增强单片机系统可靠性的软硬件设计研究

增强单片机系统可靠性的软硬件设计研究

发表时间：2019-01-08T15:13:26.530Z 来源：《电力设备》2018年第24期作者：潘焱[导读] 摘要：随着单片机系统应用的不断深入，对系统综合性能也提出更高的要求。

（身份证号码：42112719820629XXXX）摘要：随着单片机系统应用的不断深入，对系统综合性能也提出更高的要求。然而从较多工业控制中单片机的应用现状看，系统可靠性仍难以保障，究其原因在于实际设计中未做好软硬件设计，这就要求单片机系统设计中，为进一步增强其可靠性，需将更多相关技术引入其中。本文将从硬件、软件两方面着手，对可靠性设计思路进行研究。

关键词：单片机系统；可靠性设计；测试由于具有优异的性能价格比，单片机系统在通讯、工业控制和医疗等多个领域得到了应用。但随着单片机种类的不断增多，人们对单片机系统的可靠性要求也越来越高，引起了相关研究者对增强单片机系统可靠性的软硬件设计问题的重视。因此，本文从硬件设计和软件设计两个方面对单片机系统可靠性的设计问题进行了分析，以便为相关系统的设计提供一定的参考。

1、硬件可靠性设计

为了提高系统的可靠性,本系统在滤波技术、隔离技术、屏蔽技术、接地技术等方面都有专门的考虑和设计。

1.1滤波技术

电源和负载的变化、电路状态的切换以及突发的雷击等都有可能在线路上形成尖峰电流,从而产生噪声电压。该噪声电压耦合到电路中,严重时就会影响电路的正常工作。利用电容、电感的储能特性来抑制产生的噪声,称为“滤波技术”。

在本系统中,供电模块设计了前级滤波电路,有效地抑制了高频和低频噪声分量,稳定了系统电源电压。实践证明,电源部分的干扰问题解决得好对于整个系统的可靠性有着极其重要的意义。以系统使用的AT89C51单片机5V供电电压为例,滤波电路如图1所示,其中78M05为三端稳压器。

图1 前级滤波电路

1.2隔离技术

1.2.1物理隔离技术

物理隔离技术是指在单片机系统中,通过器件的合理布局和线路的合理布线,将容易产生干扰和容易被干扰的器件和线路分开或者按照合理的规则放置,将系统自身可能产生的干扰降到最低。具体来说包括:大功率、高电平器件与小功率、低电平器件隔离;模拟电路和数字电路隔离;数字信号线、模拟信号线与电源线隔离。在本系统中,包含有电机、继电器、整流桥等噪声设备,同时也含有单片机芯片、AD/DA、RAM等敏感器件。它们被限定在了各自划分的区域,保持了合适的距离,噪声设备也被放置在了电路板边缘;信号线和模拟线在各自的区域布线,不平行,不重叠。

1.2.2信号隔离技术

信号隔离技术是指通过安装中间器件来切断两个电路的直接电联系,使之相互独立不成回路,从而割断噪声从一个电路进入另一个电路的通道。在系统的供电模块,采用模拟电源设计了末级隔离电路。它承接前级滤波电路,将输入电源和输出电源完全隔离,实现独立电源供电。其中,输出电源的电压可以与输入相同,也可以不同,如图2所示。图中的SPX1117为DC/DC,输出电压大小可调。在本系统的信号传输部分,采用了光电耦合的隔离方式,对数字信号的输入、输出进行了隔离。负责光电转换的光耦,具有高隔离电阻特性,能够实现无公共地的两个不同电平数字信号的隔离传输,如图3所示。图中6N137为10MHz高速光耦。

图2 末级隔离电路图3 光电耦合隔离电路 1.3屏蔽技术

高频电源、交流电源、电器设备的火花、雷电等都能产生电磁波。当干扰源距离系统较近时,电磁波通过分布电容、分布电感耦合到悬浮回路形成干扰;当干扰源距离系统较远时,电磁波将以辐射形式构成干扰。屏蔽技术是利用金属板、金属网、金属盒等屏蔽体,通过反射和吸收电磁场来削弱进入屏蔽体内的电磁场能量,或把电磁场限制在一定空间,形成对电磁波的屏蔽作用,从而使得系统具有较高的EMC特性。在本系统中,针对以电压形式出现的干扰,考虑干扰源与电子设备之间存在的容性电场耦合,将屏蔽体以对地极低阻抗进行了良好接地,对干扰源施行了有效的电场屏蔽,如图4所示。

导率材料做屏蔽体。