畢業(yè)論文---淺談單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的可靠性

1、<p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　題 目 淺談單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的可靠性 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　為了使單片機(jī)系統(tǒng)可靠運(yùn)行，必須對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計，為此，提出了單片機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計的思想，并從硬件和軟件兩個方面探討了單片機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計的

2、技術(shù)途徑。根據(jù)硬件和軟件子系統(tǒng)的人—環(huán)境特性，結(jié)合具體的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了單片機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計的具體技術(shù)。這些可靠性設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，使單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性提高到了一個新水平。</p><p>　　關(guān)鍵詞：可靠性設(shè)計；硬件；軟件；模塊化；抗干擾</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　For reliable ope

3、ration of single-chip system, the reliability of the system must be designed for single-chip, In this paper, single-chip system reliability design ideas, and both hardware and software system reliability of a single-chip

4、 design technology approach. Hardware and software subsystems according to people - environmental characteristics, combined with the specific experience, made a single-chip system reliability design of specific technolog

5、ies. The reliability design technology, the </p><p>　　Keywords: reliability design; hardware; software; modular; interference</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1

6、</b></p><p>　　Abstract1</p><p><b>　　第1章 緒論3</b></p><p>　　1.1 單片機(jī)基礎(chǔ)知識3</p><p>　　1.2 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域3</p><p>　　1.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢4</p><p

7、>　　第2章 硬件結(jié)構(gòu)剖析6</p><p>　　2.1 80C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)6</p><p>　　2.2 80C51單片機(jī)的引腳功能7</p><p>　　第3章 單片機(jī)硬件可靠性設(shè)計思想及設(shè)計11</p><p>　　3.1 可靠性設(shè)計思想11</p><p>　　3.1.1單片機(jī)硬件子系統(tǒng)

8、人—環(huán)境特性..........................11</p><p>　　3.1.2單片機(jī)系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計的途徑........................11</p><p>　　第4章單片機(jī)軟件可靠性設(shè)計13</p><p>　　4.1 軟件可靠性設(shè)計............................................

9、13</p><p>　　4.1.1單片機(jī)系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計的途徑........................13</p><p>　　第5章 調(diào)試與功能說明15</p><p>　　5.1 硬件調(diào)試15</p><p>　　5.2 軟件調(diào)試問題及解決15</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)15

10、</b></p><p><b>　　致謝16</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　近年來，人們在單片機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計方面的探索已卓有成效，一些靠性設(shè)計技術(shù)在單片機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性還遠(yuǎn)不能滿足戶</p><p>　　的需要，特

11、別是在一些新的應(yīng)用領(lǐng)域，對單片機(jī)系的可靠性又有新的要求。本文主要針對石油測井行業(yè)劣應(yīng)用環(huán)境下單片機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計展開論述。</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 單片機(jī)基礎(chǔ)知識</p><p>　　單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講，一塊

12、芯片就成了一臺計算機(jī)。</p><p>　　MCS-51單片機(jī)是美國INTEL公司于1980年推出的產(chǎn)品，與MCS- 48單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令，指令數(shù)達(dá)111條，MCS-51單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與MSC-51單片機(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。</p&g

13、t;<p>　　MCS-51系列單片機(jī)主要包括8031、8051和8751等通用產(chǎn)品。</p><p>　　DP-51S單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)儀是由廣州致遠(yuǎn)電子有限公司設(shè)計的DP系列單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)儀之一，是一種功能強(qiáng)大的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)學(xué)習(xí)、調(diào)試。</p><p>　　1.2 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航

14、空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分為如下幾個范疇：</p><p>　　一、在智能儀器儀表的應(yīng)用</p><p>　　單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智

15、能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，各種分析儀）。</p><p>　　二、在家用電器中的應(yīng)用</p><p>　　可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。</p><p>　　三、在工業(yè)控制中的應(yīng)用<

16、/p><p>　　用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。</p><p>　　四、在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用</p><p>　　現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本

17、上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)、電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機(jī)等。</p><p>　　五、單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用</p><p>　　單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 </p><p>　　此外，

18、單片機(jī)在工商、金融、科研、教育、國防航空等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。</p><p>　　1.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢</p><p>　　單片機(jī)現(xiàn)在可以說是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī)，從8位、16位到32位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補(bǔ)，為單片機(jī)的應(yīng)用提供了廣闊的天地。</p>&

