提高單片機系統(tǒng)可靠性的設計方法

        目前，大量的嵌入式系統(tǒng)均采用了單片機，并且這樣的應用正在更進一步擴展；但是多年以來人們一直為單片機系統(tǒng)的可靠性問題所困惑。在一些要求高可靠性的控制系統(tǒng)中，這往往成為限制其應用的主要原因。

        1 單片機系統(tǒng)的失效分析
    

        一個單片機系統(tǒng)的可靠性是其自身軟硬件與其所處工作環(huán)境綜合作用的結(jié)果，因此系統(tǒng)的可靠性也應從這兩個方面去分析與設計。對于系統(tǒng)自身而言，能不能在保證系統(tǒng)各項功能實現(xiàn)的同時，對系統(tǒng)自身運行過程中出現(xiàn)的各種干擾信號及直接來自于系統(tǒng)外部的干擾信號進行有效的抑制，是決定系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。有缺陷的系統(tǒng)往往只從邏輯上去保證系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，而對于系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的潛在的問題考慮欠缺，采取的措施不足，在干擾信號真正襲來的時候，系統(tǒng)就可能會陷入困境。任何系統(tǒng)的可靠性都是相對的，在一種環(huán)境下能夠很好工作的系統(tǒng)在另一種環(huán)境下卻有可能是很不穩(wěn)定的。這就充分說明環(huán)境對系統(tǒng)可靠運行的重要性。在針對系統(tǒng)運行環(huán)境去設計系統(tǒng)的同時，應盡量采取措施改善系統(tǒng)運行的環(huán)境，降低環(huán)境干擾，但這樣的措施往往比較有限。

        2 提高可靠性的措施
    

        提高單片機系統(tǒng)可靠性的方法與措施很多。一般地，應根據(jù)系統(tǒng)所面臨的具體的可靠性問題，針對引起或影響系統(tǒng)不可靠的因素采取不同的處理措施。這些措施一般從這樣兩個目的出發(fā)：第一，盡量減少引起系統(tǒng)不可靠或影響系統(tǒng)可靠的外界因素；第二，盡量提高系統(tǒng)自身抗干擾能力及降低自身運行的不穩(wěn)定性。例如，為了抑制電源的噪聲和環(huán)境干擾信號而采用的濾波技術(shù)、隔離技術(shù)、屏蔽技術(shù)等都是出于第一個目的；另外，針對系統(tǒng)自身而采用的看門狗電路、軟件抗干擾技術(shù)、備份技術(shù)等均是出于第二個目的而采取的措施。其中第一類的措施較常使用，其使用簡單而且效果也較好，但其對系統(tǒng)可靠性的提高是有限的，許多情況下不能滿足系統(tǒng)的要求。第二類措施的使用可以更進一步提高系統(tǒng)的可靠性，往往在高可靠性的系統(tǒng)設計中被廣泛使用。下面就第二類技術(shù)使用中的一些相關(guān)問題作進一步的分析。


        2．1 用監(jiān)視定時器技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性
    

        監(jiān)視定時器(Watchdog)技術(shù)現(xiàn)在使用得非常廣泛，技術(shù)已較為成熟，這一技術(shù)的支持手段也很多。目前，各處理器的生產(chǎn)廠家?guī)缀醵荚谏a(chǎn)內(nèi)置有看門狗定時器的單片機產(chǎn)品，市場上還有許多獨立的看門狗定時器芯片可供選擇。要實現(xiàn)這樣的電路已經(jīng)較為容易，因此這里對于如何實現(xiàn)這一技術(shù)的一般細節(jié)不作詳細的論述，僅就采用此技術(shù)所導致的可重人性問題進行分析。采用監(jiān)視定時器技術(shù)后，一旦程序跑飛，系統(tǒng)立即會被監(jiān)視定時器復位掉，從頭重新啟動系統(tǒng)，從而退出不正常的運行狀態(tài)，但是這樣使用時必須注意系統(tǒng)的可重人性。所謂系統(tǒng)的可重人性可以這樣來定義：當一個微處理器系統(tǒng)在重新復位啟動以后，系統(tǒng)對外的執(zhí)行操作不因重新啟動而改變，或者說這種改變是能夠容忍的，從而保證整個系統(tǒng)對外操作的連續(xù)性和順序性，也就是系統(tǒng)最終的安全性和可靠性。對于一個系統(tǒng)，如果它對外的控制操作只與系統(tǒng)當前的輸入狀態(tài)有關(guān)，那么這個系統(tǒng)就幾乎具有完全的重入性能；相反，如一個系統(tǒng)對外的輸出操作不僅與系統(tǒng)當前的輸入相關(guān)，而且與系統(tǒng)的歷史狀態(tài)有關(guān)，那么如果系統(tǒng)重入時系統(tǒng)的歷史狀態(tài)沒有保留或者歷史狀態(tài)被破壞，那么此時系統(tǒng)對外的操作就可能完全是錯誤的，這樣的系統(tǒng)雖然在看門狗定時器的作用下退出了不正常的運行狀態(tài)，但重入的狀態(tài)也不會正常，那么這樣的系統(tǒng)也只能是病態(tài)的系統(tǒng)，不能使用。因此，對于采用了看門狗電路來提高可靠性的系統(tǒng)，必須嚴格保證系統(tǒng)的可重入性。
   

