原创 单片机系统可靠性设计

1、 硬件抗干扰设计

1) 选择抗干扰性能强的CPU

单片机和单片机抗干扰能力是不一样的。如果你的产品是工作在干扰比较大的环境，可以试试选用不同品牌的单片机；原来我在一个光电所，做YAG激光治疗机的控制部分，脉冲激光机的电源放电的时候，能量是很大的，在采取了所有能够想到的光电隔离等措施之后，还是不行；后来，选用了intel的8031，就可以了。

现在，8031兼容的厂家是越来越多了，很多厂家号称自己的芯片怎么怎么牛。那么，当你的系统遇到被干扰的时候，可以试试看，哪些单片机抗干扰性能最强。

这也是为什么在单片机系统中，选用51的原因，可以选择替换的兼容的CPU多；

实际上，摩托罗拉的单片机的抗干扰性能要比51的好。在北美大量使用。

2) 数字量的光电隔离

开关量信号实际上有不同的信号传输方式：

1） TTL电平

2） RS232电平（非平衡信号）

3） RS485电平（平衡信号，或者差分信号）

4） 电流环路（有电流或者无电流）

单片机的输入输出口线是最容易引进干扰的地方；对于不使用的I/O口线，需要使用电阻上拉到高电平，不可悬置。

直接将开关量信号接到单片机的口线上，是最不可取的设计；至少要加一个缓冲驱动的芯片隔离，而且这个芯片要跟CPU尽量近；在严重干扰的情况下，需要将所有的口线采用光耦光电隔离。

光耦隔离就是采用电流环路传输，避免在长线传输的时候，在传输线上积累高压和感应信号，使得数据紊乱甚至损坏TTL接口芯片，或者干扰单片机的正常运行。

注意，采用光电隔离是为了信号使用电流环路传输，而不是使用TTL电平传输，这意味着，从Cpu模块的角度看，开关量输出，驱动器件，如：74LS244/245/07…等等，在CPU模块这里，光耦在另外一块电路板处；开关量输入，光耦在CPU模块处，而驱动器件在另外一块电路板处；这样才能形成电流环路。数字信号的电流环路的电流一般在5mA～10mA，根据光耦的指标而定。

在工业环境下与CPU模块相对独立的键盘，需要使用光耦光电隔离接入到系统中，否则极易损坏接口芯片；

3) 模拟量的光电隔离

模拟量隔离有2种方法，一种是，使用线性光耦，隔离模拟量；但是由于线性光耦的昂贵的价格，并且线性区也很窄，不推荐使用。

比较常用的办法是，，选用SPI接口，或者3线接口的AD或者DA，把数据、时钟和使能信号，使用光耦隔离。

这实际上是把模拟量的信号转换成串行的开关量的数据流传输；

还有一种是使用4～20mA的电流环路，但是4～20mA的芯片价格比较昂贵，而且电路也复杂；

4) 模拟量的通讯传输

另外一种办法，就是使用一个CPU，把模拟量读入到CPU，再通过RS485接口把数据按照通讯协议，传输到主CPU模块；当然，也可以传输开关量信号等；

实际上，这是一个分布式的测控网络的方法；多板的单片机测控系统经常使用这种方法。

5) 独立的看门狗

选用独立的看门狗作为系统复位信号产生；当系统跑飞时，由于没有喂狗，看门狗产生复位信号，使得系统可以最大限度地找回跑飞前的数据，尽可能重新开始平稳的运行。

6) 采用RS232电平传输

比如，机箱的面板显示，经常采用max7219，这时如果使用TTL电平，经常被干扰使得显示不正常；可以在发送端使用一片MAX232，将TTL电平转换成RS232电平，在面板显示电路板，选用一片MC1489，将RS232电平，转换TTL电平，加强驱动能力，就可以保证信号正确传输；

7) 采用RS422电平传输

同样，也可以在发送端，采用一片MAX485，将TTL电平转换成RS485电平，在接收端，选用一片MAX485，将RS485电平，转换TTL电平，就可以保证信号正确传输；

2、软件抗干扰设计

1） 一些文章指出，单字节指令，如SJMP就比LJMP抗干扰性能要好；

2） 在多字节指令地方加入一些单字节指令：比如NOP；这是牺牲程序空间，换取系统的稳定；

3） 在程序开始时，检查RAM，判断是上电复位还是程序跑飞了看门狗复位；最大限度争取程序重新回到跑飞的地方，不被外部察觉平稳运行。

4） 一个比较好的程序结构是避免程序进入死循环的重要方法；这是牺牲高效率的代码获得的。

5） 如果能预知干扰，比如触发一个放电设备，或者控制一个交流接触器，采用休眠＋定时器唤醒的办法是实用的；这是一个有效的方法。

可以参考：

《单片机应用程序设计技术》   周航慈 北京航空航天大学出版社

3、 PCB的可靠性设计

1）尽量减少过孔；

2）尽量减小PCB的面积；

3）尽量加粗线条

4、冗余设计

2倍以上的冗余量。

比如：

1） 5V的电源，选用25V耐压的电容；

2） 功耗1/8W的电阻，选用1/4W的电阻；

3） 系统平均功耗5V/2A，选用5V/4A的开关电源等

4） 光耦的电流，在数据手册额定的范围内；

5） 驱动芯片带负载，如7407，uln2003等，选取工作范围的一半～3/4处；

这是为了产品能够有比较长的系统寿命。

但是我也注意到，在一些国外的进口产品，往往有一些薄弱的环节。

试举一例：

在某德国进口的磁卡设备中，有一个红外发射和接收的模块，以定位磁卡的位置；使用中发现红外发射的模块经常损坏，经研究发现，红外发射二极管的限流电阻在100欧姆（大概值，时间长忘了，电源是5V），导致红外发射管经常损坏。而接收管与发射管之间的距离仅仅几个mm。我相信，这不是设计者的疏忽，而是在有意识地控制产品的寿命，以获得相应的备件和售后服务的利润。

5、其它

1）在复杂现场条件下，可以考虑，把整个CPU控制电路，采用金属机箱，做好接地；接地电阻不小于4欧姆；保证没有空间干扰的串入；

2）所有机箱对外的接口，使用光电隔离、4～20mA电流环路，或者平衡信号传输，没有公共的信号地；保证没有干扰由控制线路串入；

3）对于功率驱动来说，尽量采用Opto-22兼容的无触点的固态继电器，与机械继电器相比，固态继电器更加可靠，具有更快的反应速度和抗噪声功能。国外的固态继电器,

4）控制设备尽量远离执行机构；比如，控制一个交流接触器，使用固态继电器模块，将该模块放置在配电柜内；而控制设备放置在监控室。