單片機(jī)系統(tǒng)可靠性技術(shù)范文

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摘要摘要：本文介紹近年來(lái)單片機(jī)技術(shù)在提供系統(tǒng)可靠性方面所做的努力和發(fā)展。提醒用戶在單片機(jī)選型、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及制造工藝等方面應(yīng)注重什么，以實(shí)現(xiàn)高可靠性的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)、可靠性、電磁兼容性

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)本身的設(shè)計(jì)中不斷采用了一些新的抗干擾技術(shù)，使單片機(jī)的可靠性不斷提高。除選擇抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)外，單片機(jī)系統(tǒng)中其它輔助元器件的可靠性也至關(guān)重要，一些抑制干擾的元器件的使用有助于提高系統(tǒng)的可靠性。此外，單片機(jī)系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)、印制電路板的設(shè)計(jì)、布線和制造工藝、系統(tǒng)安裝時(shí)有無(wú)良好的接地等，都直接影響應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。

單片機(jī)自身的抗干擾辦法

為提高單片機(jī)本身的可靠性。近年來(lái)單片機(jī)的制造商在單片機(jī)設(shè)計(jì)上采取了一系列辦法以期提高可靠性。這些技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1.降低外時(shí)鐘頻率

外時(shí)鐘是高頻的噪聲源，除能引起對(duì)本應(yīng)用系統(tǒng)的干擾之外，還可能產(chǎn)生對(duì)外界的干擾，使電磁兼容檢測(cè)不能達(dá)標(biāo)。在對(duì)系統(tǒng)可靠性要求很高的應(yīng)用系統(tǒng)中，選用頻率低的單片機(jī)是降低系統(tǒng)噪聲的原則之一。以8051單片機(jī)為例，最短指令周期1μs時(shí)，外時(shí)鐘是12MHz。而同樣速度的Motorola單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘只需4MHz，更適合用于工控系統(tǒng)。近年來(lái)，一些生產(chǎn)8051兼容單片機(jī)的廠商也采用了一些新技術(shù)，在不犧牲運(yùn)算速度的前提下將對(duì)外時(shí)鐘的需求降至原來(lái)的1/3。而Motorola單片機(jī)在新推出的68HC08系列以及其16/32位單片機(jī)中普遍采用了內(nèi)部瑣相環(huán)技術(shù)，將外部時(shí)鐘頻率降至32KHz，而內(nèi)部總線速度卻提高到8MHz乃至更高。

2.低噪聲系列單片機(jī)

傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)中，在電源、地的引出上通常將其布置在對(duì)稱的兩邊。如左下角是地，右下角是電源。這使得電源噪聲穿過(guò)整個(gè)硅片。改進(jìn)的技術(shù)將電源、地布置在兩個(gè)相鄰的引腳上，這樣一方面降低了穿過(guò)整個(gè)硅片的電流，一方面使外部去耦電容在PCB設(shè)計(jì)上更輕易布置，以降低系統(tǒng)噪聲。另一個(gè)在集成電路設(shè)計(jì)上降低噪聲的例子是驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。一些單片機(jī)提供若干個(gè)大電流的輸出引腳，從幾十毫安到數(shù)百毫安。這些大功率的驅(qū)動(dòng)電路集成到單片機(jī)內(nèi)部無(wú)疑增加了噪聲源。而跳變沿的軟化技術(shù)可消除這方面的影響，辦法是將一個(gè)大功率管做成若干個(gè)小管子的并聯(lián)，再為每個(gè)管子輸出端串上不同等效阻值的電阻。以降低di/dt。

3.時(shí)鐘監(jiān)測(cè)電路、看門狗技術(shù)和低電壓復(fù)位

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘停振時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)以恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘，是單片機(jī)提高系統(tǒng)可靠性的辦法之一。而時(shí)鐘監(jiān)控有效和省電指令STOP是一對(duì)矛盾。只能使用其中之一。

