计算机单片机系统可靠性设计毕业论文

甘肃联合大学学生毕业论文题目浅谈单片机系统设计的可靠性作者：朱江指导老师：刘悦婷电子信息工程学院电信系电子信息工程技术专业09级3年制电信1班2011年10月18日摘要为了使单片机系统可靠运行，必须对单片机系统进行可靠性设计，为此，提出了单片机系统可靠性设计的思想，并从硬件和软件两个方面探讨了单片机系统可靠性设计的技术途径。根据硬件和软件子系统的人—环境特性，结合具体的实践经验，提出了单片机系统可靠性设计的具体技术。这些可靠性设计技术的应用，使单片机系统的可靠性提高到了一个新水平。关键词：可靠性设计；硬件；软件；模块化；抗干扰AbstractForreliableoperationofsingle-chipsystem,thereliabilityofthesystemmustbedesignedforsingle-chip,Inthispaper,single-chipsystemreliabilitydesignideas,andbothhardwareandsoftwaresystemreliabilityofasingle-chipdesigntechnologyapproach.Hardwareandsoftwaresubsystemsaccordingtopeople-environmentalcharacteristics,combinedwiththespecificexperience,madeasingle-chipsystemreliabilitydesignofspecifictechnologies.Thereliabilitydesigntechnology,thereliabilityoftheSCMsystemtoanewlevel.Keywords:reliabilitydesign;hardware;software;modular;interference目录摘要1Abstract1第1章绪论31.1单片机基础知识31.2单片机的应用领域31.3单片机的发展趋势4第2章硬件结构剖析62.180C51单片机的内部结构62.280C51单片机的引脚功能7第3章单片机硬件可靠性设计思想及设计113.1可靠性设计思想113.1.1单片机硬件子系统人—环境特性..........................11单片机系统硬件可靠性设计的途径........................11第4章单片机软件可靠性设计134.1软件可靠性设计............................................13单片机系统软件可靠性设计的途径........................13第5章调试与功能说明155.1硬件调试155.2软件调试问题及解决15参考文献15致谢16引言近年来，人们在单片机系统可靠性设计方面的探索已卓有成效，一些靠性设计技术在单片机系统中得到了广泛应用。但单片机系统的可靠性还远不能满足户的需要，特别是在一些新的应用领域，对单片机系的可靠性又有新的要求。本文主要针对石油测井行业劣应用环境下单片机系统可靠性设计展开论述。第1章绪论1.1单片机基础知识单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。DP-51S单片机仿真实验仪是由广州致远电子有限公司设计的DP系列单片机仿真实验仪之一，是一种功能强大的单片机应用技术学习、调试。1.2单片机的应用领域单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为如下几个范畴：一、在智能仪器仪表的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。二、在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。三、在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。四、在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。五、单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空等领域都有着十分广泛的用途。1.3单片机的发展趋势单片机现在可以说是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供了广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：一、微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。二、低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。像80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。CMOS虽然功耗低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。