         對于與歷史狀態(tài)相關(guān)的系統(tǒng)，為保證其重入性能，可以把其歷史狀態(tài)保存在系統(tǒng)的RAM中，即在單片機系統(tǒng)的內(nèi)存或其擴展的外部存儲器中，開辟出專用于保存歷史狀態(tài)的緩沖區(qū)。在確保系統(tǒng)不掉電的情況下，這些歷史數(shù)據(jù)在系統(tǒng)重入時可以被重新使用。如果不能保證系統(tǒng)的電源穩(wěn)定，還必須考慮采用備用電池供電，以保證 RAM數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定；對于時間不是太敏感的系統(tǒng)，還可以采用E2PROM或Flash ROM來保存歷史數(shù)據(jù)。


        2.2軟件抗干擾技術(shù)
    

        一個系統(tǒng)可能由于存在著各種干擾及不穩(wěn)定因素而出現(xiàn)運行故障。為解決這一問題，可以從程序的設計方面采取一些措施。傳統(tǒng)的為抑制系統(tǒng)的干擾信號而經(jīng)常采用的軟件濾波技術(shù)、軟件冗余設計就是這一類的典型應用。根據(jù)設計經(jīng)驗，通常還可以采用軟件鎖設計、程序陷阱設計。這一類方法主要是針對程序跑飛的情況而采用的。當系統(tǒng)在干擾信號的作用下發(fā)生程序跑飛時，程序指針有可能指向兩個區(qū)域：一種可能正好轉(zhuǎn)到程序區(qū)的其他地址進行執(zhí)行，一種可能轉(zhuǎn)移到程序空間的盲區(qū)進行執(zhí)行。所謂盲區(qū)，就是說那里并沒有存放有效的程序指令。對于第一種情況，可以采取軟件鎖加以抑制。例如為保證對外操作的安全，在軟件鎖設計中，對于每一個相對獨立的程序塊在其執(zhí)行以前或執(zhí)行中對一個預先設定好的密碼進行校驗，只有當這一密碼相符時執(zhí)行才真正有效，也只有程序是通過正常的轉(zhuǎn)移途徑轉(zhuǎn)移過來時，才會由上一級的程序設定正確的密碼；否則，會根據(jù)校驗錯而使程序強制發(fā)生轉(zhuǎn)移，錯誤狀態(tài)得到處理，并恢復程序的正常運行狀態(tài)。可以看下面的一個例子：假設有順序執(zhí)行的三個程序塊，每一個程序塊執(zhí)行時都對其設定的密碼進行校驗。 

 

    
    

       當程序順序執(zhí)行時，每一個程序塊都能夠得到有效正確的執(zhí)行?，F(xiàn)在假設程序由于干擾而發(fā)生跑飛，由SUB—PRO1的塊處理跳到了程序SUB-PR03處開始執(zhí)行，那么在執(zhí)行中密碼校驗會出錯，程序?qū)⑥D(zhuǎn)移到錯誤處理程序進行處理，避免進行錯誤的操作。


       設計程序陷阱的目的，主要是為了防止程序跑飛到程序盲區(qū)進行執(zhí)行。一般情況下，對于程序代碼空間以外的ROM空間的處理是采用空置的方法。固化程序時，這些空置空間被全寫為1或全寫為O，這樣程序跳入這一區(qū)域?qū)⒉豢煽?。為了捕獲跳入此區(qū)的程序，可以采用程序陷阱來予以實現(xiàn)。下面通過例子來說明：假設某系統(tǒng)程序空間為32KB，程序編譯后共生成18 KB的代碼，那么，還有14 KB的程序空間未被使用，可以在該區(qū)域放置下面的陷阱程序： 

   
       用上面程序段重復覆蓋剩余的程序空間陷阱程序里的每一段含有的NOP指令的多少對于捕獲的成功率及捕獲的時間有影響。NOP指令放置的越多捕獲的成功率就越高，但花費的時間就越長，程序失控的時間也越長；否則，情況則相反。因為只有程序跳轉(zhuǎn)到NOP指令或LJMP指令的首個字節(jié)時，才能成功捕獲；當程序跳到 LJMP指令的后兩個字節(jié)時，可能會出現(xiàn)不可預知的執(zhí)行結(jié)果。被捕獲的程序如果跳到程序的起始處執(zhí)行時，還必須考慮程序的可重人性。