19、lt;p>　　縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢，大致有：</p><p><b>　　一、微型單片化</b></p><p>　　現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲（RAM）、只讀程序存儲器（ROM）、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW（脈

20、寬調(diào)制電路）、WDT（看門狗）、有些單片機(jī)將LCD（液晶）驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。</p><p>　　此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外，還要求其體積要小。現(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式，其中SMD（表面封裝）越來越受歡迎，使得由單片機(jī)構(gòu)成的

21、系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。</p><p>　　二、低功耗CMOS化</p><p>　　MCS-51系列的8031推出時的功耗達(dá)630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW左右，隨著對單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝）。像80C51就采用了HMOS（即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝）和CHMOS（互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝）。CM

22、OS雖然功耗低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，這些特征，更適合于要求低功耗像電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。</p><p>　　三、主流與多品種共存</p><p>　　現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品，ATMEL

23、公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond系列單片機(jī)。所以80C51占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集合（RISC）也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEX公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，與其底價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場份額。此外還有MOTOROLA公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機(jī)。在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)、相輔相成、共同發(fā)展的道路。</p&

24、gt;<p>　　九十年代以后，單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上采用雙CPU或內(nèi)部流水線，CPU位數(shù)有8位、16位、32位，時鐘頻率高達(dá)20MHZ，片內(nèi)帶有PWM輸出、監(jiān)視定時器WDT、可編程計數(shù)器陣列PCA、DMA傳輸、調(diào)制解調(diào)器等。芯片向高度集成化、低功耗方向的發(fā)展，使得單片機(jī)在大量數(shù)據(jù)的實(shí)時處理、高級通信系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、復(fù)雜工業(yè)過程控制、高級機(jī)器人以及局域網(wǎng)等方面得到大量應(yīng)用。這類單片機(jī)有NEC公司的MPD7800，MITSUBI

25、SHI公司的M337700，REVKWELL公司的R6500。</p><p>　　第2章 硬件結(jié)構(gòu)剖析</p><p>　　2.1 80C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2-1為80C51單片機(jī)功能結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　80C51 芯片內(nèi)部集成了 CPU、RAM、ROM、定時/計數(shù)器和I/O口等各功能部件，并由內(nèi)部總線把

26、這些不見連接在一起。</p><p>　　80C51單片機(jī)內(nèi)部包含以下一些功能部件：</p><p>　　(1)一個8位CPU；</p><p>　　(2)一個片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；</p><p>　　(3)4KB ROM（80C51有4KB掩膜ROM，87C51有4KB EPROM，80C31片內(nèi)有無ROM）；</p>&l

27、t;p>　　(4)128B內(nèi)RAM；</p><p>　　(5)可尋址64KB的外ROM和外RAM控制電路；</p><p>　　(6)兩個16位定時/計數(shù)器；</p><p>　　(7)21個特許功能寄存器；</p><p>　　(8)4個8位并行I/O口，共32條可編程I/O端線；</p><p>　　(9)

28、一個可編程全雙工串行口；</p><p>　　(10)5個中斷源，可設(shè)置成2個優(yōu)先級。</p><p>　　外時鐘源 外部事件計數(shù)</p><p>　　中斷 控制 并 行 口 串行通信</p

29、><p>　　圖2-1 80C51單片機(jī)功能結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.2 80C51單片機(jī)的引腳功能</p><p>　　80C51單片機(jī)一般采用雙列直插DIP封裝，共40個引腳，圖2-2為引腳排列圖。圖2-2b為邏輯符號圖。40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。</p><p>　　圖2-2 80C51引腳圖</

30、p><p><b>　　1.電源</b></p><p>　　(1)Vcc——芯片電源，接５Ｖ；</p><p>　　(2)GND——接地端。</p><p><b>　　2.時鐘</b></p><p>　　XTAL1、XTAL2——晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。使用內(nèi)部振蕩

31、電路時外接石英晶體。</p><p><b>　　3.控制線</b></p><p>　　控制線共有4根，其中3根是復(fù)用線。所謂復(fù)用線是指具有兩種功能，正常使用時是一種功能，在某種條件下是另一種功能。</p><p>　　(1)ALE/PROG——地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖。</p><p>　　ALE功能：用