三、主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以80C51占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集合（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEX公司近年的单片机产量与日俱增，与其底价质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。九十年代以后，单片机在结构上采用双CPU或内部流水线，CPU位数有8位、16位、32位，时钟频率高达20MHZ，片内带有PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。芯片向高度集成化、低功耗方向的发展，使得单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。这类单片机有NEC公司的MPD7800，MITSUBISHI公司的M337700，REVKWELL公司的R6500。第2章硬件结构剖析2.180C51单片机的内部结构图2-1为80C51单片机功能结构框图80C51芯片内部集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和I/O口等各功能部件，并由内部总线把这些不见连接在一起。80C51单片机内部包含以下一些功能部件：(1)一个8位CPU；(2)一个片内振荡器和时钟电路；(3)4KBROM（80C51有4KB掩膜ROM，87C51有4KBEPROM，80C31片内有无ROM）；(4)128B内RAM；(5)可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；(6)两个16位定时/计数器；(7)21个特许功能寄存器；(8)4个8位并行I/O口，共32条可编程I/O端线；(9)一个可编程全双工串行口；程序存储器4KBROM程序存储器4KBROM数据存储器256B64K总线扩展控制器可编程I/O可编程全双工串行口外时钟源外部事件计数中断控制并行口串行通信图2-180C51单片机功能结构框图2.280C51单片机的引脚功能80C51单片机一般采用双列直插DIP封装，共40个引脚，图2-2为引脚排列图。图2-2b为逻辑符号图。40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。图2-280C51引脚图1.电源(1)Vcc——芯片电源，接５Ｖ；(2)GND——接地端。2.时钟XTAL1、XTAL2——晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路时外接石英晶体。3.控制线控制线共有4根，其中3根是复用线。所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能，在某种条件下是另一种功能。(1)ALE/PROG——地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。80C51在并行扩展外存储器（包括并行扩展I/O口）时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号，且均为二进制数。那么如何区分是低8位地址还是8位数据信号呢？当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；ALE信号无效时，P0口传送的是8位数据信号。在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的内容，即低8位地址信号。需要指出的是，当CPU不执行访问外RAM指令（MOVX）时，ALE以时钟振荡频率1/6的固定频率输出，因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟或其他需要。但是，当CPU执行MOVX指令时，ALE将跳过一个ALE脉冲。ALE端可驱动8个LSTTL门电路。PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。(2)PSEN——外ROM读选通信号。80C51读外ROM时，没个机器周期内PSEN两次有效输出。PSEN可作为外ROM芯片输出允许OE的选通信号。在读内ROM或读外RAM时，PSEN无效。PSEN可驱动8个LSTTL门电路。(3)RST/Vpd——复位/备用电源。正常工作时，RST（Reset）端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，80C51芯片即实现复位操作，复位后一切从头开始，CPU从0000H开始执行指令。Vpd功能：在Vcc掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由Vpd向片内供电，以保持片内RAM中的数据不丢失。(4)EA/Vpp——内外ROM选择/片内EPROM编程电源。EA功能：正常工作时，EA为内外ROM选择端。80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外（80C31芯片无内ROM，全部在片外）。当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC（程序计数器）值超过4KB（0FFFH）时，将自动转向执行外ROM中的程序。