看門狗技術(shù)是監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序中的一段定時(shí)中斷服務(wù)程序的運(yùn)行狀況，當(dāng)這段程序不工作時(shí)判定為系統(tǒng)故障，從而產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位。

低電壓復(fù)位技術(shù)是監(jiān)測(cè)單片機(jī)電源電壓，當(dāng)電壓低于某一值時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。由于單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)本身對(duì)電源電壓范圍的要求越來(lái)越寬。電源電壓從當(dāng)初的5V降至3.3V并繼續(xù)下降到2.7V、2.2V、1.8V。在是否使用低電壓復(fù)位功能時(shí)應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況權(quán)衡一下。

4.EFT技術(shù)

新近推出的MotorolaM68HC08系列單片機(jī)采用EFT(ElectricalFastTransient)技術(shù)進(jìn)一步提高了單片機(jī)的抗干擾能力。當(dāng)振蕩電路的正弦波信號(hào)受到外界干擾時(shí)，其波形上會(huì)疊加一些毛刺。以施密特電路對(duì)其整形時(shí)，這種毛刺會(huì)成為觸發(fā)信號(hào)干擾正常的時(shí)鐘信號(hào)。交替使用施密特電路和RC濾波可以使這類毛刺不起功能，這就是EFT技術(shù)。隨著VLSI技術(shù)的不斷發(fā)展，電路內(nèi)部的抗干擾技術(shù)也在不斷發(fā)展之中。

5.軟件方面的辦法

單片機(jī)本身在指令設(shè)計(jì)上也有一些抗干擾的考慮。非法指令復(fù)位或非法指令中斷是當(dāng)運(yùn)行程序時(shí)碰到非法指令或非法尋址空間能產(chǎn)生復(fù)位或中斷。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序是事先寫好的，不可能有非法指令或?qū)ぶ贰Ｒ欢ㄊ窍到y(tǒng)受到干擾，CPU讀指令時(shí)出錯(cuò)了。

以上提到的是當(dāng)前廣泛使用的單片機(jī)應(yīng)該具有的內(nèi)部抗干擾辦法。在選用單片機(jī)時(shí)，要檢查一下這些性能是否都有，以求設(shè)計(jì)出可靠性高的系統(tǒng)。

在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)者都有各自的經(jīng)驗(yàn)。這里要提醒的是最后對(duì)不用的ROM要做處理。原則是萬(wàn)一程序落到這里可以自恢復(fù)。

用于單片機(jī)系統(tǒng)的干擾抑制元件

1.去耦電容

每個(gè)集成電路的電源、地之間應(yīng)配置一個(gè)去耦電容，它可以濾掉來(lái)自電源的高頻噪聲。作為儲(chǔ)能元件，它吸收或提供該集成電路內(nèi)部三極管導(dǎo)通、截止引起的電流變化(di/dt)，從而降低系統(tǒng)噪聲。要選高頻特性好的獨(dú)石電容或瓷片電容作去耦電容。每塊印制電路板電源引入的地方要安放一只大容量的儲(chǔ)能電容。由于電解電容的纏繞式結(jié)構(gòu)，其分布電感較大，對(duì)濾除高頻干擾信號(hào)幾乎不起功能。使用時(shí)要和去耦電容成對(duì)使用。鉭電容則比電解電容效果更好。

2.抑制高頻的電感

用粗漆包線穿入軸向有幾個(gè)孔的鐵氧體芯，就構(gòu)成了高頻扼制器件。將其串入電源線或地線中可阻止高頻信號(hào)從電源/地線引入。這種元件非凡適用于隔開一塊印制電路板上的模擬電路區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、以及大功率驅(qū)動(dòng)區(qū)的供電。應(yīng)該注重的是它必須放在該區(qū)儲(chǔ)能電容和電源之間而不能放在儲(chǔ)能電容和用電器件之間。

