單論單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案，一般從三個(gè)方面分析：優(yōu)選設(shè)計(jì)方案、增加冗余和容錯(cuò)率、采用硬件抗干擾。本文詳細(xì)的介紹了優(yōu)化這三個(gè)方面對(duì)單片硬件可靠性帶來的好處。

1、選優(yōu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和加工時(shí)，應(yīng)該選用質(zhì)量好的接插件，設(shè)計(jì)好工藝結(jié)構(gòu);選用合格的元器件，進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試、篩選和老化;設(shè)計(jì)時(shí)技術(shù)參數(shù)（如負(fù)載）要留有一定的余量或降額使用元器件;提高印制板和組裝的質(zhì)量。

2、采用硬件抗干擾措施

來自供電系統(tǒng)以及通過導(dǎo)線傳輸、電磁耦合等產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)，是單片機(jī)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的重要因素，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須采取有效的干擾抑制措施。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中還常使用系統(tǒng)監(jiān)視電路檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生的錯(cuò)誤或故障，自動(dòng)報(bào)警或使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。如采用電源故障監(jiān)視、看門狗定時(shí)器等采用89C51單片機(jī)和X25045組成的看門狗電路，X25045硬件連接圖如圖所示。X25045芯片內(nèi)包含有一個(gè)看門狗定時(shí)器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間。在看門狗定時(shí)器預(yù)置的時(shí)間內(nèi)若沒有總線活動(dòng)，則X25045將從RESET輸出一個(gè)高電平信號(hào)，經(jīng)過微分電路C2、R3輸出一個(gè)正脈沖，使CPU復(fù)位。如圖1所示電路中，CPU的復(fù)位信號(hào)共有3個(gè)：上電復(fù)位（C1、R2），人工復(fù)位（S、R1、R2）和Watchdog復(fù)位（C2、R3），通過或門綜合后加到RESET端。C2、R3的時(shí)間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因?yàn)檫@時(shí)CPU的振蕩器已經(jīng)在工作。

看門狗電路的定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短可由具體應(yīng)用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時(shí)最大循環(huán)周期的時(shí)間略長(zhǎng)即可。編程時(shí)，可在軟件的合適地方加一條喂狗指令，使看門狗的定時(shí)時(shí)間永遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)置時(shí)間，系統(tǒng)就不會(huì)復(fù)位而正常工作。當(dāng)系統(tǒng)跑飛，用軟件陷阱等別的方法無法捕捉回程序時(shí)，則看門狗定時(shí)時(shí)間很快增長(zhǎng)到預(yù)置時(shí)間，迫使系統(tǒng)復(fù)位。需要注意的是，在程序正常運(yùn)行的時(shí)候，應(yīng)該在適當(dāng)?shù)牡胤郊右粭l喂狗指令，使系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的定時(shí)時(shí)間達(dá)不到預(yù)置時(shí)間。系統(tǒng)就不會(huì)復(fù)位。

3、冗余與容錯(cuò)設(shè)計(jì)

保證單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)100%無故障是不可能的。容錯(cuò)是指當(dāng)系統(tǒng)的某個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能完全正常地工作，即給系統(tǒng)增加容忍故障的能力。為使系統(tǒng)具有 容錯(cuò)能力，必須在系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)娜哂鄦卧?，以保證當(dāng)某個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)能由冗余部件接替其工作，原部件修復(fù)后再恢復(fù)出錯(cuò)前的狀態(tài)。硬件冗余設(shè)計(jì)可以在元 件級(jí)、子系統(tǒng)或系統(tǒng)級(jí)上進(jìn)行。

4、指令冗余

CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。在程序的關(guān)鍵地方人為的插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫稱為指令冗余，通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個(gè)字節(jié)以上的NOP指令。這樣即使跑飛程序飛到雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令操作數(shù)上。由于窄操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被錯(cuò)誤地執(zhí)行，為程序納入正軌做好準(zhǔn)備。此外，對(duì)系統(tǒng)流向起重要作用的指令，如RET、RETI、LCALI.、LJMP，JC等，可以在這些指令之后插入兩條NOP指令，可將跑飛程序納入正軌，以確保這些重要指令的執(zhí)行。指令冗余只能使CPU不再將操作數(shù)當(dāng)作操作碼錯(cuò)誤地執(zhí)行，卻不能主動(dòng)地將程序的錯(cuò)誤執(zhí)行方向扭轉(zhuǎn)過來，要想糾止程序的錯(cuò)誤執(zhí)行方向，就需要下面的技術(shù)。

5、設(shè)計(jì)軟件“陷阱”

通常在程序存儲(chǔ)器中未使用的EPROM空間填入窄操作指令NOP，最后再填入一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到跑飛處理程序，或者直接填入指令LJMP 0000H，當(dāng)跑飛程序落到此區(qū)域。即可在執(zhí)行一段空操作后轉(zhuǎn)入正軌。如果未使用的EPROM空間比較大，可以均勻地填入幾條空操作指令和跳轉(zhuǎn)指令，這種幾條空操作指令加一條跳轉(zhuǎn)指令的結(jié)構(gòu)我們稱之為“軟件陷阱”。

