提高單片機系統可靠性的設計方法

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

        1 單片機系統的失效分析
    

        一個(gè)單片機系統的可靠性是其自身軟硬件與其所處工作環(huán)境綜合作用的結果，因此系統的可靠性也應從這兩個(gè)方面去分析與設計。對于系統自身而言，能不能在保證系統各項功能實(shí)現的同時(shí)，對系統自身運行過(guò)程中出現的各種干擾信號及直接來(lái)自于系統外部的干擾信號進(jìn)行有效的抑制，是決定系統可靠性的關(guān)鍵。有缺陷的系統往往只從邏輯上去保證系統功能的實(shí)現，而對于系統運行過(guò)程中可能出現的潛在的問(wèn)題考慮欠缺，采取的措施不足，在干擾信號真正襲來(lái)的時(shí)候，系統就可能會(huì )陷入困境。任何系統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在另一種環(huán)境下卻有可能是很不穩定的。這就充分說(shuō)明環(huán)境對系統可靠運行的重要性。在針對系統運行環(huán)境去設計系統的同時(shí)，應盡量采取措施改善系統運行的環(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
    

        提高單片機系統可靠性的方法與措施很多。一般地，應根據系統所面臨的具體的可靠性問(wèn)題，針對引起或影響系統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(gè)目的出發(fā)：第一，盡量減少引起系統不可靠或影響系統可靠的外界因素；第二，盡量提高系統自身抗干擾能力及降低自身運行的不穩定性。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(gè)目的；另外，針對系統自身而采用的看門(mén)狗電路、軟件抗干擾技術(shù)、備份技術(shù)等均是出于第二個(gè)目的而采取的措施。其中第一類(lèi)的措施較常使用，其使用簡(jiǎn)單而且效果也較好，但其對系統可靠性的提高是有限的，許多情況下不能滿(mǎn)足系統的要求。第二類(lèi)措施的使用可以更進(jìn)一步提高系統的可靠性，往往在高可靠性的系統設計中被廣泛使用。下面就第二類(lèi)技術(shù)使用中的一些相關(guān)問(wèn)題作進(jìn)一步的分析。


        2．1 用監視定時(shí)器技術(shù)提高系統的可靠性
    

        監視定時(shí)器(Watchdog)技術(shù)現在使用得非常廣泛，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(chǎng)家幾乎都在生產(chǎn)內置有看門(mén)狗定時(shí)器的單片機產(chǎn)品，市場(chǎng)上還有許多獨立的看門(mén)狗定時(shí)器芯片可供選擇。要實(shí)現這樣的電路已經(jīng)較為容易，因此這里對于如何實(shí)現這一技術(shù)的一般細節不作詳細的論述，僅就采用此技術(shù)所導致的可重人性問(wèn)題進(jìn)行分析。采用監視定時(shí)器技術(shù)后，一旦程序跑飛，系統立即會(huì )被監視定時(shí)器復位掉，從頭重新啟動(dòng)系統，從而退出不正常的運行狀態(tài)，但是這樣使用時(shí)必須注意系統的可重人性。所謂系統的可重人性可以這樣來(lái)定義：當一個(gè)微處理器系統在重新復位啟動(dòng)以后，系統對外的執行操作不因重新啟動(dòng)而改變，或者說(shuō)這種改變是能夠容忍的，從而保證整個(gè)系統對外操作的連續性和順序性，也就是系統最終的安全性和可靠性。對于一個(gè)系統，如果它對外的控制操作只與系統當前的輸入狀態(tài)有關(guān)，那么這個(gè)系統就幾乎具有完全的重入性能；相反，如一個(gè)系統對外的輸出操作不僅與系統當前的輸入相關(guān)，而且與系統的歷史狀態(tài)有關(guān)，那么如果系統重入時(shí)系統的歷史狀態(tài)沒(méi)有保留或者歷史狀態(tài)被破壞，那么此時(shí)系統對外的操作就可能完全是錯誤的，這樣的系統雖然在看門(mén)狗定時(shí)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(huì )正常，那么這樣的系統也只能是病態(tài)的系統，不能使用。因此，對于采用了看門(mén)狗電路來(lái)提高可靠性的系統，必須嚴格保證系統的可重入性。
   

         對于與歷史狀態(tài)相關(guān)的系統，為保證其重入性能，可以把其歷史狀態(tài)保存在系統的RAM中，即在單片機系統的內存或其擴展的外部存儲器中，開(kāi)辟出專(zhuān)用于保存歷史狀態(tài)的緩沖區。在確保系統不掉電的情況下，這些歷史數據在系統重入時(shí)可以被重新使用。如果不能保證系統的電源穩定，還必須考慮采用備用電池供電，以保證 RAM數據的安全穩定；對于時(shí)間不是太敏感的系統，還可以采用E2PROM或Flash ROM來(lái)保存歷史數據。


        2.2軟件抗干擾技術(shù)
    

        一個(gè)系統可能由于存在著(zhù)各種干擾及不穩定因素而出現運行故障。為解決這一問(wèn)題，可以從程序的設計方面采取一些措施。傳統的為抑制系統的干擾信號而經(jīng)常采用的軟件濾波技術(shù)、軟件冗余設計就是這一類(lèi)的典型應用。根據設計經(jīng)驗，通常還可以采用軟件鎖設計、程序陷阱設計。這一類(lèi)方法主要是針對程序跑飛的情況而采用的。當系統在干擾信號的作用下發(fā)生程序跑飛時(shí)，程序指針有可能指向兩個(gè)區域：一種可能正好轉到程序區的其他地址進(jìn)行執行，一種可能轉移到程序空間的盲區進(jìn)行執行。所謂盲區，就是說(shuō)那里并沒(méi)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(gè)相對獨立的程序塊在其執行以前或執行中對一個(gè)預先設定好的密碼進(jìn)行校驗，只有當這一密碼相符時(shí)執行才真正有效，也只有程序是通過(guò)正常的轉移途徑轉移過(guò)來(lái)時(shí)，才會(huì )由上一級的程序設定正確的密碼；否則，會(huì )根據校驗錯而使程序強制發(fā)生轉移，錯誤狀態(tài)得到處理，并恢復程序的正常運行狀態(tài)?？梢钥聪旅娴囊粋€(gè)例子：假設有順序執行的三個(gè)程序塊，每一個(gè)程序塊執行時(shí)都對其設定的密碼進(jìn)行校驗。 