当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，因此EA必须接地。Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电源Vpp。对4个控制引脚，应熟记起第一功能，了解其第二功能。严格来讲，80C51的控制线还应该包括P3口的第二功能。(5)I/O引脚80C51共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚P0口——8位双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,P0口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。位结构如图2-3所示。P0口能驱动8个LSTTL门。VCC地址/数据VCC地址/数据控制锁存器P0.XDCPQQMUXV1V2P0.X引脚读锁存器写锁存器内部总线读引脚&1图2-3P0口位结构P1口——8位准双向I/O口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。位结构如图2-4所示。P1口能驱动为4个LSTTL门。VCC锁存器VCC锁存器P1.XDCPQQP1.X引脚读锁存器写锁存器内部总线读引脚内部上拉电阻图2-4P1口位结构P2口——8位准双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,P2口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,P2口可用于传送高8位地址(属地址总线)。P2口能驱动4个LSTTL门。P2口的位结构如图2-5所示，引脚上拉电阻同P1口。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。锁存器P2.X锁存器P2.XDCPQQ读锁存器写锁存器内部总线读引脚VCCP2.X引脚内部上拉电阻1地址控制MUX图2-5P2口位结构P3口——8位准双向I/O口。可作一般I/O口用,同时P3口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。P3口驱动能力为4个LSTTL门。图2-6P3口位结构P3口第二功能如下:P3.0——RXD:串行口输入端;P3.1——TXD:串行口输出端;P3.2——INT0:外部中断0请求输入端;P3.3——INT1:外部中断1请求输入端P3.4——T0:定时/计数器0外部信号输入端;P3.5——T1:定时/计数器1外部信号输入端;P3.6——WR:外RAM写选通信号输出端;P3.7——RD:外RAM读选通信号输出端。上述4个I/O口,各有各的用途。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,4个I/O口都可作为双向I/O口用。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,P0口专用于分时传送低8位地址信号和8位数据信号,P2口专用于传送高8位地址信号。P3口根据需要常用于第二功能,真正可提供给用户使用的I/O口是P1口和一部分未用作第二功能的P3口端线。第3章单片机硬件可靠性设计思想及设计3.1可靠性设计思想根据可靠性理论和人机工程学原理，任何单片机系统都可以划分为人、硬件、软件、环境+个子系统，其中，硬件是单片机系统的基础，软件则是单片机系统的灵魂；硬件、软件必须适应人和环境的要求。因此，单片机系统可靠性设计的思路主要以故障为核心，根据人—环境特性，分别从硬件、软件两个方面展开避错设计和容错设计。在工程实践中，避错设计主要以抗干扰设计为内容，通过采取适当的抗干扰措施，使系统免受各种干扰因素的影响而正常运行；容错设计则更进一步，对一些无法避免的错误，通过适当的诊错容错，使系统仍能正常运行，主要以故障诊断和处理为内容。因此，单片机系统可靠性设计主要包括避错设计、容错设计、合理性设计、环境适应性设计，内容虽有交叉但各有侧重，这几个方面的完美组合是一个单片机系统可靠运行的有力保障。3.2可靠性设计单片机硬件子系统人—环境特性单片机在石油测井行业的应用主要集中在数据采集和处理方面，如下井仪数据采集与传输、地面仪数据采集与处理等等，这些应用要经受恶劣环境的考验，单片机硬件子系统人—环境特性可归纳为下图所示内容。硬件子系统人—环境特性示意图当然，单片机系统应用现场的环境干扰是客观存在的，也不可能彻底消除，只有当干扰因素对单片机系统可靠运行构成威胁时，才必须采取适当的措施进行隔离、滤除和屏蔽。单片机系统硬件可靠性设计的途径单片机系统硬件可靠性设计主要有以下三条途径：（一）提高系统设计的合理性；（二）选用高可靠的元器件；（三）针对人—环境特性采取相应的可靠性措施。提高系统设计的合理性（1）各类器件的速度要匹配，高、低速器件不应混用；（2）各类器件的电平要匹配，器件接口应考虑电平匹配；（3）各类器件的温度性能要匹配，高、低温器件不应混用；（4）各类器件的可靠性等级要匹配，不同可靠性等级的器件不应混用；（5）合理选用系统时钟；在满足实时性要求的前提下，选用较低的系统时钟，可以降低对其它元器件的速度要求，有利于提高硬件运行的可靠性，工业上常用！石油测井行业下井仪数据采集及遥传通信已用到。（6）合理设计系统结构，如器件的安装结构、连接件的选型、布局。