單片機系統可靠性技術(shù)及發(fā)展

　　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(lái)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(shù)主要體現在以下幾方面?！　?/FONT>

1.降低外時(shí)鐘頻率

　　外時(shí)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(chǎn)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(shí)，外時(shí)鐘是12MHz。而同樣速度的Motorola 單片機系統時(shí)鐘只需4MHz，更適合用于工控系統。近年來(lái)，一些生產(chǎn)8051兼容單片機的廠(chǎng)商也采用了一些新技術(shù)，在不犧牲運算速度的前提下將對外時(shí)鐘的需求降至原來(lái)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(huán)技術(shù)，將外部時(shí)鐘頻率降至32KHz，而內部總線(xiàn)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(chēng)的兩邊。如左下角是地，右下角是電源。這使得電源噪聲穿過(guò)整個(gè)硅片。改進(jìn)的技術(shù)將電源、地安排在兩個(gè)相鄰的引腳上，這樣一方面降低了穿過(guò)整個(gè)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(gè)在集成電路設計上降低噪聲的例子是驅動(dòng)電路的設計。一些單片機提供若干個(gè)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(dòng)電路集成到單片機內部無(wú)疑增加了噪聲源。而跳變沿的軟化技術(shù)可消除這方面的影響，辦法是將一個(gè)大功率管做成若干個(gè)小管子的并聯(lián)，再為每個(gè)管子輸出端串上不同等效阻值的電阻。以降低di/dt。

3.時(shí)鐘監測電路、看門(mén)狗技術(shù)與低電壓復位

　　監測系統時(shí)鐘，當發(fā)現系統時(shí)鐘停振時(shí)產(chǎn)生系統復位信號以恢復系統時(shí)鐘，是單片機提高系統可靠性的措施之一。而時(shí)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(mén)狗技術(shù)是監測應用程序中的一段定時(shí)中斷服務(wù)程序的運行狀況，當這段程序不工作時(shí)判斷為系統故障，從而產(chǎn)生系統復位。

　　低電壓復位技術(shù)是監測單片機電源電壓，當電壓低于某一值時(shí)產(chǎn)生復位信號。由于單片機技術(shù)的發(fā)展，單片機本身對電源電壓范圍的要求越來(lái)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(shí)應根據具體應用情況權衡一下。

4. EFT技術(shù)

　　新近推出的Motorola M68HC08 系列單片機采用EFT(Electrical Fast Transient)技術(shù)進(jìn)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(shí)，其波形上會(huì )疊加一些毛刺。以施密特電路對其整形時(shí)，這種毛刺會(huì )成為觸發(fā)信號干擾正常的時(shí)鐘信號。交替使用施密特電路和RC濾波可以使這類(lèi)毛刺不起作用，這就是EFT技術(shù)。隨著(zhù)VLSI技術(shù)的不斷發(fā)展，電路內部的抗干擾技術(shù)也在不斷發(fā)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(shí)遇到非法指令或非法尋址空間能產(chǎn)生復位或中斷。單片機應用系統程序是事先寫(xiě)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(shí)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(shí)，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(jīng)驗。這里要提醒的是最后對不用的ROM要做處理。原則是萬(wàn)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(gè)集成電路的電源、地之間應配置一個(gè)去耦電容，它可以濾掉來(lái)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(shí)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(xiàn)穿入軸向有幾個(gè)孔的鐵氧體芯，就構成了高頻扼制器件。將其串入電源線(xiàn)或地線(xiàn)中可阻止高頻信號從電源/地線(xiàn)引入。這種元件特別適用于隔開(kāi)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(dòng)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(shí)，它的直流電阻只有零點(diǎn)幾歐。而電流大到一定程度，它的阻值迅速升高，引起發(fā)熱，而越熱電阻越大，從而阻斷電源電流。當溫度降下來(lái)以后能自動(dòng)恢復正常。這種器件可防止CMOS器件在遇到強沖擊型干擾時(shí)引起所謂“可控硅觸發(fā)”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(fā)熱乃至燒毀。