毕业论文 单片机系统可靠性设计(6)

第2章 单片机Whatchdog技术

4.软硬件结合的watchdog技术

硬件“看门狗”技术能有效监视程序陷入死循环故障，但对中断关闭故障无能为力；软件“看门狗”技术对高级中断服务程序陷入死循环无能为力。在实际应用中，可以将硬件“看门狗”与软件“看门狗”同时使用。实践证明，将两者结合起来后，程序的可靠性会大大提高。

综上所述，单片机系统由于受到严重干扰而使程序“跑飞”、陷入“死循环”或中断关闭等故障时，可以通过指令冗余技术、软件陷阱技术和“看门狗”技术等，使程序纳入正轨。若因故障而复位进入0000H后，系统要执行辨别上电方式、RAM数据的检查与恢复和清除中断激活标志等一系列操作，然后根据功能模块的运行标志，确定入口地址。

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第3章 单片机硬件可靠性设计思想及设计

3.1 可靠性设计思想

根据可靠性理论和人机工程学原理，任何单片机系统都可以划分为人、硬件、软件、环境 + 个子系统，其中，硬件是单片机系统的基础，软件则是单片机系统的灵魂；硬件、软件必须适应人和环境的要求。因此，单片机系统可靠性设计的思路主要以故障为核心，根据人—环境特性，分别从硬件、软件两个方面展开避错设计和容错设计。在工程实践中，避错设计主要以抗干扰设计为内容，通过采取适当的抗干扰措施，使系统免受各种干扰因素的影响而正常运行；容错设计则更进一步，对一些无法避免的错误，通过适当的诊错容错，使系统仍能正常运行，主要以故障诊断和处理为内容。因此，单片机系统可靠性设计主要包括避错设计、容错设计、合理性设计、环境适应性设计，内容虽有交叉但各有侧重，这几个方面的完美组合是一个单片机系统可靠运行的有力保障。

3.2可靠性设计

3.2.1 单片机硬件子系统人—环境特性

单片机在石油测井行业的应用主要集中在数据采集和处理方面，如下井仪数据采集与传输、地面仪数据采集与处理等等，这些应用要经受恶劣环境的考验，单片机硬件子系统人—环境特性可归纳为下图所示内容。

图3-1 硬件子系统人—环境特性示意图

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第3章 单片机硬件可靠性设计思想及设计

当然，单片机系统应用现场的环境干扰是客观存在的，也不可能彻底消除，只有当干扰因素对单片机系统可靠运行构成威胁时，才必须采取适当的措施进行隔离、滤除和屏蔽。

3.2.2单片机系统硬件可靠性设计的途径

单片机系统硬件可靠性设计主要有以下三条途径： 1）提高系统设计的合理性； 2）选用高可靠的元器件；

3）针对人—环境特性采取相应的可靠性措施。 提高系统设计的合理性

1）各类器件的速度要匹配，高、低速器件不应混用； 2）各类器件的电平要匹配，器件接口应考虑电平匹配； 3）各类器件的温度性能要匹配，高、低温器件不应混用；

4）各类器件的可靠性等级要匹配，不同可靠性等级的器件不应混用； 5）合理选用系统时钟；在满足实时性要求的前提下，选用较低的系统时钟，可以降低对其它元器件的速度要求，有利于提高硬件运行的可靠性，工业上常用！石油测井行业下井仪数据采集及遥传通信已用到。

6）合理设计系统结构，如器件的安装结构、连接件的选型、布局。

目前，单片机系统的主机板、接口板、键盘板之间的相互连接要通过总线

板上的插槽，这些插槽及印制板引线、制板工艺严重影响系统的可靠性，最明显的例子是 0( 机上的显卡、(01 转接卡插接不可靠经常影响用户正常使用，这一点也应引起 0( 机行业的关注。对此类错误，可通过减少中间环节的方法，或不用插槽而改为带卡紧装置的插头、插座等措施加以避免。 选用高可靠的元器件；

1）选用可靠性等级高的元器件；

2）元器件筛选，从而分级分类使用元器件。针对人—环境特性采取的可靠性措施针对各种干扰源，采取相应的抗干扰措施，有关单片机应用系统设计的文献论述较多，比如电源抗干扰问题、接 地 问 题，传 输 线 抗 干 扰 问 题，电磁干扰问题，没有必要在此重复。文章主要介绍在研制单片机测井仪时，采取的一些可靠性措施：

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3）根据硬件功能，在具体实现上进行模块化布局，包括板级和印制板内部单元电路两个层次；比如将测量不同参数（井温、核测井信号）的电路划分成不同的接口板；在板内又尽可能将模拟电路和数字电路各自集中在一起布局； 4）元器件布局及引线走向符合信号传输特性；

5）印制板电源入口处增加大、小容量电容滤除低、高频电源干扰；

6）在同一印制板上同一组电源不翻面走线，杜绝不同电源之间交叉互扰现象； 7）所集成芯片供电引脚最近的地方设计去藕电容，能够确保集成芯片可靠地工作； 8）在模拟输出通道上加装调零电路，可有效地抑制输出零漂； 针对人—环境特性采取相应的可靠性措施

1）抗振设计：为了适应强振动环境，抗振设计已经得到了普遍重视。也可借鉴工控计算机上采用的一些抗振设计措施，对器件的安装方式进行合理设计，增强单片机系统的抗振能力。

2） 插拔器件：单片机系统中插拔器件较多，防止这类器件从插座脱落非常重要，除了选用性能较好的插座之外，可采取措施使器件与插座成为一起，如金属卡，涂敷高温硅橡胶等。

3）系统低功耗设计：为了适应高温环境，加装保温瓶和系统低功耗设计是两条

有效途径。在下井仪中应用的单片机系统，安装空间有限，散热条件恶劣，简化设计、采用低功耗高集成度元器件的要求更为突出。所用 (01 及其它器件至少要达到军品级，否则就无法正常工作。因此用最小系统完成所需功能就成为必然选择。

4）辐射效应：微电子器件受到辐射后会引起表面翻转及其相关的漏电流发生，航天和通讯领域应用的839: 微波单片集成电路很好的解决了这一问题。目前，石油测井行业还未见辐射效应影响系统可靠性的报道，但同类器件在石油测井行业应用时，对辐射屏蔽应有所考虑。

3.3 硬件系统的调试

拿到电路板后，首先要检查加工质量，并确保没有任何方面的错误，如短路和断路，尤其要避免电源短路；元器件在安装前要逐一检查，用万用表测其数值，看

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第3章 单片机硬件可靠性设计思想及设计

是否与所用相同；完成焊接后，应先空载上电（芯片座上不插芯片），并检查各引脚的电位是否正确。若一切正常，方可在断电的情况下将芯片插入，再次检查各引脚的电位及其逻辑关系。将万用表的探针放到单片机接电源的引脚上检测一下，看是否符合要求。

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