單片機系統可靠性技術發展論文

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摘要：本文介紹近年來單片機技術在提供系統可靠性方面所做的努力與發展。提醒用戶在單片機選型、單片機應用系統設計以及制造工藝等方面應注意什么，以實現高可靠性的單片機應用系統。

關鍵詞：單片機、可靠性、電磁兼容性

隨著半導體技術的飛速發展，單片機本身的設計中不斷采用了一些新的抗干擾技術，使單片機的可靠性不斷提高。除選擇抗干擾能力強的單片機外，單片機系統中其它輔助元器件的可靠性也至關重要，一些抑制干擾的元器件的使用有助于提高系統的可靠性。此外，單片機系統在電路設計、印制電路板的設計、布線與制造工藝、系統安裝時有無良好的接地等，都直接影響應用系統的可靠性。

單片機自身的抗干擾措施

為提高單片機本身的可靠性。近年來單片機的制造商在單片機設計上采取了一系列措施以期提高可靠性。這些技術主要體現在以下幾方面。

1.降低外時鐘頻率

外時鐘是高頻的噪聲源，除能引起對本應用系統的干擾之外，還可能產生對外界的干擾，使電磁兼容檢測不能達標。在對系統可靠性要求很高的應用系統中，選用頻率低的單片機是降低系統噪聲的原則之一。以8051單片機為例，最短指令周期1μs時，外時鐘是12MHz。而同樣速度的Motorola單片機系統時鐘只需4MHz，更適合用于工控系統。近年來，一些生產8051兼容單片機的廠商也采用了一些新技術，在不犧牲運算速度的前提下將對外時鐘的需求降至原來的1/3。而Motorola單片機在新推出的68HC08系列以及其16/32位單片機中普遍采用了內部瑣相環技術，將外部時鐘頻率降至32KHz，而內部總線速度卻提高到8MHz乃至更高。

2.低噪聲系列單片機

傳統的集成電路設計中，在電源、地的引出上通常將其安排在對稱的兩邊。如左下角是地，右下角是電源。這使得電源噪聲穿過整個硅片。改進的技術將電源、地安排在兩個相鄰的引腳上，這樣一方面降低了穿過整個硅片的電流，一方面使外部去耦電容在PCB設計上更容易安排，以降低系統噪聲。另一個在集成電路設計上降低噪聲的例子是驅動電路的設計。一些單片機提供若干個大電流的輸出引腳，從幾十毫安到數百毫安。這些大功率的驅動電路集成到單片機內部無疑增加了噪聲源。而跳變沿的軟化技術可消除這方面的影響，辦法是將一個大功率管做成若干個小管子的并聯，再為每個管子輸出端串上不同等效阻值的電阻。以降低di/dt。

3.時鐘監測電路、看門狗技術與低電壓復位

監測系統時鐘，當發現系統時鐘停振時產生系統復位信號以恢復系統時鐘，是單片機提高系統可靠性的措施之一。而時鐘監控有效與省電指令STOP是一對矛盾。只能使用其中之一。

看門狗技術是監測應用程序中的一段定時中斷服務程序的運行狀況，當這段程序不工作時判斷為系統故障，從而產生系統復位。

低電壓復位技術是監測單片機電源電壓，當電壓低于某一值時產生復位信號。由于單片機技術的發展，單片機本身對電源電壓范圍的要求越來越寬。電源電壓從當初的5V降至3.3V并繼續下降到2.7V、2.2V、1.8V。在是否使用低電壓復位功能時應根據具體應用情況權衡一下。

4.EFT技術

新近推出的MotorolaM68HC08系列單片機采用EFT(ElectricalFastTransient)技術進一步提高了單片機的抗干擾能力。當振蕩電路的正弦波信號受到外界干擾時，其波形上會疊加一些毛刺。以施密特電路對其整形時，這種毛刺會成為觸發信號干擾正常的時鐘信號。交替使用施密特電路和RC濾波可以使這類毛刺不起作用，這就是EFT技術。隨著VLSI技術的不斷發展，電路內部的抗干擾技術也在不斷發展之中。

5.軟件方面的措施

單片機本身在指令設計上也有一些抗干擾的考慮。非法指令復位或非法指令中斷是當運行程序時遇到非法指令或非法尋址空間能產生復位或中斷。單片機應用系統程序是事先寫好的，不可能有非法指令或尋址。一定是系統受到干擾，CPU讀指令時出錯了。

以上提到的是當前廣泛使用的單片機應該具有的內部抗干擾措施。在選用單片機時，要檢查一下這些性能是否都有，以求設計出可靠性高的系統。

在應用軟件設計方面，設計者都有各自的經驗。這里要提醒的是最后對不用的ROM要做處理。原則是萬一程序落到這里可以自恢復。

用于單片機系統的干擾抑制元件

1.去耦電容

每個集成電路的電源、地之間應配置一個去耦電容，它可以濾掉來自電源的高頻噪聲。作為儲能元件，它吸收或提供該集成電路內部三極管導通、截止引起的電流變化(di/dt)，從而降低系統噪聲。要選高頻特性好的獨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能電容。由于電解電容的纏繞式結構，其分布電感較大，對濾除高頻干擾信號幾乎不起作用。使用時要與去耦電容成對使用。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孔的鐵氧體芯，就構成了高頻扼制器件。將其串入電源線或地線中可阻止高頻信號從電源/地線引入。這種元件特別適用于隔開一塊印制電路板上的模擬電路區、數字電路區、以及大功率驅動區的供電。應該注意的是它必須放在該區儲能電容與電源之間而不能放在儲能電容與用電器件之間。

