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探討提高單片機(jī)系統(tǒng)可靠性方法
摘要:闡述在單片機(jī)選型、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及制造工藝等方面應(yīng)注意的問(wèn)題,以實(shí)現(xiàn)高可靠性的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),討論了提高系統(tǒng)可靠性的措施,并提出了提高系統(tǒng)可靠性的綜合設(shè)計(jì)方法。使系統(tǒng)的可靠性得到了充分的保障。
關(guān)鍵詞:單片機(jī);可靠性;抗干擾
1 電源干擾及其抑制
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性是極為重要的。在影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠性的諸多因素中,電源干擾可謂首屈一指。據(jù)統(tǒng)計(jì),計(jì)算機(jī)應(yīng)用的運(yùn)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(shù)情況下,單片機(jī)運(yùn)用系統(tǒng)都使用交流220 V、50 Hz的電源供電。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),生產(chǎn)負(fù)荷的經(jīng)常變化,大型用電設(shè)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(xù)時(shí)間為幾個(gè)毫秒。它對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)影響最大,能使系統(tǒng)的程序“跑飛”或使系統(tǒng)造成“死機(jī)”。因此,一方面要使系統(tǒng)盡量遠(yuǎn)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(shè)計(jì)的一種無(wú)源四端網(wǎng)絡(luò)。為了提高系統(tǒng)供電的可靠性,還要采用交流穩(wěn)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(jí)間的電容效應(yīng)進(jìn)入單片機(jī)供電系統(tǒng)。
1.2 直流電源抗干擾措施
1.2.1 采用高質(zhì)量集成穩(wěn)壓電路單獨(dú)供電
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中往往需要幾種不同電壓等級(jí)的直流電源。這時(shí),可以采用相應(yīng)的低紋波高質(zhì)量集成穩(wěn)壓電路。每個(gè)穩(wěn)壓電路單獨(dú)對(duì)電壓過(guò)載進(jìn)行保護(hù),因此不會(huì)因某個(gè)電路出現(xiàn)故障使整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)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(diào)制型電源。它甩掉了傳統(tǒng)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。這種電源一般都有幾個(gè)獨(dú)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(dá)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(jí)隔離作用。
1.2.3 采用DC-DC變換器
如果系統(tǒng)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(wěn)定且可調(diào)整、效率高、體積小,有多種封裝形式。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。
2 地線干擾及其抑制
在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)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(tǒng)的正常工作。
2.1 一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的應(yīng)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(diǎn)接地,以減少地線造成的地環(huán)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(shí)應(yīng)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,其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1/20。否則,應(yīng)采用多點(diǎn)接地。
2.2 數(shù)字地與模擬地的連接原則
數(shù)字地是指TTL或CMOS芯片、I/O接口電路芯片、CPU芯片等數(shù)字邏輯電路的接地端,以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)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(hào)的接地端。在單片機(jī)系統(tǒng)中,數(shù)字地和模擬地應(yīng)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(shù)字回路通過(guò)模擬電路的地線再返回到數(shù)字電源,將會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)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(wǎng)狀,避免環(huán)形;板上地線的寬度要根據(jù)通過(guò)的電流大小而定,最好不小于3 mm。在可能的情況下,地線盡量加寬;旁路電容的地線不要太長(zhǎng);功率地通過(guò)電流信號(hào)較大,地線應(yīng)較寬,必須與小信號(hào)地分開(kāi)。
2.4 信號(hào)電纜屏蔽層的接地
信號(hào)電纜可以采用雙絞線和多芯線,又有屏蔽和無(wú)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(yīng)干擾的作用。
對(duì)于屏蔽線,屏蔽層最佳的接地點(diǎn)是在信號(hào)源測(cè)(一點(diǎn)接地)。
3 其他提高系統(tǒng)可靠性的方法
3.1 硬件抗干擾設(shè)計(jì)
(1)選擇抗干擾性能強(qiáng)的CPU。單片機(jī)和單片機(jī)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(qiáng)的單片機(jī)。
(2)數(shù)字量的光電隔離。開(kāi)關(guān)量信號(hào)實(shí)際上有不同的信號(hào)傳輸方式:①TTL電平;②RS232電平(非平衡信號(hào));③RS485電平(平衡信號(hào)或者差分信號(hào));④電流環(huán)路(有電流或者無(wú)電流)。
單片機(jī)的輸入輸出口線是最容易引進(jìn)干擾的地方;對(duì)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(kāi)關(guān)量信號(hào)接到單片機(jī)的口線上,是最不可取的設(shè)計(jì);至少要加一個(gè)緩沖驅(qū)動(dòng)的芯片隔離,而且這個(gè)芯片要跟CPU盡量近;在嚴(yán)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(huán)路傳輸,避免在長(zhǎng)線傳輸?shù)臅r(shí)候,在傳輸線上積累高壓和感應(yīng)信號(hào),使得數(shù)據(jù)紊亂甚至損壞TTL接口芯片,或者干擾單片機(jī)的正常運(yùn)行。注意,采用光電隔離是為了信號(hào)使用電流環(huán)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(kāi)關(guān)量輸出、驅(qū)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(qū)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(shù)字信號(hào)的電流環(huán)路的電流一般在5 mA～10 mA,根據(jù)光耦的指標(biāo)而定。在工業(yè)環(huán)境下與CPU模塊相對(duì)獨(dú)立的鍵盤(pán),需要使用光耦光電隔離接入到系統(tǒng)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(jià)格昂貴,并且線性區(qū)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(shù)據(jù)、時(shí)鐘和使能信號(hào),使用光耦隔離。這實(shí)際上是把模擬量的信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行的開(kāi)關(guān)量的數(shù)據(jù)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(fù)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(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議,傳輸?shù)街鰿PU模塊;當(dāng)然,也可以傳輸開(kāi)關(guān)量信號(hào)等。實(shí)際上,這是一個(gè)分布式的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的方法;多板的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)常使用這種方法。
(5)獨(dú)立的“看門(mén)狗”。選用獨(dú)立的“看門(mén)狗”作為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生;當(dāng)系統(tǒng)跑飛時(shí),由于沒(méi)有“喂狗”,“看門(mén)狗”產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),使得系統(tǒng)可以最大限度地找回跑飛前的數(shù)據(jù),盡可能重新開(kāi)始平穩(wěn)的運(yùn)行。
(6)采用RS232電平傳輸。比如,機(jī)
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