32、來鎖存P0口送出的低8位地址。</p><p>　　80C51在并行擴(kuò)展外存儲器（包括并行擴(kuò)展I/O口）時，P0口用于分時傳送低8位地址和數(shù)據(jù)信號，且均為二進(jìn)制數(shù)。那么如何區(qū)分是低8位地址還是8位數(shù)據(jù)信號呢？當(dāng)ALE信號有效時，P0口傳送的是低8位地址信號；ALE信號無效時，P0口傳送的是8位數(shù)據(jù)信號。在ALE信號的下降沿，鎖定P0口傳送的內(nèi)容，即低8位地址信號。</p><p>　　需要

33、指出的是，當(dāng)CPU不執(zhí)行訪問外RAM指令（MOVX）時，ALE以時鐘振蕩頻率1 / 6的固定頻率輸出，因此ALE信號也可作為外部芯片CLK時鐘或其他需要。但是，當(dāng)CPU執(zhí)行MOVX指令時，ALE將跳過一個ALE脈沖。</p><p>　　ALE端可驅(qū)動8個LSTTL門電路。</p><p>　　PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。</p&g

34、t;<p>　　(2)PSEN——外ROM讀選通信號。</p><p>　　80C51讀外ROM時，沒個機(jī)器周期內(nèi)PSEN兩次有效輸出。PSEN可作為外ROM芯片輸出允許OE的選通信號。在讀內(nèi)ROM或讀外RAM時，PSEN無效。</p><p>　　PSEN可驅(qū)動8個LSTTL門電路。 </p><p>　　(3)RST/Vpd——復(fù)位/備用電源。&l

35、t;/p><p>　　正常工作時，RST（Reset）端為復(fù)位信號輸入端，只要在該引腳上連續(xù)保持兩個機(jī)器周期以上高電平，80C51芯片即實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，復(fù)位后一切從頭開始，CPU從0000H開始執(zhí)行指令。</p><p>　　Vpd功能：在Vcc掉電情況下，該引腳可接上備用電源，由Vpd向片內(nèi)供電，以保持片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。</p><p>　　(4)EA/Vpp

36、——內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。</p><p>　　EA功能：正常工作時，EA為內(nèi)外ROM選擇端。80C51單片機(jī)ROM尋址范圍為64KB，其中4KB在片內(nèi)，60KB在片外（80C31芯片無內(nèi)ROM，全部在片外）。當(dāng)EA保持高電平時，先訪問內(nèi)ROM，但當(dāng)PC（程序計數(shù)器）值超過4KB（0FFFH）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外ROM中的程序。當(dāng)EA保持低電平時，則只訪問外ROM，不管芯片內(nèi)有否內(nèi)ROM。對80

37、C31芯片，片內(nèi)無ROM，因此EA必須接地。</p><p>　　Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳用于施加編程電源Vpp。</p><p>　　對4個控制引腳，應(yīng)熟記起第一功能，了解其第二功能。</p><p>　　嚴(yán)格來講，80C51的控制線還應(yīng)該包括P3口的第二功能。</p><p><b>　　

38、(5)I/O引腳</b></p><p>　　80C51共有4個8位并行I/O端口,共32個引腳</p><p>　　P0口——8位雙向I/O口。在不并行擴(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)展I/O口)時, P0口可用作雙向I/O口。</p><p>　　在并行擴(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)展I/O口)時, P0口可用于分時傳送低8位地址(地址總線)和8位數(shù)據(jù)信號(數(shù)據(jù)總

39、線)。位結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。P0口能驅(qū)動8個LSTTL門。</p><p>　　圖2-3 P0口位結(jié)構(gòu)</p><p>　　P1口——8位準(zhǔn)雙向I/O口(“準(zhǔn)雙向”是指該口內(nèi)部有固定的上拉電阻)。位結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。P1口能驅(qū)動為4個LSTTL門。</p><p>　　圖 2-4 P1口位結(jié)構(gòu)</p><p>　　P2口——8位準(zhǔn)雙向I

40、/O口。在不并行擴(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)展I/O口)時, P2口可用作雙向I/O口。在并行擴(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)展I/O口)時, P2口可用于傳送高8位地址(屬地址總線) 。P2口能驅(qū)動4個LSTTL門。P2口的位結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，引腳上拉電阻同P1口。在結(jié)構(gòu)上，P2口比P1口多一個輸出控制部分。</p><p>　　圖 2-5 P2口位結(jié)構(gòu)</p><p>　　P3口——8位準(zhǔn)雙向

