设计、印制电路板的设计、布线与制造丁二艺、系 统安装时肖无良好的接地等都点接影响虚用系统的町靠性。这 些技术主癸俸瑰在泼下趸方垂。
l 硬件可靠性、软件可靠性及wk.baidu.com者之间的主要 区别
1。1硬律胃纛性、软律嚣箍性及系统可靠性的概念 可靠性魁产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功
能的能力,它的概率度量称为可靠度。软件可靠性表明了一个 软{譬系统按照疆户的要求鞠设计露嚣标,撬行其魂毙鳇歪确摆 度;硬件可靠性表明了一个硬件系统接照用户的要求和设计的 网标,执行其功能的正确稷度;硬件可靠性、软件可靠性综合起 聚的体现就爨系统可靠燃。硬件或软绛窭理错误萼l起系统艘 酶,也就影响了系统的可撩性。 1.2软件可靠性与硬件可靠性的区别
dB。 实际测得的CMRR和工频抑制干扰能力远大于行业标准
中所规定的件能指标(CMRR为80 dB;工频抑制干扰能力为20 dB),达到_广脑电遥测监护系统要具备高输入阻抗、高共模抑制 比、低噪声、非线性度小、抗干扰能力强的设计要求。
7结束语
本课题通过对电路结构的精心设计和选用新器件,完成了 便携式脑电遥测I监护系统的设计。该设备可以进行16位精度 的16通道脑电信号的放大、采集和无线传输,并通过USB接口 传输给计算机,由计算机对脑电信号进行显示、分析和储存处 理。系统克服了脑电信号提取中存在的50 Hz和极化电压的干 扰,并且使患者与网电源完全隔离,达到了医疗器械安全级别的 要求。 参考文献: [1]Full speed USB,16k ISP Flash MCU family C8051F320[z].Silicon
④其他援LJ电路检测:对系统的其他接口电路,如扩展的 A/D转换电路均应进行检测。
只有各矮稔查均正常,程序方能继续执行,秀鬟|l痉提示溅 错。
(2)设置软件陷阱。 如果因卡扰导致单片“执豹指令计数器PC值出现异常,程 序魏到一謦来糟的存储空阍,系统就会出错。为院l£出现魏类 锚误,可使用软件陷阱技术。软件陷阱是指在存储器未使用的 送域加上若干空操作和戈条件跳转指令,使其指向”跑飞”处理 予磋_亭酶入疆缝薤,除程廖采雳区域终,还霹泼在程序段之蕊及 一页的末尾处插入软件陷阱,效果会更好。 下面是一段带软件陷阱的程序: main.1-…t;主程序
(节籍第鲻茭)
脑电遥测监护系统的设计
·95·
厂…i三赢}一:一: 厂…一≮孬石…~
图6脑电接收器与计算机的USB通信
图7脑电软件显示的EEG波形
6 系统性能指标测试结果与分析
性能指标是衡量脑电系统的重要指标。经测试该脑电遥测 监护系统的性能指标如F:共模抑制比(CMRR)不小于115 dB; 频率范围0.2—40 Hz;输入阻抗大于100 MQ;时间常数大于1 s;输入噪声电平小于1.8斗V。一。;工频滤波效率衰减不低于30
②稔查ROM革嚣懿蠢容:辩ROM单元梭溅主要燕梭查
ROM单元内襻的校验和。程序固化到ROM后内容是确定的。 梭验耨是唯一的。著ROM校验和出镂,应绘出出镪提示,等待 处理。
③检杳I/O口状态:酋先确定系统的I/O口谯待机状态时 的状态,然后检测单片机的I/O口在待机状态下的状态是否正 鬻。若不正霉,癯给毒窭镶提示,等待憝瑾。
②影响硬件可靠性的决定因素是设计、生产、运行的所有 过程及系统运行时间,软件可纛性的决定因素更多的是与系统 设谤、程序设计、数据输入等入为的鑫素餐关。
③硬件的纠错维护可通过修复或更换失效的系统重新恢 复功能.软件只有通过重设计。
④对硬俘霹聚臻覆防缝维护技本羧防菝障,采耀叛舞失效 部件的办法诊断故障,雨软件则不能采用这些技术。
单片机应用系统盼可靠憾设计
·89-
单片机应用系统的可靠性设计
朱敏,任俊新
(南京信怠妖她技术学院傣患鼹务学院,江苏南京210046)
摘要:瞥先简要地介绍了单片机臆用系统可靠性的重要性,并分别给出了硬件可靠性、软件可靠性的概念及其区别。然后 分别阐述了影响系统可靠性的囡素及其提高系统可靠性4个方面的对策:影响硬件方面的因索及对策;影响软件方1旃的因 素覆对惹;透蠢包括软、硬锋的襄统测试;便麓软箨秀发薰英进行秀发套程砖管壤。 关键词:筚片机;硬件可靠性;软件可靠性;系统可靠性;软件开发工兵 中图分类号:TP202.1 文献标识码:B 文章编号:1000—8829(2008)10-0089一02
respectively.then the factors and countermeasures which have
ba昏d啪.and effected the
the countermeasure for improving the system’s reliability On the four respects including the factor and 80,-
3影响软件可靠性的因素及提高软件可靠性 的方法和技术
3。l影响较谗胃鑫悛约霾素 软件W靠性比硬件可靠性更难保证,其可靠性比硬件可靠
性低一个数量级。影响软件可靠性的因素有:需求分析定义错 误(如开发者和用户对嚣求理解不同);设计错误(如算法错 误);编码错误(如变豢襁始纯错误等);受予扰弓l发的错谈(如 通信失误,程序飞掉)。 3.2提离软件可靠性的方法和技术
lution effect hardware,the factor and solution effect software,the system debug to hardware and software,the management of using
the software development tools to develop the whole coIⅡBe.a糟elaborated separately.
③设计单片机系统时采取一道的抗干扰措施。 ④PCB戆设计辩单片橇系统戆否抗于拨嫠常重要。簧本 着尽量摔制噪声源、减小噪声的传播与耦合、减小噪声的吸收这 三大原则进行规范化设计及电器规则检查。 ⑤进行系统各郝馋及整祝懿澎亿及抗震动的倒行实骏。 ⑥在硬件系统中进行关键或勃换部件的笼余设计,使褥易 损部件一鼠工作不正常其冗余部件立即工作以保证系统工作的 可靠性。