3.自恢復(fù)保險(xiǎn)絲

這是用一種新型高分子聚合材料制成的器件，當(dāng)電流低于其額定值時(shí)，它的直流電阻只有零點(diǎn)幾歐。而電流大到一定程度，它的阻值迅速升高，引起發(fā)熱，而越熱電阻越大，從而阻斷電源電流。當(dāng)溫度降下來(lái)以后能自動(dòng)恢復(fù)正常。這種器件可防止CMOS器件在碰到強(qiáng)沖擊型干擾時(shí)引起所謂“可控硅觸發(fā)”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象指集成電路硅片的基體變得導(dǎo)通，從而引起電流增大，導(dǎo)致CMOS集成電路發(fā)熱乃至燒毀。

4.防雷擊器件

室外使用的單片機(jī)系統(tǒng)或電源線、信號(hào)線從室外架空引入室內(nèi)的，要考慮系統(tǒng)的防雷擊新問(wèn)題。常用的防雷擊器件有摘要：氣體放電管，TVS(TransientVoltageSupervention)等，氣體放電管是當(dāng)電源電壓大于某一值時(shí)，通常為數(shù)十伏或數(shù)百伏，氣體擊穿放電，將電源線上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)入大地，TVS可以看成兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當(dāng)電兩端電壓高于某一額定值時(shí)導(dǎo)通。其特征是可以瞬態(tài)通過(guò)數(shù)百乃至上千安培的電流。這類元器件要和抗共模和抗差模干擾的電感配合使用以提高抗干擾效果。

提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段

1.接地

這里的接地指接大地，也稱作保護(hù)地。為單片機(jī)系統(tǒng)提供良好的地線，對(duì)提高系統(tǒng)的抗干擾能力極為有益。非凡是對(duì)有防雷擊要求的系統(tǒng)，良好的接地至關(guān)重要。上面提到的一系列抗干擾元件，意在將雷擊、浪涌式干擾以及快脈沖群干擾去除，而去除的方法都是將干擾引入大地，假如系統(tǒng)不接地，或雖有地線但接地電阻過(guò)大，則這些元件都不能發(fā)揮功能。為單片機(jī)供電的電源的地俗稱邏輯地，它們和大地的地的關(guān)系可以相通、浮空、或接一電阻，要視應(yīng)用場(chǎng)合而定。不能把地線隨便接在暖氣管子上。絕對(duì)不能把接地線和動(dòng)力線的火線、零線中的零線混淆。

2.隔離和屏蔽

典型的信號(hào)隔離是光電隔離。使用光電隔離器件將單片機(jī)的輸入輸出隔離開，一方面使干擾信號(hào)不得進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，另一方面單片機(jī)系統(tǒng)本身的噪聲也不會(huì)以傳導(dǎo)的方式傳播出去。屏蔽則是用來(lái)隔離空間輻射的，對(duì)噪聲非凡大的部件，如開關(guān)電源，用金屬盒罩起來(lái)，可減少噪聲源對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾。對(duì)非凡怕干擾的模擬電路，如高靈敏度的弱信號(hào)放大電路可屏蔽起來(lái)。而重要的是金屬屏蔽本身必須接真正的地。

3.濾波

濾波指各類信號(hào)按頻率特性分類并控制它們的方向。常用的有各種低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器。低通濾波器用在接入的交流電源線上，旨在讓50周的交流電順利通過(guò)，將其它高頻噪聲導(dǎo)入大地。低通濾波器的配置指標(biāo)是插入損耗，選擇的低通濾波器插入損耗過(guò)低起不到抑制噪聲的功能，而過(guò)高的插入損耗會(huì)導(dǎo)致“漏電”，影響系統(tǒng)的人身平安性。高通、帶通濾波器則應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)的處理要求選擇使用。

印制電路板的布線和工藝

印制電路板的設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)能否抗干擾非常重要。要本著盡量控制噪聲源、盡量減小噪聲的傳播和耦合，盡量減小噪聲的吸收這三大原則設(shè)計(jì)印制電路板和布線。當(dāng)你設(shè)計(jì)單片機(jī)用印制電路板時(shí)，不仿對(duì)照下面的條條檢查一下。

