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題,以實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。在工業現場,生產負荷的經常變化,大型用電設備的啟動與停止,往往要造成電源電壓的波動,有時還會產生尖峰脈沖,這種高能尖峰脈沖的幅度約在50 000 V~4 000 V之間,持續時間為幾個毫秒。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源四端網絡。為了提高系統供電的可靠性,還要采用交流穩壓器,防止電源的過壓和欠壓。采用1∶1隔離變壓器,防止干擾通過初次級間的電容效應進入單片機供電系統。
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,可以采用相應的低紋波高質量集成穩壓電路。每個穩壓電路單獨對電壓過載進行保護,因此不會因某個電路出現故障使整個系統遭到破壞,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 采用直流開關電源
直流開關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、電網電壓范圍寬、變化時不易輸出過電壓和欠電壓的特點,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獨立的電壓輸出,如±5 V、±12 V、±24 V等,電網電壓波動范圍可達220 V的 10%至-20%,同時,直流開關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
如果系統供電電網波動較大,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 地線干擾及其抑制
在計算機應用系統中,接地是一個非常重要的問題。接地問題處理的正確與否,將直接影響系統的正常工作。
2.1 一點接地和多點接地的應用
在低頻電路中,布線和元件間的寄生電感影響不大,因而常采用一點接地,以減少地線造成的地環路。在高頻電路中,布線和元件間的寄生電感及分布電容將造成各接地線間的偶合,影響比較突出,此時應采用多點接地。
通常頻率小于1 MHz時,采用一點接地;頻率高于10 MHz時,采用多點接地;頻率處于1 MHz~10 MHz之間時,若采用一點接地,其地線長度不應超過波長的1/20。否則,應采用多點接地。
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。即使是一個芯片上有兩種地也要分別接地,然后在一點處把兩種地連接起來,否則,數字回路通過模擬電路的地線再返回到數字電源,將會對模擬信號產生影響。
2.3 印刷電路板的地線分布原則
TTL、CMOS器件的接地線要呈輻射網狀,避免環形;板上地線的寬度要根據通過的電流大小而定,最好不小于3 mm。在可能的情況下,地線盡量加寬;旁路電容的地線不要太長;功率地通過電流信號較大,地線應較寬,必須與小信號地分開。
2.4 信號電纜屏蔽層的接地
信號電纜可以采用雙絞線和多芯線,又有屏蔽和無屏蔽兩種情況。雙絞線具有抑制電磁干擾的作用,屏蔽線具有抑制靜電磁感應干擾的作用。
對于屏蔽線,屏蔽層最佳的接地點是在信號源測(一點接地)。
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。如果你的產品是工作在干擾比較大的環境,可以選用抗干擾能力強的單片機。
(2)數字量的光電隔離。開關量信號實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電流環路(有電流或者無電流)。
單片機的輸入輸出口線是最容易引進干擾的地方;對于不使用的I/O口線,需要使用電阻上拉到高電平,不可懸置。直接將開關量信號接到單片機的口線上,是最不可取的設計;至少要加一個緩沖驅動的芯片隔離,而且這個芯片要跟CPU盡量近;在嚴重干擾的情況下,需要將所有的口線采用光耦光電隔離。光耦隔離就是采用電流環路傳輸,避免在長線傳輸的時候,在傳輸線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路傳輸,而不是使用TTL電平傳輸,這意味著,從CPU模塊的角度看,開關量輸出、驅動器件,如74LS244/245/07…等等,在CPU模塊這里,光耦在另外一塊電路板處;開關量輸入,光耦在CPU模塊處,而驅動器件在另外一塊電路板處;這樣才能形成電流環路。數字信號的電流環路的電流一般在5 mA～10 mA,根據光耦的指標而定。在工業環境下與CPU模塊相對獨立的鍵盤,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,使用線性光耦,隔離模擬量;由于線性光耦的價格昂貴,并且線性區也很窄,不推薦使用。比較常用的辦法是,選用SPI接口,或者3線接口的AD或者DA,把數據、時鐘和使能信號,使用光耦隔離。這實際上是把模擬量的信號轉換成串行的開關量的數據流傳輸。另一種是使用4 mA～20 mA的電流環路,但是4 mA～20 mA的芯片價格比較昂貴,而且電路也復雜。
(4)模擬量的通訊傳輸。使用一個CPU,把模擬量讀入到CPU,再通過RS485接口把數據按照通訊協議,傳輸到主CPU模塊;當然,也可以傳輸開關量信號等。實際上,這是一個分布式的測控網絡的方法;多板的單片機測控系統經常使用這種方法。
(5)獨立的“看門狗”。選用獨立的“看門狗”作為系統復位信號產生;當系統跑飛時,由于沒有“喂狗”,“看門狗”產生復位信號,使得系統可以最大限度地找回跑飛前的數據,盡可能重新開始平穩的運行。
(6)采用RS232電平傳輸。比如,機
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