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探討提高單片機系統可靠性方法
摘要:闡述在單片機選型、單片機系統設計以及制造工藝等方面應注意的問(wèn)題,以實(shí)現高可靠性的單片機應用系統,討論了提高系統可靠性的措施,并提出了提高系統可靠性的綜合設計方法。使系統的可靠性得到了充分的保障。
關(guān)鍵詞:單片機;可靠性;抗干擾
1 電源干擾及其抑制
單片機應用系統的可靠性是極為重要的。在影響單片機系統可靠性的諸多因素中,電源干擾可謂首屈一指。據統計,計算機應用的運行故障有90%以上是由電源噪聲引起的。
1.1 交流電源干擾及其抑制
多數情況下,單片機運用系統都使用交流220 V、50 Hz的電源供電。在工業(yè)現場(chǎng),生產(chǎn)負荷的經(jīng)常變化,大型用電設備的啟動(dòng)與停止,往往要造成電源電壓的波動(dòng),有時(shí)還會(huì )產(chǎn)生尖峰脈沖,這種高能尖峰脈沖的幅度約在50 000 V~4 000 V之間,持續時(shí)間為幾個(gè)毫秒。它對計算機應用系統影響最大,能使系統的程序“跑飛”或使系統造成“死機”。因此,一方面要使系統盡量遠離這些干擾源,另一方面要采用電源濾波器。這種濾波器是按頻譜均衡原理設計的一種無(wú)源四端網(wǎng)絡(luò )。為了提高系統供電的可靠性,還要采用交流穩壓器,防止電源的過(guò)壓和欠壓。采用1∶1隔離變壓器,防止干擾通過(guò)初次級間的電容效應進(jìn)入單片機供電系統。
1.2 直流電源抗干擾措施
1.2.1 采用高質(zhì)量集成穩壓電路單獨供電
單片機應用系統中往往需要幾種不同電壓等級的直流電源。這時(shí),可以采用相應的低紋波高質(zhì)量集成穩壓電路。每個(gè)穩壓電路單獨對電壓過(guò)載進(jìn)行保護,因此不會(huì )因某個(gè)電路出現故障使整個(gè)系統遭到破壞,而且也減少了公共阻抗的互相偶合,從而使供電系統的可靠性大大提高。
1.2.2 采用直流開(kāi)關(guān)電源
直流開(kāi)關(guān)電源是一種脈寬調制型電源。它甩掉了傳統的工頻變壓器,具有體積小、重量輕、效率高、電網(wǎng)電壓范圍寬、變化時(shí)不易輸出過(guò)電壓和欠電壓的特點(diǎn),在計算機應用系統中應用非常廣泛。這種電源一般都有幾個(gè)獨立的電壓輸出,如±5 V、±12 V、±24 V等,電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍可達220 V的 10%至-20%,同時(shí),直流開(kāi)關(guān)電源還具有較好的初、次級隔離作用。
1.2.3 采用DC-DC變換器
如果系統供電電網(wǎng)波動(dòng)較大,或者精度要求高,可以采用DC-DC變換器。DC-DC變換器的特點(diǎn)是輸入電壓范圍大、輸出電壓穩定且可調整、效率高、體積小,有多種封裝形式。在單片機應用系統中獲得了廣泛的應用。
2 地線(xiàn)干擾及其抑制
在計算機應用系統中,接地是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。接地問(wèn)題處理的正確與否,將直接影響系統的正常工作。
2.1 一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的應用
在低頻電路中,布線(xiàn)和元件間的寄生電感影響不大,因而常采用一點(diǎn)接地,以減少地線(xiàn)造成的地環(huán)路。在高頻電路中,布線(xiàn)和元件間的寄生電感及分布電容將造成各接地線(xiàn)間的偶合,影響比較突出,此時(shí)應采用多點(diǎn)接地。
通常頻率小于1 MHz時(shí),采用一點(diǎn)接地;頻率高于10 MHz時(shí),采用多點(diǎn)接地;頻率處于1 MHz~10 MHz之間時(shí),若采用一點(diǎn)接地,其地線(xiàn)長(cháng)度不應超過(guò)波長(cháng)的1/20。否則,應采用多點(diǎn)接地。
2.2 數字地與模擬地的連接原則
