【毕业设计】单片机系统可靠性设计

此外还有公司的产品，日本几大公司的专用单片机。

在定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在个单片机统天下的垄断局面，走的是依存互补相辅相成共同发展的道路。

九十年代以后，单片机在结构上采用双或内部流水线，位数有位位位，时钟频率高达，片内带有输出监视定时器可编程计数器阵列传输调制解调器等。

芯片向高度集成化低功耗方向的发展，使得单片机在大量数据的实时处理高级通信系统数字信号处理复杂工业过程控制高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。

这类单片机有公司的，公司的，公司的。

第章硬件结构剖析单片机的内部结构图为单片机功能结构框图芯片内部集成了定时计数器和口等各功能部件，并由内部总线把这些不见连接在起。

单片机内部包含以下些功能部件个位个片内振荡器和时钟电路有掩膜，有，片内有无内可寻址的外和外控制电路两个位定时计数器个特许功能寄存器个位并行口，共条可编程端线个可编程全双工串行口个中断源，可设置成个优先级。

外时钟源外部事件计数中断控制并行口串行通信图单片机功能结构框图单片机的引脚功能程序存储器数据存储器总线扩展控制器可编程可编程全双工串行口单片机般采用双列直插封装，共个引脚，图为引脚排列图。

图为逻辑符号图。

个引脚大致可分为类电源时钟控制和引脚。

图引脚图电源芯片电源，接接地端。

时钟晶体振荡电路反相输入端和输出端。

使用内部振荡电路时外接石英晶体。

控制线控制线共有根，其中根是复用线。

所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是种功能，在种条件下是另种功能。

地址锁存允许片内编程脉冲。

功能用来锁存口送出的低位地址。

在并行扩展外存储器包括并行扩展口时，口用于分时传送低位地址和数据信号，且均为二进制数。

那么如何区分是低位地址还是位数据信号呢当信号有效时，口传送的是低位地址信号信号无效时，口传送的是位数据信号。

在信号的下降沿，锁定口传送的内容，即低位地址信号。

需要指出的是，当不执行访问外指令时，以时钟振荡频率的固定频率输出，因此信号也可作为外部芯片时钟或其他需要。

但是，当执行指令时，将跳过个脉冲。

端可驱动个门电路。

功能片内有的芯片，在编程期间，此引脚输入编程脉冲。

外读选通信号。

读外时，没个机器周期内两次有效输出。

可作为外芯片输出允许的选通信号。

在读内或读外时，无效。

可驱动个门电路。

复位备用电源。

正常工作时，端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，芯片即实现复位操作，复位后切从头开始，从开始执行指令。

功能在掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由向片内供电，以保持片内中的数据不丢失。

内外选择片内编程电源。

功能正常工作时，为内外选择端。

单片机寻址范围为，其中在片内，在片外芯片无内，全部在片外。

当保持高电平时，先访问内，但当程序计数器值超过时，将自动转向执行外中的程序。

当保持低电平时，则只访问外，不管芯片内有否内。

对芯片，片内无，因此必须接地。

功能片内有的芯片，在编程期间，此引脚用于施加编程电源。

对个控制引脚，应熟记起第功能，了解其第二功能。

严格来讲，的控制线还应该包括口的第二功能。

引脚共有个位并行端口，共个引脚口位双向口。

在不并行扩展外存储器包括并行扩展口时，口可用作双向口。

在并行扩展外存储器包括并行扩展口时，口可用于分时传送低位地址地址总线和位数据信号数据总线。

位结构如图所示。

口能驱动个门。

图口位结构口位准双向口准双向是指该口内部有固定的上拉电阻。

位结构如图所示。

口能驱动为个门。

图口位结构口位准双向口。

在不并行扩展外存储器包括并行扩展口时，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。

硬件子系统人环境特性示意图当然，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。

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提高系统设计的合理性二选用高可靠的元器件三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各类器件的速度要匹配，高低速器件不应混用各类器件的电平要匹配，器件接口应考虑电平匹配各类器件的温度性能要匹配，高低温器件不应混用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。

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，最明显的例子是机上的显卡转接卡插接不可靠经常影响用户正常使用，这点也应引起机行业的关注。

对此类，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选用可靠性等级高的元器件元器件筛选，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，采取的些可靠性措施根据硬件功能，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起布局元器件布局及引线走向符合信号传输特性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在同印制板上同组电源不翻面走线，杜绝不同电源之间交叉互扰现象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。

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起，如金属卡，涂敷高温硅橡胶等。

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。

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微波单片集成电路很好的解决了这问题。

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。

第章单片机软件可靠性设计软件可靠性设计软件是种逻辑性系统元素，具有抽象性严密性智力性持久性易出错须维护难以度量等特征，软件编制过程与人密切相关，在所难免，并具有传染性。

问题是如何使软件减少到最少，出错以后又具有定的诊错容错能力。

这是软件可靠性设计必须解决的问题。

软件子系统人环境特性示意图单片机系统软件可靠性设计的途径软件设计是造成软件运行不可靠的主要因素但设计正确的软件并不定就能可靠运行，因为软件在运行过程中还要受到来自内外的各种干扰，为此单片机系统软件可靠性设计主要有以下两条途径提高软件设计的正确性二针对人环境特性采取相应的可靠性措施。

提高软件设计的正确性认真设计在明确单片机系统各组成部分硬件地址的基础上，深刻领会汇编语言指令的功能及其对机器状态字的影响，正确划分片内的功能，认真细致的编写系统软件。

在编写过程中可借鉴软件工程的些具体作法，如按照信息流向逐级设计数据流图，编写程序时尽量增加注释语句，同时编写好软件文档，使程序易懂透明，增强软件的可读性和可维护性。

合理安排中断根据系统特点合理安排中断所完成的功能及中断的优先级，中断现场的保护和恢复，避免中断冲突，对于系统运行非常重要。

模块化结构根据系统功能将软件分成若干个模块，这样不但编程思路清楚，不易出错而且也便于阅读和调试。

恰当安排软件陷阱软件在运行过程中可能出现失控现象，例如受到干扰或程序飞逸到非程序区，这时就会的执行指令，造成内容变化。

因此在未使用的向量非程序区程序断裂点编程应用到的重要程序段埋设软件陷阱，以捕捉飞逸的程序。

恰当采用指令冗余技术在不影响实时性的前提下，同指令的反复执行，或用三选二策略进行判决，有利于消除偶然干扰，提高软件运行的可靠性。

软件消抖措施按键操作中的意外抖动经常发生，为了消除不利影响，在键处理程序中，采用延时再判的方法，能够保证人机对话可靠进行。

应用直接地址对固定寄存器区的寄存器，用代号不如用直接地址来得可靠，因此在软件设计过程中应尽量采用直接地址，避免发生误传递。

应用数字滤波技术在参数测量中，为了消除随机干扰，经常采用数字滤波技术。

比如对核测井信号采用加权平滑消除高斯噪声对井温信号采用中值滤波，或程序判断滤波，对于明显超出正常取值范围的数据予以剔除，从而提高采样的可信度。

软件容错设计软件容错设计是个困难的话题，因为它需要了解各类软件形态，进而决定具体的容错算法。

对单片机系统而言，可采取些简单的容错处理，如对于些重要参数的输入，要求用户两次确认对于非法的参数输入，单片机将自动复位。

第章调试与功能说明单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分，但是他们并不能完全分开。

般的方法是排除明显的硬件故障，再进行综合调试，排除可能的软硬件故障。

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

若切正常，方可在断电的情