探讨提高单片机系统可靠性方法
摘要:阐述在单片机选型、单片机系统设计以及制造工艺等方面应注意的问题,以实现高可靠性的单片机应用系统,讨论了提高系统可靠性的措施,并提出了提高系统可靠性的综合设计方法。使系统的可靠性得到了充分的保障。
关键词:单片机;可靠性;抗干扰
1 电源干扰及其抑制
单片机应用系统的可靠性是极为重要的。在影响单片机系统可靠性的诸多因素中,电源干扰可谓首屈一指。据统计,计算机应用的运行故障有90%以上是由电源噪声引起的。
1.1 交流电源干扰及其抑制
多数情况下,单片机运用系统都使用交流220 V、50 Hz的电源供电。在工业现场,生产负荷的经常变化,大型用电设备的启动与停止,往往要造成电源电压的波动,有时还会产生尖峰脉冲,这种高能尖峰脉冲的幅度约在50 000 V~4 000 V之间,持续时间为几个毫秒。它对计算机应用系统影响最大,能使系统的程序“跑飞”或使系统造成“死机”。因此,一方面要使系统尽量远离这些干扰源,另一方面要采用电源滤波器。这种滤波器是按频谱均衡原理设计的一种无源四端网络。为了提高系统供电的可靠性,还要采用交流稳压器,防止电源的过压和欠压。采用1∶1隔离变压器,防止干扰通过初次级间的电容效应进入单片机供电系统。
1.2 直流电源抗干扰措施
1.2.1 采用高质量集成稳压电路单独供电
单片机应用系统中往往需要几种不同电压等级的直流电源。这时,可以采用相应的低纹波高质量集成稳压电路。每个稳压电路单独对电压过载进行保护,因此不会因某个电路出现故障使整个系统遭到破坏,而且也减少了公共阻抗的互相偶合,从而使供电系统的`可靠性大大提高。
1.2.2 采用直流开关电源
直流开关电源是一种脉宽调制型电源。它甩掉了传统的工频变压器,具有体积小、重量轻、效率高、电网电压范围宽、变化时不易输出过电压和欠电压的特点,在计算机应用系统中应用非常广泛。这种电源一般都有几个独立的电压输出,如±5 V、±12 V、±24 V等,电网电压波动范围可达220 V的 10%至-20%,同时,直流开关电源还具有较好的初、次级隔离作用。
1.2.3 采用DC-DC变换器
如果系统供电电网波动较大,或者精度要求高,可以采用DC-DC变换器。DC-DC变换器的特点是输入电压范围大、输出电压稳定且可调整、效率高、体积小,有多种封装形式。在单片机应用系统中获得了广泛的应用。
2 地线干扰及其抑制
在计算机应用系统中,接地是一个非常重要的问题。接地问题处理的正确与否,将直接影响系统的正常工作。
2.1 一点接地和多点接地的应用
在低频电路中,布线和元件间的寄生电感影响不大,因而常采用一点接地,以减少地线造成的地环路。在高频电路中,布线和元件间的寄生电感及分布电容将造成各接地线间的偶合,影响比较突出,此时应采用多点接地。
通常频率小于1 MHz时,采用一点接地;频率高于10 MHz时,采用多点接地;频率处于1 MHz~10 MHz之间时,若采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20。否则,应采用多点接地。
2.2 数字地与模拟地的连接原则
数字地是指TTL或CMOS芯片、I/O接口电路芯片、CPU芯片等数字逻辑电路的接地端,以及A/D、D/A转换器的数字地。模拟地是指放大器、取样保持器和A/D、D/A中模拟信号的接地端。在单片机系统中,数字地和模拟地应分别接地。即使是一个芯片上有两种地也要分别接地,然后在一点处把两种地连接起来,否则,数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源,将会对模拟信号产生影响。
2.3 印刷电路板的地线分布原则
TTL、CMOS器件的接地线要呈辐射网状,避免环形;板上地线的宽度要根据通过的电流大小而定,最好不小于3 mm。在可能的情况下,地线尽量加宽;旁路电容的地线不要太长;功率地通过电流信号较大,地线应较宽,必须与小信号地分开。