3.自恢復保險絲

這是用一種新型高分子聚合材料制成的器件，當電流低于其額定值時，它的直流電阻只有零點幾歐。而電流大到一定程度，它的阻值迅速升高，引起發熱，而越熱電阻越大，從而阻斷電源電流。當溫度降下來以后能自動恢復正常。這種器件可防止CMOS器件在遇到強沖擊型干擾時引起所謂“可控硅觸發”現象。這種現象指集成電路硅片的基體變得導通，從而引起電流增大，導致CMOS集成電路發熱乃至燒毀。室外使用的單片機系統或電源線、信號線從室外架空引入室內的，要考慮系統的防雷擊問題。常用的防雷擊器件有：氣體放電管，TVS(TransientVoltageSupervention)等，氣體放電管是當電源電壓大于某一值時，通常為數十伏或數百伏，氣體擊穿放電，將電源線上強沖擊脈沖導入大地，TVS可以看成兩個并聯且方向相反的齊納二極管，當電兩端電壓高于某一額定值時導通。其特點是可以瞬態通過數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。

提高單片機系統抗干擾能力的主要手段

1.接地

這里的接地指接大地，也稱作保護地。為單片機系統提供良好的地線，對提高系統的抗干擾能力極為有益。特別是對有防雷擊要求的系統，良好的接地至關重要。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，如果系統不接地，或雖有地線但接地電阻過大，則這些元件都不能發揮作用。為單片機供電的電源的地俗稱邏輯地，它們和大地的地的關系可以相通、浮空、或接一電阻，要視應用場合而定。不能把地線隨便接在暖氣管子上。絕對不能把接地線與動力線的火線、零線中的零線混淆。

2.隔離與屏蔽

典型的信號隔離是光電隔離。使用光電隔離器件將單片機的輸入輸出隔離開，一方面使干擾信號不得進入單片機系統，另一方面單片機系統本身的噪聲也不會以傳導的方式傳播出去。屏蔽則是用來隔離空間輻射的，對噪聲特別大的部件，如開關電源，用金屬盒罩起來，可減少噪聲源對單片機系統的干擾。對特別怕干擾的模擬電路，如高靈敏度的弱信號放大電路可屏蔽起來。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，將其它高頻噪聲導入大地。低通濾波器的配置指標是插入損耗，選擇的低通濾波器插入損耗過低起不到抑制噪聲的作用，而過高的插入損耗會導致“漏電”，影響系統的人身安全性。高通、帶通濾波器則應根據系統中對信號的處理要求選擇使用。

印制電路板的布線與工藝

印制電路板的設計對單片機系統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與耦合，盡量減小噪聲的吸收這三大原則設計印制電路板和布線。當你設計單片機用印制電路板時，不仿對照下面的條條檢查一下。

·印制電路板要合理區分，單片機系統通常可分三區，即模擬電路區(怕干擾)，數字電路區(即怕干擾、又產生干擾)，功率驅動區（干擾源）。

·印刷板按單點接電源、單點接地原則送電。三個區域的電源線、地線由該點分三路引出。噪聲元件與非噪聲元件要離得遠一些。

·時鐘振蕩電路、特殊高速邏輯電路部分用地線圈起來。讓周圍電場趨近于零。

·I/O驅動器件、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,高速器件只用在關鍵的地方。

·使用滿足系統要求的最低頻率的時鐘，時鐘產生器要盡量靠近用到該時鐘的器件。

·石英晶體振蕩器外殼要接地，時鐘線要盡量短，且不要引得到處都是。

·使用450的折線布線，不要使用900折線,以減小高頻信號的發射。

·單面板、雙面板，電源線、地線要盡量的粗。信號線的過孔要盡量少。

·4層板比雙面板噪聲低20dB。6層板比4層板噪聲低10dB。經濟條件允許時盡量用多層板。

·關鍵的線盡量短并要盡量粗，并在兩邊加上保護地。將敏感信號和噪聲場帶信號通過一條扁帶電纜引出的話，要用地線-信號-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該走其它信號線。

·任何信號線都不要形成環路，如不可避免，環路應盡量小。

·時鐘線垂直于I/O線比平行于I/O線干擾小，時鐘線要遠離I/O線。

·對A/D類器件，數字部分與模擬部分寧可繞一下也不要交叉。噪聲敏感線不要與高速線、大電流線平行。

·單片機及其它IC電路，如有多個電源、地端的話，每端都要加一個去耦電容。

·單片機不用的I/O端口要定義成輸出。

·每個集成電路要加一個去耦電容，要選高頻信號好的獨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，引腳要盡量短。

·從高噪聲區來的信號要加濾波。繼電器線圈處要加放電二極管。可以用串一個電阻的辦法來軟化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能電容。因為電解電容分布電感較大，對高頻無效。使用電解電容時要與高特性好的去耦電容成對使用。

·需要時，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。

·弱信號引出線、高頻、大功率引出電纜要加屏蔽。引出線與地線要絞起來。

·印刷板過大、或信號線頻率過高，使得線上的延遲時間大于等于信號上升時間時，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。