       2．3采用備份系統(tǒng)提高可靠性 
    

       備份系統(tǒng)在許多重要控制系統(tǒng)中已被廣泛使用，但多在工控機中或較大型的系統(tǒng)中采用。備份系統(tǒng)可根據(jù)具體的情況分為在線備份系統(tǒng)和后備備份系統(tǒng)。對于在線備份系統(tǒng)，系統(tǒng)中的兩個CPU均處于工作狀態(tài)，有可能兩個CPU處在對等的位置，也可能一個處在主CPU的位置，而另一個處在從CPU的位置。在對等的情況下，兩個CPU共同決定系統(tǒng)對外的操作，任何一個CPU出錯都將引起對外操作的禁止。對于一主一從的情況，往往是主CPU負責系統(tǒng)控制邏輯的實現(xiàn)，而從CPU負責對主CPU的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。當監(jiān)控到主CPU工作異常時，從CPU通過強行復位主CPU等操作使主CPU恢復正常，同時，為確保從 CPU工作正常，從CPU的工作狀態(tài)也被主CPU監(jiān)控；當從CPU的工作狀態(tài)不正常時，主CPU也可采取措施使從CPU恢復正常工作，即實現(xiàn)互相監(jiān)控的目的。在具體的設計中，主從CPU進行信息交換的途徑非常靈活、多樣。例如，采用公用的存儲器來實現(xiàn)監(jiān)控信息的交換(如把公用信息存入雙口RAM)，采用握手信號的方法實現(xiàn)監(jiān)控信息的交換等。

       3 提高系統(tǒng)可靠性的綜合設計方法
    

       在一個具體的系統(tǒng)設計中，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，往往要綜合采用多種措施來達到滿意的效果，這是全面提高系統(tǒng)可靠性的必由之路。系統(tǒng)不同，其具體的控制對象就可能不同，運行環(huán)境也會千差萬別，因而其面臨的主要干擾問題就不同，采取的措施也就不同；但僅采取某項措施就希望全面提高系統(tǒng)的可靠性常常是不現(xiàn)實的，而要針對主要問題綜合采取多項措施聯(lián)合提高可靠性.

       4 設計實例
   

        下面給出一個設計實例，以進一步說明提高系統(tǒng)可靠性設計的一些常用方法。
    

       在某衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了降低系統(tǒng)的相噪，要求其前置低噪聲放大器(LNA)的工作溫度保持恒定(40℃)；而該放大器在野外工作的環(huán)境溫度范圍為一 40～+60℃之間，因此必須把該放大器放入特制的恒溫箱中。該恒溫箱應具有既能制熱又能制冷的功能。制熱采用電阻絲加熱器，制冷采用半導體制冷片來實現(xiàn)。為防止恒溫箱因控制器失靈而造成溫度失控甚至損壞低噪聲放大器，破壞整個系統(tǒng)的正常工作，恒溫箱的設計主要采用了主從雙CPU系統(tǒng)來提高系統(tǒng)的可靠性。除此以外，還采用了如電源監(jiān)控技術(shù)、看門狗技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)、光電隔離技術(shù)等措施綜合提高系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 

 

        主CPU負責加熱器、制冷片及箱內(nèi)箱外溫度的檢測，擔負主要的控制任務。主CPU選AT89S52單片機，內(nèi)含看門狗定時器，在芯片外加MAX707作為電源監(jiān)控電路；除可以向主CPU提供可靠的復位信號以外，還可以檢測掉電中斷申請信號，當?shù)綦姲l(fā)生時及時保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)。加熱棒使用交流220V供電，制冷片采用15V直流穩(wěn)壓電源供電。為防止高電壓強電流對弱電部分的干擾，主CPU
產(chǎn)生的控制信號都經(jīng)過光電隔離送向驅(qū)動電路，以提高系統(tǒng)的可靠性。
    

       從CPU選AT89C2051，主要負責對主CPU工作情況的監(jiān)控及電源供電電壓的監(jiān)視。當?shù)綦姮F(xiàn)象發(fā)生時，AT89C2051內(nèi)的電壓比較器會檢測到這種變化，并由后備電池供電，通過485口向監(jiān)控臺報告。
    

       主從CPU之間的監(jiān)控是相互的。主從CPU通過它們之間的I／O口線握手，彼此監(jiān)視對方的工作狀態(tài)，并采取相應的處置措施，保證系統(tǒng)對外操作的安全。通過上述措施的實施，系統(tǒng)的可靠性非常出色，自投入運行以來一直穩(wěn)定可靠，無不明原因的死機或失控現(xiàn)象發(fā)生，充分說明了系統(tǒng)設計的成功。而根據(jù)以往的經(jīng)驗，如不采用上述的綜合設計方法，這樣的系統(tǒng)通常在連續(xù)運行1～2周后就很可能產(chǎn)生問題。


       結(jié) 語
    

       本文詳細分析了單片機系統(tǒng)失效的原因，討論了提高系統(tǒng)可靠性的措施，并提出了提高系統(tǒng)可靠性的綜合設計方法。在低噪聲放大器恒溫控制器中的成功應用，表明這種設計方法是行之有效的，系統(tǒng)的可靠性得到了充分的保障。

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