數字地是指TTL或CMOS芯片、I/O接口電路芯片、CPU芯片等數字邏輯電路的接地端,以及A/D、D/A轉換器的數字地。模擬地是指放大器、取樣保持器和A/D、D/A中模擬信號的接地端。在單片機系統中,數字地和模擬地應分別接地。即使是一個(gè)芯片上有兩種地也要分別接地,然后在一點(diǎn)處把兩種地連接起來(lái),否則,數字回路通過(guò)模擬電路的地線(xiàn)再返回到數字電源,將會(huì )對模擬信號產(chǎn)生影響。
2.3 印刷電路板的地線(xiàn)分布原則
TTL、CMOS器件的接地線(xiàn)要呈輻射網(wǎng)狀,避免環(huán)形;板上地線(xiàn)的寬度要根據通過(guò)的電流大小而定,最好不小于3 mm。在可能的情況下,地線(xiàn)盡量加寬;旁路電容的地線(xiàn)不要太長(cháng);功率地通過(guò)電流信號較大,地線(xiàn)應較寬,必須與小信號地分開(kāi)。
2.4 信號電纜屏蔽層的接地
信號電纜可以采用雙絞線(xiàn)和多芯線(xiàn),又有屏蔽和無(wú)屏蔽兩種情況。雙絞線(xiàn)具有抑制電磁干擾的作用,屏蔽線(xiàn)具有抑制靜電磁感應干擾的作用。
對于屏蔽線(xiàn),屏蔽層最佳的接地點(diǎn)是在信號源測(一點(diǎn)接地)。
3 其他提高系統可靠性的方法
3.1 硬件抗干擾設計
(1)選擇抗干擾性能強的CPU。單片機和單片機抗干擾能力是不一樣的。如果你的產(chǎn)品是工作在干擾比較大的環(huán)境,可以選用抗干擾能力強的單片機。
(2)數字量的光電隔離。開(kāi)關(guān)量信號實(shí)際上有不同的信號傳輸方式:①TTL電平;②RS232電平(非平衡信號);③RS485電平(平衡信號或者差分信號);④電流環(huán)路(有電流或者無(wú)電流)。
單片機的輸入輸出口線(xiàn)是最容易引進(jìn)干擾的地方;對于不使用的I/O口線(xiàn),需要使用電阻上拉到高電平,不可懸置。直接將開(kāi)關(guān)量信號接到單片機的口線(xiàn)上,是最不可取的設計;至少要加一個(gè)緩沖驅動(dòng)的芯片隔離,而且這個(gè)芯片要跟CPU盡量近;在嚴重干擾的情況下,需要將所有的口線(xiàn)采用光耦光電隔離。光耦隔離就是采用電流環(huán)路傳輸,避免在長(cháng)線(xiàn)傳輸的時(shí)候,在傳輸線(xiàn)上積累高壓和感應信號,使得數據紊亂甚至損壞TTL接口芯片,或者干擾單片機的正常運行。注意,采用光電隔離是為了信號使用電流環(huán)路傳輸,而不是使用TTL電平傳輸,這意味著(zhù),從CPU模塊的角度看,開(kāi)關(guān)量輸出、驅動(dòng)器件,如74LS244/245/07…等等,在CPU模塊這里,光耦在另外一塊電路板處;開(kāi)關(guān)量輸入,光耦在CPU模塊處,而驅動(dòng)器件在另外一塊電路板處;這樣才能形成電流環(huán)路。數字信號的電流環(huán)路的電流一般在5 mA～10 mA,根據光耦的指標而定。在工業(yè)環(huán)境下與CPU模塊相對獨立的鍵盤(pán),需要使用光耦光電隔離接入到系統中,否則極易損壞接口芯片。
(3)模擬量的光電隔離。模擬量隔離有2種方法,一種是,使用線(xiàn)性光耦,隔離模擬量;由于線(xiàn)性光耦的價(jià)格昂貴,并且線(xiàn)性區也很窄,不推薦使用。比較常用的辦法是,選用SPI接口,或者3線(xiàn)接口的AD或者DA,把數據、時(shí)鐘和使能信號,使用光耦隔離。這實(shí)際上是把模擬量的信號轉換成串行的開(kāi)關(guān)量的數據流傳輸。另一種是使用4 mA～20 mA的電流環(huán)路,但是4 mA～20 mA的芯片價(jià)格比較昂貴,而且電路也復雜。
(4)模擬量的通訊傳輸。使用一個(gè)CPU,把模擬量讀入到CPU,再通過(guò)RS485接口把數據按照通訊協(xié)議,傳輸到主CPU模塊;當然,也可以傳輸開(kāi)關(guān)量信號等。實(shí)際上,這是一個(gè)分布式的測控網(wǎng)絡(luò )的方法;多板的單片機測控系統經(jīng)常使用這種方法。
(5)獨立的“看門(mén)狗”。選用獨立的“看門(mén)狗”作為系統復位信號產(chǎn)生;當系統跑飛時(shí),由于沒(méi)有“喂狗”,“看門(mén)狗”產(chǎn)生復位信號,使得系統可以最大限度地找回跑飛前的數據,盡可能重新開(kāi)始平穩的運行。
(6)采用RS232電平傳輸。比如,機
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