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湖北文理学院学士学位论文
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湖北文理学院学士学位论文
摘要
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。
近年来，随着单片机在智能化仪器、自动检测、工业控制以及火箭导航尖端技术等领域的广泛应用，有效地提高了生产效率，改善了工作条件，大大提高了控制质量与经济效益。但是，单片机系统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其必须长期可靠、安全、稳定地运行，否则将导致控制误差加大，严重时会使系统失灵，造成巨大的经济损失，甚至危及人们的生命安全。所以，人们在不断完善单片机系统硬件配置过程中，分析系统受干扰的原因，探讨和提高系统的抗干扰能力，这不仅具有一定的科学理论意义，并且具有很高的工程实用价值。
关键词：可靠性设计；硬件；软件；模块化；抗干扰
I
Abstract
Abstract
For reliable operation 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 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 technologies. The reliability design technology, the reliability of the system to a new level.
In recent years, single-chip widely used in the field of intelligent instruments, automatic detection, industrial control and navigation sophisticated rocket technology effectively improve production efficiency, improved working conditions, greatly improving the control quality and economic efficiency. However, the SCM system operating environment is relatively poor and often complex, it must be long-term, reliable, secure and stable operation, otherwise it will lead to increased control error, serious cause system failure, resulting in huge economic losses and even threaten people life safety. Therefore, people constantly improve the SCM system hardware configuration, analysis system interfered reason to explore and improve anti-jamming capability of the system, which not only has a scientific theory, and has a high practical value.
Keywords: reliability design; hardware; software; modular; interference
II
目录
目录
摘要 ............................................................................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................................................................... II
1.1 单片机的基本概念 ...........................................................................................................................................1
1.2 单片机的应用领域 ...........................................................................................................................................1 1.3单片机的发展历程及发展趋势 ....................................................................................................................2 1.4 80C51单片机的内部结构 ..............................................................................................................................4 1.5 80C51单片机的引脚功能 ..............................................................................................................................5 1.6可靠性与抗干扰技术概述 ........................................................................................................................... 11 1.7空间干扰的抑制............................................................................................................................................... 14 1.8 单片机系统的接地技术 ............................................................................................................................... 14 第2章 单片机Watchdog技术 ............................................................................................................................... 16
2.1 单片机Watchdog技术概述 .................................................................................................................... 16
2.2 单稳态型Watchdog电路 ........................................................................................................................... 16 2.3 硬件Whatchdog电路 .................................................................................................................................. 17 第3章 单片机硬件可靠性设计思想及设计 ........................................................................................................ 23
3.1 可靠性设计思想 ............................................................................................................................................. 23
3.2可靠性设计 ........................................................................................................................................................ 23 3.3 硬件系统的调试 ........................................................................................................................................... 25 第4章 单片机软件可靠性设计 ................................................................................................................................ 27
4.1 软件可靠性设计 ............................................................................................................................................. 27
4.2 单片机系统软件可靠性设计的途径 .................................................................................................... 27 4.3 提高软件设计的正确性途径 ..................................................................................................................... 27 4.4 调试与功能说明 ............................................................................................................................................. 28 4.5 软件调试问题及解决 ................................................................................................................................. 28 参考文献 .............................................................................................................................................................................. 30 致谢 ...........................................................................................................................................................................................1
III
第1章 单片机概念及可靠性技术的发展
第1章 单片机概念及可靠性技术的发展
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用户的需要，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。
1.1 单片机的基本概念
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：
1)、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）。
2)、在家用电器中的应用
1
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。
3)、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。
4）、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。
5）、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单片机的发展历程及发展趋势
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： 1）、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
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第1章 单片机概念及可靠性技术的发展
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。
2）、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。
3）、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
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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。 1.4 80C51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)4KB ROM（80C51有4KB掩膜ROM，87C51有4KB EPROM，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；
(10)5个中断源，可设置成2个优先级。
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第1章 单片机概念及可靠性技术的发展
外时钟源 程序存储器4KB ROM 数据存储器256B 外部事件计数 64K总线扩展控制器 可编程I/O 可编程全双工串行口 中断 控制 并 行 口 串行通信
图1-4 80C51单片机功能结构框图
1.5 80C51单片机的引脚功能
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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1-5 80C51引脚图
1）、电源
(1)Vcc——芯片电源，接５Ｖ； (2)GND——接地端。 2）.时钟
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第1章 单片机概念及可靠性技术的发展
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。
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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。
地址/数据 控制 & 读锁存器 1 内部总线 写锁存器 Q P0.X 锁存器 CP Q D V1 P0.X 引脚 V2 VCC MUX 读引脚 图1-6 P0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。
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第1章 单片机概念及可靠性技术的发展
读锁存器 VCC 内部上拉电阻 内部总线 写锁存器 D Q P1.X 锁存器 CP Q P1.X 引脚 读引脚 图 1-7 P1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。
VCC 读锁存器 地址 控制 MUX 1 内部上拉电阻 P2.X 引脚 内部总线 写锁存器 D Q P2.X 锁存器 CP Q 读引脚 图1-8 P2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。
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第二输出功能读锁存器VCC内部上拉电阻内部总线写锁存器DQP3.X引脚P3.X锁存器CPQ&读引脚第二输入功能图 1-9 P3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
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第1章 单片机概念及可靠性技术的发展
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。 1.6可靠性与抗干扰技术概述 1.6.1干扰窜入单片机系统的主要途径
图1-10 干扰窜入单片机系统的主要途径
(1)空间感应；(2)过程通道窜入的干扰；(3)电源系统窜入的干扰；
(4)地电位波动窜入的干扰；(5)反射波干扰
1. 空间感应的干扰 2. 过程通道的干扰
过程通道的干扰一般分为串模干扰和共模干扰。
内部干扰 外部干扰
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单端输入 双端输入 图1-11 串模干扰 共模干扰 单端输入 双端输入
1.6.2 过程通道干扰的抑制
光电隔离是由光电耦合器来完成的。光电耦合器的结构如图所示。
图1-12 光电隔离基本配置
光电耦合器的几个特点：
1) 输入和输出在电气上是隔离的。
2) 光电耦合器的光电耦合部分不会受到外界光的干扰。
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