印制電路板要合理區(qū)分，單片機(jī)系統(tǒng)通常可分三區(qū)，即模擬電路區(qū)(怕干擾)，數(shù)字電路區(qū)(即怕干擾、又產(chǎn)生干擾)，功率驅(qū)動(dòng)區(qū)（干擾源）。

印刷板按單點(diǎn)接電源、單點(diǎn)接地原則送電。三個(gè)區(qū)域的電源線、地線由該點(diǎn)分三路引出。噪聲元件和非噪聲元件要離得遠(yuǎn)一些。

時(shí)鐘振蕩電路、非凡高速邏輯電路部分用地線圈起來(lái)。讓四周電場(chǎng)趨近于零。

I/O驅(qū)動(dòng)器件、功率放大器件盡量靠近印刷板的邊，靠近引出接插件。

能用低速的就不用高速的,高速器件只用在關(guān)鍵的地方。

使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率的時(shí)鐘，時(shí)鐘產(chǎn)生器要盡量靠近用到該時(shí)鐘的器件。

石英晶體振蕩器外殼要接地，時(shí)鐘線要盡量短，且不要引得到處都是。

使用450的折線布線，不要使用900折線,以減小高頻信號(hào)的發(fā)射。

單面板、雙面板，電源線、地線要盡量的粗。信號(hào)線的過(guò)孔要盡量少。

4層板比雙面板噪聲低20dB。6層板比4層板噪聲低10dB。經(jīng)濟(jì)條件答應(yīng)時(shí)盡量用多層板。

關(guān)鍵的線盡量短并要盡量粗，并在兩邊加上保護(hù)地。將敏感信號(hào)和噪聲場(chǎng)帶信號(hào)通過(guò)一條扁帶電纜引出的話，要用地線-信號(hào)-地線......的方式引出。

石英振蕩器下面、噪聲敏感器件下面要加大地的面積而不應(yīng)該走其它信號(hào)線。

任何信號(hào)線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應(yīng)盡量小。

時(shí)鐘線垂直于I/O線比平行于I/O線干擾小，時(shí)鐘線要遠(yuǎn)離I/O線。

對(duì)A/D類器件，數(shù)字部分和模擬部分寧可繞一下也不要交叉。噪聲敏感線不要和高速線、大電流線平行。

單片機(jī)及其它IC電路，如有多個(gè)電源、地端的話，每端都要加一個(gè)去耦電容。

單片機(jī)不用的I/O端口要定義成輸出。

每個(gè)集成電路要加一個(gè)去耦電容，要選高頻信號(hào)好的獨(dú)石電容式瓷片電容作去耦電容。去耦電容焊在印制電路板上時(shí)，引腳要盡量短。

從高噪聲區(qū)來(lái)的信號(hào)要加濾波。繼電器線圈處要加放電二極管。可以用串一個(gè)電阻的辦法來(lái)軟化I/O線的跳變沿或提供一定的阻尼。

用大容量的鉭電容或聚脂電容而不用電解電容作電路充電的儲(chǔ)能電容。因?yàn)殡娊怆娙莘植茧姼休^大，對(duì)高頻無(wú)效。使用電解電容時(shí)要和高特性好的去耦電容成對(duì)使用。

需要時(shí)，電源線、地線上可加用銅線繞制鐵氧體而成的高頻扼流器件阻斷高頻噪聲的傳導(dǎo)。

弱信號(hào)引出線、高頻、大功率引出電纜要加屏蔽。引出線和地線要絞起來(lái)。

印刷板過(guò)大、或信號(hào)線頻率過(guò)高，使得線上的延遲時(shí)間大于等于信號(hào)上升時(shí)間時(shí)，該線要按傳輸線處理，要加終端匹配電阻。

盡量不要使用IC插座，把IC直接焊在印刷板上，IC座有較大的分布電容。