目前，单片机系统的主机板、接口板、键盘板之间的相互连接要通过总线板上的插槽，这些插槽及印制板引线、制板工艺严重影响系统的可靠性，最明显的例子是0(机上的显卡、(01转接卡插接不可靠经常影响用户正常使用，这一点也应引起0(机行业的关注。对此类错误，可通过减少中间环节的方法，或不用插槽而改为带卡紧装置的插头、插座等措施加以避免。选用高可靠的元器件；（1）选用可靠性等级高的元器件；（2）元器件筛选，从而分级分类使用元器件。针对人—环境特性采取的可靠性措施针对各种干扰源，采取相应的抗干扰措施，有关单片机应用系统设计的文献论述较多，比如电源抗干扰问题、接地问题，传输线抗干扰问题，电磁干扰问题，没有必要在此重复。文章主要介绍在研制单片机测井仪时，采取的一些可靠性措施：（3）根据硬件功能，在具体实现上进行模块化布局，包括板级和印制板内部单元电路两个层次；比如将测量不同参数（井温、核测井信号）的电路划分成不同的接口板；在板内又尽可能将模拟电路和数字电路各自集中在一起布局；（4）元器件布局及引线走向符合信号传输特性；（5）印制板电源入口处增加大、小容量电容滤除低、高频电源干扰；（6）在同一印制板上同一组电源不翻面走线，杜绝不同电源之间交叉互扰现象；（7）所集成芯片供电引脚最近的地方设计去藕电容，能够确保集成芯片可靠地工作；（8）在模拟输出通道上加装调零电路，可有效地抑制输出零漂；针对人—环境特性采取相应的可靠性措施（1）抗振设计：为了适应强振动环境，抗振设计已经得到了普遍重视。也可借鉴工控计算机上采用的一些抗振设计措施，对器件的安装方式进行合理设计，增强单片机系统的抗振能力。（2）插拔器件：单片机系统中插拔器件较多，防止这类器件从插座脱落非常重要，除了选用性能较好的插座之外，可采取措施使器件与插座成为一起，如金属卡，涂敷高温硅橡胶等。（3）系统低功耗设计：为了适应高温环境，加装保温瓶和系统低功耗设计是两条有效途径。在下井仪中应用的单片机系统，安装空间有限，散热条件恶劣，简化设计、采用低功耗高集成度元器件的要求更为突出。所用(01及其它器件至少要达到军品级，否则就无法正常工作。因此用最小系统完成所需功能就成为必然选择。（4）辐射效应：微电子器件受到辐射后会引起表面翻转及其相关的漏电流发生，航天和通讯领域应用的839:微波单片集成电路很好的解决了这一问题。目前，石油测井行业还未见辐射效应影响系统可靠性的报道，但同类器件在石油测井行业应用时，对辐射屏蔽应有所考虑。第4章单片机软件可靠性设计4.1软件可靠性设计软件是一种逻辑性系统元素，具有抽象性、严密性、智力性、持久性、易出错、须维护、难以度量等特征，软件编制过程与人密切相关，错误在所难免，并具有传染性。问题是如何使软件错误减少到最少，出错以后又具有一定的诊错容错能力。这是软件可靠性设计必须解决的问题。软件子系统人—环境特性示意图单片机系统软件可靠性设计的途径软件设计错误是造成软件运行不可靠的主要因素［!］，但设计正确的软件并不一定就能可靠运行，因为软件在运行过程中还要受到来自内外的各种干扰，为此单片机系统软件可靠性设计主要有以下两条途径：（一）提高软件设计的正确性；（二）针对人—环境特性采取相应的可靠性措施。提高软件设计的正确性（1）认真设计：在明确单片机系统各组成部分硬件地址的基础上，深刻领会汇编语言指令的功能及其对机器状态字的影响，正确划分片内的功能，认真细致的编写系统软件。在编写过程中可借鉴软件工程的一些具体作法，如按照信息流向逐级设计数据流图，编写程序时尽量增加注释语句，同时编写好软件文档，使程序易懂透明，增强软件的可读性和可维护性。（2）合理安排中断：根据系统特点合理安排中断所完成的功能及中断的优先级，中断现场的保护和恢复，避免中断冲突，对于系统运行非常重要。（3）模块化结构：根据系统功能将软件分成若干个模块，这样不但编程思路清楚，不易出错而且也便于阅读和调试。（4）恰当安排软件陷阱：软件在运行过程中可能出现失控现象，例如受到3333444干扰或程序飞逸到3333444非程序区，这时就会错误的执行56+7，,指令，造成+7内容错误变化。因此在未使用的向量、非程序区、程序断裂点、编程应用到+7的重要程序段埋设软件陷阱，以捕捉飞逸的程序。（5）恰当采用指令冗余技术：在不影响实时性的前提下，同一指令的反复执行，或用三选二策略进行判决，有利于消除偶然干扰，提高软件运行的可靠性。（6）软件消抖措施：按键操作中的意外抖动经常发生，为了消除不利影响，在键处理程序中，采用延时再判的方法，能够保证人机对话可靠进行。（7）应用直接地址：对固定寄存器区的寄存器+@，用代号不如用直接地址来得可靠，因此在软件设计过程中应尽量采用直接地址，避免发生误传递。（8）应用数字滤波技术：在参数测量中，为了消除随机干扰，经常采用数字滤波技术。比如对核测井信号采用加权平滑消除高斯噪声；对井温信号采用中值滤波，或程序判断滤波，对于明显超出正常取值范围的数据予以剔除，从而提高采样的可信度。（9）软件容错设计：软件容错设计是一个困难的话题，因为它需要了解各类软件错误形态，进而决定具体的容错算法。对单片机系统而言，可采取一些简单的容错处理，如对于一些重要参数的输入，要求用户两次确认；对于非法的参数输入，单片机将自动复位。第5章调试与功能说明单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分，但是他们并不能完全分开。一般的方法是排除明显的硬件故障，再进行综合调试，排除可能的软/硬件故障