軟件陷阱的一般結(jié)構(gòu)為：

NOP

NOP

LJMP FLY

FLY為跑飛處理子程序，如果程序正常執(zhí)行，軟件陷阱部分是永遠(yuǎn)也執(zhí)行不到的，只有在程序跑飛到陷阱里，軟件陷阱會(huì)立刻將程序跳轉(zhuǎn)到正常軌道。即使程序沒有跑飛到陷阱里，也可以在程序執(zhí)行一段錯(cuò)誤操作后遇到一個(gè)軟件陷阱，從而轉(zhuǎn)入正軌。除了程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)域，程序的數(shù)據(jù)表結(jié)尾也應(yīng)該設(shè)置軟件陷阱，如果數(shù)據(jù)表比較大，應(yīng)該在數(shù)據(jù)表的中間也設(shè)置軟件陷阱，以保證程序跑飛到數(shù)據(jù)區(qū)能及時(shí)轉(zhuǎn)入正軌。另外，如果程序存儲(chǔ)器的空間足夠大的話，可以在每?jī)蓚€(gè)子程序中間設(shè) 置一個(gè)軟件陷阱。當(dāng)使用的中斷因干擾而開放時(shí)，在對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，能及時(shí)捕獲錯(cuò)誤的中斷。軟件陷阱的數(shù)量要根據(jù)實(shí)際受到干擾的情況和程序存儲(chǔ)器的容量來確定，如果太少不能進(jìn)行有效的跑飛攔截，如果太多又會(huì)占用大量的程序存儲(chǔ)器空間。

6、軟件“看門狗”技術(shù)

跑飛的程序在執(zhí)行一些錯(cuò)誤操作之后，經(jīng)常會(huì)進(jìn)入“死循環(huán)”，也就足常說的“死機(jī)”。通常采用“軟件看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”，軟件“看門狗”技術(shù)的原理是通過不斷檢測(cè)程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時(shí)間超過最大循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需要進(jìn)行出錯(cuò)處理。在實(shí)際應(yīng)用中，通常用定時(shí)中斷服務(wù)程序定時(shí)地檢查主程序的運(yùn)行情況。例如，在RAM區(qū)選擇一個(gè)字節(jié)作為軟件看門狗寄存器，主程序每循環(huán)一次將該寄存器加l，定時(shí)器TO的中斷服務(wù)程序每中斷一次將該寄存器減l并檢查一次，如果程序執(zhí)行正常。看門狗寄存器不會(huì)改變或改變不大，如果看門狗寄存器發(fā)生了改變或改變很大，則說明系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”。需要進(jìn)行出錯(cuò)處理。在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時(shí)會(huì)破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷，造成看門狗失效，這時(shí)可以采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)。用定時(shí)器TO監(jiān)視定時(shí)器Tl，用定時(shí)器Tl監(jiān)視豐程序，主程序監(jiān)視定時(shí)器T0.

采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能，大大提高了系統(tǒng)可靠性。對(duì)于需經(jīng)常使用Tl定時(shí)器進(jìn)行串口通訊的測(cè)控系統(tǒng)，則定時(shí)器Tl不能進(jìn)行中斷，可改由串口中斷進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)然，對(duì)主程序最大循環(huán)周期、定時(shí)器T0和Tl定時(shí)周期應(yīng)于全盤合理考慮。軟件“看門狗”技術(shù)需要使用定時(shí)器，而在大多數(shù)的控制程序中，定時(shí)器都是緊俏的資源。這就使“軟件看門狗”技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用受到了限制，我們可以采取一些技巧性的處理，將軟件“看門狗”程序與其它定時(shí)程序復(fù)用同一個(gè)定時(shí)器，這樣既完成定時(shí)功能又完成軟件“看門狗”的功能。

7、檢查RAM區(qū)標(biāo)志數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重干擾

這種方法是在RAM區(qū)中選擇幾個(gè)固定單元，在初始化程序中將其設(shè)置成固定的數(shù)據(jù)，只要程序正常運(yùn)行，這些單元的內(nèi)容是不會(huì)改變的。如果因?yàn)槌绦颉芭茱w”或其它干擾導(dǎo)致這些RAM單元中的任何單元的數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，說明單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)受到了嚴(yán)重的干擾，不能可靠地運(yùn)行下去了。我們可以在程序執(zhí)行的過程中適時(shí)地檢查這些RAM單元的內(nèi)容，一旦發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)改變，立刻執(zhí)行LJMP 0000 H語(yǔ)句，強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位。

8、刷新輸出端口

排除嚴(yán)重干擾，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾時(shí)，輸出端口的狀態(tài)也可能因干擾而改變，在程序的執(zhí)行過程中適時(shí)地根據(jù)相關(guān)程序模塊的運(yùn)算結(jié)果刷新輸出端口，可以排除干擾對(duì)輸出端口狀態(tài)的影響，使錯(cuò)誤的輸出狀態(tài)及時(shí)得到糾正。

9、進(jìn)行多次輸入采樣

避免嚴(yán)重干擾，強(qiáng)烈的干擾會(huì)影響單片機(jī)的輸入信號(hào)，造成輸入信號(hào)瞬間采樣的誤差或誤讀，要避免干擾的影響，通常采取重復(fù)采樣，加權(quán)平均的方法。

總結(jié)

提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性要從軟硬件入手，提高系統(tǒng)的自身防御行為，以上所提到幾種提高可靠性的方法，都不是單獨(dú)使用的，只有根據(jù)實(shí)際情況將這些方法有效地結(jié)合起來，才能達(dá)到最佳抗干擾效果，使我們的單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。當(dāng)然，單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性也會(huì)受其他不確定因素的干擾。