41、I/O口?？勺饕话鉏/O口用,同時P3口每一引腳還具有第二功能,用于特殊信號輸入輸出和控制信號(屬控制總線)。P3口驅(qū)動能力為4個LSTTL門。</p><p>　　圖 2-6 P3口位結(jié)構(gòu)</p><p>　　P3口第二功能如下:</p><p>　　P3.0——RXD:串行口輸入端;</p><p>　　P3.1——TXD:串行口輸出端

42、;</p><p>　　P3.2——INT0:外部中斷0請求輸入端;</p><p>　　P3.3——INT1:外部中斷1請求輸入端</p><p>　　P3.4——T0:定時/計數(shù)器0外部信號輸入端;</p><p>　　P3.5——T1:定時/計數(shù)器1外部信號輸入端;</p><p>　　P3.6——WR:外RAM

43、寫選通信號輸出端;</p><p>　　P3.7——RD:外RAM讀選通信號輸出端。</p><p>　　上述4個I/O口,各有各的用途。 在不并行擴(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)展I/O口)時, 4個I/O口都可作為雙向I/O口用。在并行擴(kuò)展外存儲器(包括并行擴(kuò)展I/O口)時, P0口專用于分時傳送低8位地址信號和8位數(shù)據(jù)信號,P2口專用于傳送高8位地址信號。P3口根據(jù)需要常用于第二功能,真正可

44、提供給用戶使用的I/O口是P1口和一部分未用作第二功能的P3口端線。</p><p>　　第3章 單片機(jī)硬件可靠性設(shè)計思想及設(shè)計</p><p>　　3.1 可靠性設(shè)計思想</p><p>　　根據(jù)可靠性理論和人機(jī)工程學(xué)原理，任何單片機(jī)系統(tǒng)都可以劃分為人、硬件、軟件、環(huán)境 + 個子系統(tǒng)，其中，硬件是單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件則是單片機(jī)系統(tǒng)的靈魂；硬件、軟件必須適應(yīng)人和環(huán)

45、境的要求。因此，單片機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計的思路主要以故障為核心，根據(jù)人—環(huán)境特性，分別從硬件、軟件兩個方面展開避錯設(shè)計和容錯設(shè)計。在工程實(shí)踐中，避錯設(shè)計主要以抗干擾設(shè)計為內(nèi)容，通過采取適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施，使系統(tǒng)免受各種干擾因素的影響而正常運(yùn)行；容錯設(shè)計則更進(jìn)一步，對一些無法避免的錯誤，通過適當(dāng)?shù)脑\錯容錯，使系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，主要以故障診斷和處理為內(nèi)容。因此，單片機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計主要包括避錯設(shè)計、容錯設(shè)計、合理性設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，內(nèi)容雖有交

46、叉但各有側(cè)重，這幾個方面的完美組合是一個單片機(jī)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的有力保障。</p><p><b>　　3.2 可靠性設(shè)計</b></p><p>　　3.2.1單片機(jī)硬件子系統(tǒng)人—環(huán)境特性</p><p>　　單片機(jī)在石油測井行業(yè)的應(yīng)用主要集中在數(shù)據(jù)采集和處理方面，如下井儀數(shù)據(jù)采集與傳輸、地面儀數(shù)據(jù)采集與處理等等，這些應(yīng)用要經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，單

47、片機(jī)硬件子系統(tǒng)人—環(huán)境特性可歸納為下圖所示內(nèi)容。</p><p>　　硬件子系統(tǒng)人—環(huán)境特性示意圖</p><p>　　當(dāng)然，單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場的環(huán)境干擾是客觀存在的，也不可能徹底消除，只有當(dāng)干擾因素對單片機(jī)系統(tǒng)可靠運(yùn)行構(gòu)成威脅時，才必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行隔離、濾除和屏蔽。</p><p>　　3.2.2單片機(jī)系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計的途徑</p><

48、p>　　單片機(jī)系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計主要有以下三條途徑：</p><p>　?。ㄒ唬┨岣呦到y(tǒng)設(shè)計的合理性；</p><p>　?。ǘ┻x用高可靠的元器件；</p><p>　　（三）針對人—環(huán)境特性采取相應(yīng)的可靠性措施。</p><p>　　提高系統(tǒng)設(shè)計的合理性</p><p>　?。?）各類器件的速度要匹配，高、低

