發(fā)布時間：2014-07-27 06:11

        目前，大量的嵌入式系統(tǒng)均采用了單片機，并且這樣的應(yīng)用正在更進一步擴展；但是多年以來人們一直為單片機系統(tǒng)的可靠性問題所困惑。在一些要求高可靠性的控制系統(tǒng)中，這往往成為限制其應(yīng)用的主要原因。
        1.單片機系統(tǒng)的失效分析 
        一個單片機系統(tǒng)的可靠性是其自身軟硬件與其所處工作環(huán)境綜合作用的結(jié)果，因此系統(tǒng)的可靠性也應(yīng)從這兩個方面去分析與設(shè)計。對于系統(tǒng)自身而言，能不能在保證系統(tǒng)各項功能實現(xiàn)的同時，對系統(tǒng)自身運行過程中出現(xiàn)的各種干擾信號及直接來自于系統(tǒng)外部的干擾信號進行有效的抑制，是決定系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。有缺陷的系統(tǒng)往往只從邏輯上去保證系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，而對于系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的潛在的問題考慮欠缺，采取的措施不足，在干擾信號真正襲來的時候，系統(tǒng)就可能會陷入困境。
        2. 提高可靠性的措施
        2.1減少引起系統(tǒng)不可靠或影響系統(tǒng)可靠的外界因素：
        1) EFT (Ellectrical Fast Transient)技術(shù)。EFT技術(shù)是一種抗干擾技術(shù)，它是指在振蕩電路的正弦信號受到外界干擾時，其波形上會迭加各種毛刺信號，如果使用施密特電路對其整形，則毛刺會成為觸發(fā)信號干擾正常的時鐘，在交替使用施密特電路和RC濾波電路時， 就可以消除這些毛否則令其作用失效，從而保證系統(tǒng)的時鐘信號正常工作。
        2) 低噪聲布線技術(shù)及驅(qū)動技術(shù)。在傳統(tǒng)的單片機中，電源及地線是在集成電路外殼的對稱引腳上，一般是在左上、右下或右上、左下的兩對對稱點上。這樣，筆耕文化推薦期刊，就使電源噪聲穿過整塊芯片，對單片機的內(nèi)部電路造成干擾。現(xiàn)在，很多單片機都把地和電源引腳安排在兩條相鄰的引腳上。這樣，不僅降低了穿過整個芯片的電流，而且在印制電路板上容易布置去耦電容，從而降低系統(tǒng)的噪聲�，F(xiàn)在為了適應(yīng)各種應(yīng)用的需要，很多單片機采用"跳變沿軟化技術(shù)"，從而消除大電流瞬變時產(chǎn)生的噪聲。
        3) 采用低頻時鐘。高頻外時鐘是噪聲源之一，不僅能對單片機應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，而且還會對外界電路產(chǎn)生干擾，令電磁兼容性不能滿足要求。對于要求可靠性較高的系統(tǒng)，低頻外時鐘有利于降低系統(tǒng)的噪聲。在一些單片機中采用內(nèi)部瑣相環(huán)技術(shù)，則在外部時鐘較低時，也能產(chǎn)生較高的內(nèi)部總線速度，從而保證了速度又降低了噪聲。
        2.2 提高系統(tǒng)自身抗干擾能力及降低自身運行的不穩(wěn)定性
        2.2.1 用監(jiān)視定時器技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性監(jiān)視定時器(Watchdog)技術(shù)現(xiàn)在使用得非常廣泛，技術(shù)已較為成熟，這一技術(shù)的支持手段也很多。目前，各處理器的生產(chǎn)廠家?guī)缀醵荚谏�產(chǎn)內(nèi)置有看門狗定時器的單片機產(chǎn)品，市場上還有許多獨立的看門狗定時器芯片可供選擇。采用監(jiān)視定時器技術(shù)后，一旦程序跑飛，系統(tǒng)立即會被監(jiān)視定時器復(fù)位掉，從頭重新啟動系統(tǒng)，從而退出不正常的運行狀態(tài)。因此，對于采用了看門狗電路來提高可靠性的系統(tǒng)，必須嚴格保證系統(tǒng)的可重人性。對于與歷史狀態(tài)相關(guān)的系統(tǒng)，為保證其重人性能，可以把其歷史狀態(tài)保存在系統(tǒng)的RAM 中，即在單片機系統(tǒng)的內(nèi)存或其擴展的外部存儲器中，開辟出專用于保存歷史狀態(tài)的緩沖區(qū)。在確保系統(tǒng)不掉電的情況下，這些歷史數(shù)據(jù)在系統(tǒng)重人時可以被重新使用。如果不能保證系統(tǒng)的電源穩(wěn)定，還必須考慮采用備用電池供電，以保證RAM數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定；對于時間不是太敏感的系統(tǒng)，還可以采用E2PR0M 或Flash ROM 來保存歷史數(shù)據(jù)。
        2.2.2 軟件抗干擾技術(shù)
        一個系統(tǒng)可能由于存在著各種干擾及不穩(wěn)定因素而出現(xiàn)運行故障。為解決這一問題，可以從程序的設(shè)計方面采取一些措施。傳統(tǒng)的為抑制系統(tǒng)的干擾信號而經(jīng)常采用的軟件濾波技術(shù)、軟件冗余設(shè)計就是這一類的典型應(yīng)用。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，通常還可以采用軟件鎖設(shè)計、程序陷阱設(shè)計。這一類方法主要是針對程序跑飛的情況而采用的。當系統(tǒng)在干擾信號的作用下發(fā)生程序跑飛時，程序指針有可能指向兩個區(qū)域：一種可能正好轉(zhuǎn)到程序區(qū)的其他地址進行執(zhí)行，一種可能轉(zhuǎn)移到程序空間的盲區(qū)進行執(zhí)行。所謂盲區(qū)，就是說那里并沒有存放有效的程序指令。對于第一種情況，可以采取軟件鎖加以抑制。
        2.2.3 采用備份系統(tǒng)提高可靠性
        備份系統(tǒng)在許多重要控制系統(tǒng)中已被廣泛使用，但多在工控機中或較大型的系統(tǒng)中采用。備份系統(tǒng)可根據(jù)具體的情況分為在線備份系統(tǒng)和后備備份系統(tǒng)。對于在線備份系統(tǒng)，系統(tǒng)中的兩個CPU均處于工作狀態(tài)，有可能兩個CPU處在對等的位置，也可能一個處在主CPU 的位置，而另一個處在從CPU的位置。在對等的情況下，兩個CPU共同決定系統(tǒng)對外的操作，任何一個CPU 出錯都將引起對外操作的禁止。對于一主一從的情況，往往是主CPU負責系統(tǒng)控制邏輯的實現(xiàn)，而從CPU負責對主CPU的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。當監(jiān)控到主CPU工作異常時，從CPU通過強行復(fù)位主CPU等操作使主CPU恢復(fù)正常，同時，為確保從CPU工作正常，從CPU的工作狀態(tài)也被主CPU監(jiān)控；當從CPU 的工作狀態(tài)不正常時，主CPU也可采取措施使從CPU恢復(fù)正常工作，即實現(xiàn)互相監(jiān)控的目的。

 

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