单片机系统12

1、北华航天工业学院北华航天工业学院 电子工程系电子工程系Prof. Prof. 胡辉胡辉 Tel:2083013Tel:2083013Email: 本章学习目标本章学习目标 v了解单片机系统的可靠性的设计方法了解单片机系统的可靠性的设计方法v单片机应用系统软件抗干扰的设计方法单片机应用系统软件抗干扰的设计方法v单片机外接复位、电源监测、看门狗电单片机外接复位、电源监测、看门狗电路路v单片机应用系统硬件抗干扰的设计方法单片机应用系统硬件抗干扰的设计方法 12.1 单片机应用系统的可靠性设计单片机应用系统的可靠性设计 12.1.1 12.1.1 可靠度可靠度可靠度是在规定的环境条件下和规定的时间内完

2、可靠度是在规定的环境条件下和规定的时间内完成规定功能的概率，是系统可靠性的量度。成规定功能的概率，是系统可靠性的量度。 eRtR为系统可靠度；为失效率；t为规定运行时间。 12.1.2 提高可靠性的措施 1工艺设计 2硬件改进措施 （1）掉电保护 （2）硬件故障自检功能 12.2 抗干扰的设计原则抗干扰的设计原则 12.2.1 干扰的来源干扰的来源 （1）外部干扰 （2）耦合通道的干扰 （3）内部干扰 12.2.2 抗干扰的设计原则抗干扰的设计原则 （1）消除干扰源）消除干扰源 （2）切断干扰的耦合通道）切断干扰的耦合通道 （3）减弱电路对噪声干扰的敏感性）减弱电路对噪声干扰的敏感性 （4）在

3、电路板上使用抗干扰设计）在电路板上使用抗干扰设计 12.3 硬件抗干扰的设计硬件抗干扰的设计 12.3.1 滤波技术 1无源滤波器 LCZCCZZLLCZLCZLCZL 2有源滤波器有源滤波器 有源滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器等多种。 3信号滤波器信号滤波器 信号滤波器是用在各种信号线上的低通滤波器，其作用是消除导线上的各种高频干扰。信号滤波器可分为线路板安装滤波器、馈通滤波器和滤波器连接器等三种。 4电源滤波器电源滤波器 这种滤波器能够防止射频干扰 。 5屏蔽技术屏蔽技术 屏蔽技术是采用来各种屏蔽的方法抑制沿空间传播的电磁干扰 12.3.2 隔离技术 1光电耦合

4、器的种类光电耦合器的种类 常用的光电耦合的隔离作用有两种：一是输入信号隔离，用于单片机应用系统的前向通道，可防止由输入信号带来的干扰；二是控制隔离，用于系统的后向通道，可以防止来自强电开关上的干扰。(a)发光二极管光晶体管 (b) 发光二极管光电阻器 (c) 高速光电耦合器 输出控制隔离的光电耦合器电路 (a) 发光二极管光触发可控硅 ( b) 发光二极管复合晶体管 2光电耦合器的应用 +5VVi30010K0V12VV00V5V12.3.3 接地技术 有以下几种地线：模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。 1接地的设计方法接地的设计方法 （1）单点接地就是把需要接地的电路、单元及屏

5、蔽体都接到设备接地面的同一个接地点上。单点接地方式试用于低频电路。 （2）多点接地就是把需要接地的电路、单元及屏蔽体用多条通路和设备接地面相连，多点接地降低了接地线的阻抗。多点接地方式试用于高频电路。 （3）悬浮接地就是把控制系统的地线与外壳或大地浮置，提高对电源、外壳引进干扰的抑制。2接地的设计原则接地的设计原则 （1）出现地线环路问题时，应采用浮地隔离技术。 （2）接地线应尽量的短，并具有良好的导电性 （3）对于那些出现较大突变电流的电路，要采用单独接地的系统，以减小其它电路的瞬态耦合。 （4）低电平接地线要和其它接地线隔离。 （5）系统中数字地、模拟地应一点相连。 （6）信号线和电源线交

6、叉的地方要使导线相互垂直。 （7）采用平衡差分电路，以尽量减小接地电路的干扰。 （8）低电平传输时要使用多层屏蔽。12.3.4 单片机的自动复位与电源的监单片机的自动复位与电源的监测技术测技术 单片机的自动复位是单片机抗干扰技术的一种重要方法。当单片机受到干扰后，可以按下人工复位按钮，强制系统复位。 14060构成的自动复位电路 2采用采用MAX813L构成的自动复位与电源构成的自动复位与电源监测电路监测电路 MAX813L是MAX公司生产的P监控芯片。当单片机由干扰引起的系统失控时，为单片机提供可靠的上、掉电复位、电源监测、“看门狗”及电源管理功能。 VSSVCCVCCVSS80 51RES

7、ETP1.00INT0WDMRPFIWDIPF0RESETC813LVCCK12.4 软件抗干扰的设计 12.4.1 软件冗余软件冗余 1安插NOP指令 2指令重复操作 12.4.2 软件陷阱软件陷阱 （1）未使用的中断向量区）未使用的中断向量区 当干扰进入到中断向量区时，当干扰进入到中断向量区时，并激活这些中断时，就会进一步引起混乱。并激活这些中断时，就会进一步引起混乱。 （2）未使用的大片）未使用的大片ROM空间空间 在剩余的没有使用的程序在剩余的没有使用的程序存储器空间，设置成陷阱，就能捕捉到跑飞的程序。存储器空间，设置成陷阱，就能捕捉到跑飞的程序。 （3）表格）表格 为了不破坏表格的连

8、续性，软件陷阱只能在为了不破坏表格的连续性，软件陷阱只能在表格的最后安放。表格的最后安放。 （4）程序区）程序区 安排陷阱，应安放在如指令安排陷阱，应安放在如指令LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI等之后。等之后。 12.4.3 软件看门狗技术 软件看门狗技术能够使程序从死循环中恢复到正常状态。软件看门狗（WATCH DOG）也叫做程序运行监视系统。当程序运行受到干扰，程序飞到一个临时构成死循环中时，这时系统将面临着瘫痪。这时就需要人工复位或硬件复位，如果没有人工操作和硬件复位系统，利用软件看门狗技术同样也能使系统复位，恢复正常。12.4.4 数字滤波的设计 1算术平均值法算术平均值

9、法 算术平均值法就是对某一点的数值连续多次采样，取其算术平均值。适用于一般信号本身在一定数值范围附近上下波动的情况。算术平均值滤波，一般多次采样取35次即可。 2中值滤波法中值滤波法 中值滤波就是连续采集N个数据，从中选取一个中间值作为该点的采样结果。 3防脉冲干扰平均值滤波法防脉冲干扰平均值滤波法 单片机应用系统经常会遇到尖脉冲干扰。干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。如果采用防脉冲干扰平均值滤波法，即对采样的N个数据进行比较，去掉其中最大值和最小值，然后计算余下的平均值。可以滤去脉冲干扰所形成的最大和最小数据。 4滑动平均值滤波法滑动平均值滤波法 滑动平均值滤波法采用队列作为测量数据存储器，队列的队长为N，每进行一次新的测量，把测量结果放入队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个数据。对N个数据求算术平均值，就可得到测量结果。 5一阶低通滤波法一阶低通滤波法 一阶低通滤波法就是利用软件完成R