49、速器件不應(yīng)混用；</p><p>　　（2）各類器件的電平要匹配，器件接口應(yīng)考慮電平匹配；</p><p>　?。?）各類器件的溫度性能要匹配，高、低溫器件不應(yīng)混用；</p><p>　?。?）各類器件的可靠性等級要匹配，不同可靠性等級的器件不應(yīng)混用；</p><p>　?。?）合理選用系統(tǒng)時鐘；在滿足實(shí)時性要求的前提下，選用較低的系統(tǒng)時鐘，

50、可以降低對其它元器件的速度要求，有利于提高硬件運(yùn)行的可靠性，工業(yè)上常用！石油測井行業(yè)下井儀數(shù)據(jù)采集及遙傳通信已用到。</p><p>　?。?）合理設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如器件的安裝結(jié)構(gòu)、連接件的選型、布局。</p><p>　　目前，單片機(jī)系統(tǒng)的主機(jī)板、接口板、鍵盤板之間的相互連接要通過總線板上的插槽，這些插槽及印制板引線、制板工藝嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性，最明顯的例子是 0( 機(jī)上的顯卡、(01

51、轉(zhuǎn)接卡插接不可靠經(jīng)常影響用戶正常使用，這一點(diǎn)也應(yīng)引起 0( 機(jī)行業(yè)的關(guān)注。對此類錯誤，可通過減少中間環(huán)節(jié)的方法，或不用插槽而改為帶卡緊裝置的插頭、插座等措施加以避免。</p><p>　　選用高可靠的元器件；</p><p>　?。?）選用可靠性等級高的元器件；</p><p>　　（2）元器件篩選，從而分級分類使用元器件。針對人—環(huán)境特性采取的可靠性措施針對各種干

52、擾源，采取相應(yīng)的抗干擾措施，有關(guān)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的文獻(xiàn)論述較多，比如電源抗干擾問題、接 地 問 題，傳 輸 線 抗 干 擾 問 題，電磁干擾問題，沒有必要在此重復(fù)。文章主要介紹在研制單片機(jī)測井儀時，采取的一些可靠性措施：</p><p>　?。?）根據(jù)硬件功能，在具體實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行模塊化布局，包括板級和印制板內(nèi)部單元電路兩個層次；比如將測量不同參數(shù)（井溫、核測井信號）的電路劃分成不同的接口板；在板內(nèi)又盡可能將模擬電

53、路和數(shù)字電路各自集中在一起布局；</p><p>　?。?）元器件布局及引線走向符合信號傳輸特性；</p><p>　?。?）印制板電源入口處增加大、小容量電容濾除低、高頻電源干擾；</p><p>　?。?）在同一印制板上同一組電源不翻面走線，杜絕不同電源之間交叉互擾現(xiàn)象；</p><p>　?。?）所集成芯片供電引腳最近的地方設(shè)計去藕電容

54、，能夠確保集成芯片可靠地工作；</p><p>　?。?）在模擬輸出通道上加裝調(diào)零電路，可有效地抑制輸出零漂；</p><p>　　針對人—環(huán)境特性采取相應(yīng)的可靠性措施</p><p>　?。?）抗振設(shè)計：為了適應(yīng)強(qiáng)振動環(huán)境，抗振設(shè)計已經(jīng)得到了普遍重視。也可借鑒工控計算機(jī)上采用的一些抗振設(shè)計措施，對器件的安裝方式進(jìn)行合理設(shè)計，增強(qiáng)單片機(jī)系統(tǒng)的抗振能力。</p&

55、gt;<p>　?。?） 插拔器件：單片機(jī)系統(tǒng)中插拔器件較多，防止這類器件從插座脫落非常重要，除了選用性能較好的插座之外，可采取措施使器件與插座成為一起，如金屬卡，涂敷高溫硅橡膠等。</p><p>　?。?）系統(tǒng)低功耗設(shè)計：為了適應(yīng)高溫環(huán)境，加裝保溫瓶和系統(tǒng)低功耗設(shè)計是兩條有效途徑。在下井儀中應(yīng)用的單片機(jī)系統(tǒng)，安裝空間有限，散熱條件惡劣，簡化設(shè)計、采用低功耗高集成度元器件的要求更為突出。所用 (0

56、1 及其它器件至少要達(dá)到軍品級，否則就無法正常工作。因此用最小系統(tǒng)完成所需功能就成為必然選擇。</p><p>　　（4）輻射效應(yīng)：微電子器件受到輻射后會引起表面翻轉(zhuǎn)及其相關(guān)的漏電流發(fā)生，航天和通訊領(lǐng)域應(yīng)用的839: 微波單片集成電路很好的解決了這一問題。目前，石油測井行業(yè)還未見輻射效應(yīng)影響系統(tǒng)可靠性的報道，但同類器件在石油測井行業(yè)應(yīng)用時，對輻射屏蔽應(yīng)有所考慮。</p><p>　　第4章