 

    
    

       當程序順序執行時(shí)，每一個(gè)程序塊都能夠得到有效正確的執行?，F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(kāi)始執行，那么在執行中密碼校驗會(huì )出錯，程序將轉移到錯誤處理程序進(jìn)行處理，避免進(jìn)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進(jìn)行執行。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(shí)，這些空置空間被全寫(xiě)為1或全寫(xiě)為O，這樣程序跳入這一區域將不可控。為了捕獲跳入此區的程序，可以采用程序陷阱來(lái)予以實(shí)現。下面通過(guò)例子來(lái)說(shuō)明：假設某系統程序空間為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(shí)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(shí)間就越長(cháng)，程序失控的時(shí)間也越長(cháng)；否則，情況則相反。因為只有程序跳轉到NOP指令或LJMP指令的首個(gè)字節時(shí)，才能成功捕獲；當程序跳到 LJMP指令的后兩個(gè)字節時(shí)，可能會(huì )出現不可預知的執行結果。被捕獲的程序如果跳到程序的起始處執行時(shí)，還必須考慮程序的可重人性。


       2．3采用備份系統提高可靠性 
    

       備份系統在許多重要控制系統中已被廣泛使用，但多在工控機中或較大型的系統中采用。備份系統可根據具體的情況分為在線(xiàn)備份系統和后備備份系統。對于在線(xiàn)備份系統，系統中的兩個(gè)CPU均處于工作狀態(tài)，有可能兩個(gè)CPU處在對等的位置，也可能一個(gè)處在主CPU的位置，而另一個(gè)處在從CPU的位置。在對等的情況下，兩個(gè)CPU共同決定系統對外的操作，任何一個(gè)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負責系統控制邏輯的實(shí)現，而從CPU負責對主CPU的工作狀態(tài)進(jìn)行監控。當監控到主CPU工作異常時(shí)，從CPU通過(guò)強行復位主CPU等操作使主CPU恢復正常，同時(shí)，為確保從 CPU工作正常，從CPU的工作狀態(tài)也被主CPU監控；當從CPU的工作狀態(tài)不正常時(shí)，主CPU也可采取措施使從CPU恢復正常工作，即實(shí)現互相監控的目的。在具體的設計中，主從CPU進(jìn)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(lái)實(shí)現監控信息的交換(如把公用信息存入雙口RAM)，采用握手信號的方法實(shí)現監控信息的交換等。

       3 提高系統可靠性的綜合設計方法
    

       在一個(gè)具體的系統設計中，為提高系統的穩定性和可靠性，往往要綜合采用多種措施來(lái)達到滿(mǎn)意的效果，這是全面提高系統可靠性的必由之路。系統不同，其具體的控制對象就可能不同，運行環(huán)境也會(huì )千差萬(wàn)別，因而其面臨的主要干擾問(wèn)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的可靠性常常是不現實(shí)的，而要針對主要問(wèn)題綜合采取多項措施聯(lián)合提高可靠性.

       4 設計實(shí)例
   

        下面給出一個(gè)設計實(shí)例，以進(jìn)一步說(shuō)明提高系統可靠性設計的一些常用方法。
    

       在某衛星通信系統中，為了降低系統的相噪，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(lái)實(shí)現。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(gè)系統的正常工作，恒溫箱的設計主要采用了主從雙CPU系統來(lái)提高系統的可靠性。除此以外，還采用了如電源監控技術(shù)、看門(mén)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的可靠性。該系統的結構框圖如圖1所示。 

 

        主CPU負責加熱器、制冷片及箱內箱外溫度的檢測，擔負主要的控制任務(wù)。主CPU選AT89S52單片機，內含看門(mén)狗定時(shí)器，在芯片外加MAX707作為電源監控電路；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，當掉電發(fā)生時(shí)及時(shí)保存現場(chǎng)數據。加熱棒使用交流220V供電，制冷片采用15V直流穩壓電源供電。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(guò)光電隔離送向驅動(dòng)電路，以提高系統的可靠性。
    

       從CPU選AT89C2051，主要負責對主CPU工作情況的監控及電源供電電壓的監視。當掉電現象發(fā)生時(shí)，AT89C2051內的電壓比較器會(huì )檢測到這種變化，并由后備電池供電，通過(guò)485口向監控臺報告。
    

       主從CPU之間的監控是相互的。主從CPU通過(guò)它們之間的I／O口線(xiàn)握手，彼此監視對方的工作狀態(tài)，并采取相應的處置措施，保證系統對外操作的安全。通過(guò)上述措施的實(shí)施，系統的可靠性非常出色，自投入運行以來(lái)一直穩定可靠，無(wú)不明原因的死機或失控現象發(fā)生，充分說(shuō)明了系統設計的成功。而根據以往的經(jīng)驗，如不采用上述的綜合設計方法，這樣的系統通常在連續運行1～2周后就很可能產(chǎn)生問(wèn)題。


       結 語(yǔ)
    

       本文詳細分析了單片機系統失效的原因，討論了提高系統可靠性的措施，并提出了提高系統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，系統的可靠性得到了充分的保障。

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