57、 單片機(jī)軟件可靠性設(shè)計</p><p>　　4.1 軟件可靠性設(shè)計</p><p>　　軟件是一種邏輯性系統(tǒng)元素，具有抽象性、嚴(yán)密性、智力性、持久性、易出錯、須維護(hù)、難以度量等特征，軟件編制過程與人密切相關(guān)，錯誤在所難免，并具有傳染性。問題是如何使軟件錯誤減少到最少，出錯以后又具有一定的診錯容錯能力。這是軟件可靠性設(shè)計必須解決的問題。</p><p>　　軟件子系統(tǒng)

58、人—環(huán)境特性示意圖</p><p>　　4.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計的途徑</p><p>　　軟件 設(shè) 計 錯 誤 是 造 成 軟 件 運(yùn) 行 不 可 靠 的 主 要 因素［!］，但設(shè)計正確的軟件并不一定就能可靠運(yùn)行，因?yàn)檐浖谶\(yùn)行過程中還要受到來自內(nèi)外的各種干擾，為此單片機(jī)系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計主要有以下兩條途徑：</p><p>　?。ㄒ唬┨岣哕浖O(shè)計的正

59、確性；</p><p>　　（二）針對人—環(huán)境特性采取相應(yīng)的可靠性措施。</p><p>　　提高軟件設(shè)計的正確性</p><p>　?。?）認(rèn)真設(shè)計：在明確單片機(jī)系統(tǒng)各組成部分硬件地址的基礎(chǔ)上，深刻領(lǐng)會匯編語言指令的功能及其對機(jī)器狀態(tài)字的影響，正確劃分片內(nèi)的功能，認(rèn)真細(xì)致的編寫系統(tǒng)軟件。在編寫過程中可借鑒軟件工程的一些具體作法，如按照信息流向逐級設(shè)計數(shù)據(jù)流圖，編寫

60、程序時盡量增加注釋語句，同時編寫好軟件文檔，使程序易懂透明，增強(qiáng)軟件的可讀性和可維護(hù)性。</p><p>　?。?）合理安排中斷：根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)合理安排中斷所完成的功能及中斷的優(yōu)先級，中斷現(xiàn)場的保護(hù)和恢復(fù)，避免中斷沖突，對于系統(tǒng)運(yùn)行非常重要。</p><p>　?。?）模塊化結(jié)構(gòu)：根據(jù)系統(tǒng)功能將軟件分成若干個模塊，這樣不但編程思路清楚，不易出錯而且也便于閱讀和調(diào)試。</p>&

61、lt;p>　?。?）恰當(dāng)安排軟件陷阱：軟件在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)失控 現(xiàn) 象，例 如 受 到 3333 4 4 4 干 擾 或 程 序 飛 逸 到3333 4 4 4 非程序區(qū)，這時就會錯誤的執(zhí)行 56 +7，,指令，造成 +7 內(nèi)容錯誤變化。因此在未使用的向量、非程序區(qū)、程序斷裂點(diǎn)、編程應(yīng)用到 +7 的重要程序段埋設(shè)軟件陷阱，以捕捉飛逸的程序。</p><p>　?。?）恰當(dāng)采用指令冗余技術(shù)：在不影響實(shí)時性

62、的前提下，同一指令的反復(fù)執(zhí)行，或用三選二策略進(jìn)行判決，有利于消除偶然干擾，提高軟件運(yùn)行的可靠性。</p><p>　?。?）軟件消抖措施：按鍵操作中的意外抖動經(jīng)常發(fā)生，為了消除不利影響，在鍵處理程序中，采用延時再判的方法，能夠保證人機(jī)對話可靠進(jìn)行。</p><p>　?。?）應(yīng)用直接地址：對固定寄存器區(qū)的寄存器 +@，用代號不如用直接地址來得可靠，因此在軟件設(shè)計過程中應(yīng)盡量采用直接地址，避

63、免發(fā)生誤傳遞。</p><p>　?。?）應(yīng)用數(shù)字濾波技術(shù)：在參數(shù)測量中，為了消除隨機(jī)干擾，經(jīng)常采用數(shù)字濾波技術(shù)。比如對核測井信號采用加權(quán)平滑消除高斯噪聲；對井溫信號采用中值濾波，或程序判斷濾波，對于明顯超出正常取值范圍的數(shù)據(jù)予以剔除，從而提高采樣的可信度。</p><p>　?。?）軟件容錯設(shè)計：軟件容錯設(shè)計是一個困難的話題，因?yàn)樗枰私飧黝愜浖e誤形態(tài)，進(jìn)而決定具體的容錯算法。對單片

64、機(jī)系統(tǒng)而言，可采取一些簡單的容錯處理，如對于一些重要參數(shù)的輸入，要求用戶兩次確認(rèn)；對于非法的參數(shù)輸入，單片機(jī)將自動復(fù)位。</p><p>　　第5章 調(diào)試與功能說明</p><p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件和軟件兩部分，但是他們并不能完全分開。一般的方法是排除明顯的硬件故障，再進(jìn)行綜合調(diào)試，排除可能的軟/硬件故障。</p><p><b>　　5.

65、1 硬件調(diào)試</b></p><p>　　拿到電路板后，首先要檢查加工質(zhì)量，并確保沒有任何方面的錯誤，如短路和斷路，尤其要避免電源短路；元器件在安裝前要逐一檢查，用萬用表測其數(shù)值，看是否與所用相同；完成焊接后，應(yīng)先空載上電（芯片座上不插芯片），并檢查各引腳的電位是否正確。若一切正常，方可在斷電的情況下將芯片插入，再次檢查各引腳的電位及其邏輯關(guān)系。將萬用表的探針放到單片機(jī)接電源的引腳上檢測一下，看是否符

66、合要求。</p><p>　　5.2 軟件調(diào)試問題及解決</p><p>　　軟件程序的調(diào)試一般可以將重點(diǎn)放在分模塊調(diào)試上，統(tǒng)調(diào)是最后一環(huán)。軟件調(diào)試可以采取離線調(diào)試和在線調(diào)試兩種方式。前者不需要硬件仿真器，可借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統(tǒng)的支持。本次課題，Keil軟件來調(diào)試程序，通過各個模塊程序的單步或跟蹤調(diào)試，使程序逐漸趨于正確，最后統(tǒng)調(diào)程序。</p><

67、p>　　仿真部分采用protus 6 professional軟件，此軟件功能強(qiáng)大且操作較為簡單，可以很容易的實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)的仿真。</p><p>　　首先打開protus 6 professional軟件，在元件庫中找到要選用的所有元件，然后進(jìn)行原理圖的繪制；繪制好后再選擇wave6000已經(jīng)編譯好的*.hex文件，選擇運(yùn)行，觀察顯示結(jié)果，根據(jù)顯示的結(jié)果和課題的要求再修改程序，再運(yùn)行查，直到滿足要求。&l

68、t;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]《51系列單片機(jī)高級實(shí)例開發(fā)指南》李軍 北京航空航天大學(xué)出版社</p><p>　　[2]《MCS—51/96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用》孫涵芳 北京航空航天大學(xué)出版社</p><p>　　[3]《單片機(jī)原理及應(yīng)用》 歐陽斌林 中國水利水電出版社<

69、;/p><p>　　[4]《電子技術(shù)基礎(chǔ)》 許熙文 高等教育出版社</p><p>　　[5]《電路基本分析》石生 高等教育出版社</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　首先衷心地感謝我的導(dǎo)師zz老師。本文從選題到完成，從理論上的探討到實(shí)際問題的解決，無處不飽含著zz老師的心血。zz老師的悉心指導(dǎo)

70、和建議給了我極大的幫助和支持，使我受益匪淺，在此論文完成之際，謹(jǐn)zz向老師致以深深的謝意和崇高的敬意。</p><p>　　我在這一次單片機(jī)可靠性設(shè)計過程中，受益匪淺。通過對自己在大學(xué)三年時間里所學(xué)的知識的回顧，并充分發(fā)揮對所學(xué)知識的理解和對畢業(yè)設(shè)計的思考，最終完成了。這為自己今后進(jìn)一步深化學(xué)習(xí)，積累一定寶貴的經(jīng)驗(yàn)。撰寫論文的過程也是專業(yè)知識的一部分，一個學(xué)習(xí)的過程，它使我運(yùn)用已有的專業(yè)基礎(chǔ)知識，對其進(jìn)行設(shè)計，分