单片机软件系统的可靠性设计

可靠性设计是一项系统工程，单片机系统的可靠性必须从软件、硬件以及结构设计等方面全面考虑。硬件系统的可靠性设计是单片机系统可靠性的根本，而软件系统的可靠性设计起到抑制外来干扰的作用。软件系统的可靠性设计的主要方法有：开机自检、软件陷阱（进行程序“跑飞”检测）、设置程序运行状态标记、输出端口刷新、输入多次采样、软件“看门狗”等。通过软件系统的可靠性设计，达到最大限度地降低干扰对系统工作的影响，确保单片机及时发现因干扰导致程序出现的错误，并使系统恢复到正常工作状态或及时报警的目的。

一、开机自检

开机后首先对单片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就进行相应的处理。开机自检程序通常包括对RAM、ROM、I/O口状态等的检测。

1检测RAM检查RAM读写是否正常，实际操作是向RAM单元写“00H”，读出也应为“00H”，再向其写“FFH”，读出也应为“FFH”。如果RAM单元读写出错，应给出RAM出错提示（声光或其它形式），等待处理。

2检查ROM单元的内容对ROM单元的检测主要是检查ROM单元的内容的校验和。所谓ROM的校验和是将ROM的内容逐一相加后得到一个数值，该值便称校验和。ROM单元存储的是程序、常数和表格。一旦程序编写完成，ROM中的内容就确定了，其校验和也就是唯一的。若ROM校验和出错，应给出ROM出错提示（声光或其它形式），等待处理。

3检查I/O口状态首先确定系统的I/O口在待机状态应处的状态，然后检测单片机的I/O口在待机状态下的状态是否正常（如是否有短路或开路现象等）。若不正常，应给出出错提示（声光或其它形式），等待处理。

4其它接口电路检测除了对上述单片机内部资源进行检测外，对系统中的其它接口电路，比如扩展的E2PROM、A/D转换电路等，又如数字测温仪中的555单稳测温电路，均应通过软件进行检测，确定是否有故障。

只有各项检查均正常，程序方能继续执行，否则应提示出错。

二、软件陷阱

在程序存储器中总会有一些区域未使用，如果因干扰导致单片机的指令计数器PC值被错置，程序跳到这些未用的程序存储空间，系统就会出错。软件陷阱是在程序存储器的未使用的区域中，加上若干条空操作和无条件跳转指令，无条件跳转指令指向程序“跑飞”处理子程序的入口地址。如果程序跳到这些未用区域，就会执行无条件跳转指令，转到相应的程序出错“跑飞”处理程序。除程序未用区域外，还可以在程序段之间（如子程序之间及一段处理程序完成后）及一页的末尾处插入软件陷阱，效果会更好。下面是一段带软件陷阱的程序;

DSP：……;显示子程序

RET

NOP;软件陷阱

NOP

NOP

LIMP FLY

D10MS：MOV R0，#010H;延时子程序

……

RET

NOP ;软件陷阱

NOP

NOP

LJMP FLY

……

FLY：…… ;“跑飞”处理子程序

RET

三、程序

“跑飞”处理要进行程序“跑飞”处理，就要分清程序“跑飞”所造成的影响，以及程序“跑飞”前运行的进程，这就需要的设置相应的标志。

RAM数据正常标志RAM数据正常标志是检测RAM区的数据是否已经因程序“跑飞”或其它干扰而改变。如果RAM区的数据确因程序“跑飞”或其它干扰而改变，则系统无法自行恢复到原来的出错地点，只能由人工或由软件复位从头开始执行。要进行RAM区数据正常检测，首先应在初始化程序中，对RAM的若干单元设置RAM数据正常标志。通常是在RAM区中选数个单元，在初始化程序中将其置成固定的数，如“55H”或“0AAH”，只要程序正常运行，这些单元的内容是不会被修改的，若因程序“跑飞”或其它干扰导致这些RAM单元中的任何单元的数据发生变化，说明其它RAM单元的内容也可能发生变化，无法反映程序运行的结果和状态，不能根据RAM区中的标志去恢复程序运行现场。

程序运行标记程序运行状态标记是在RAM区中设立一些标志位，这些标志位分别代表程序运行的不同阶段及运行后的状态。在初始化程序中，首先对这些单元置初值，在程序运行的不同阶段，这些单元的内容将被改变成特定值，标记程序运行的阶段和运行后的状态。这些标志除了在程序正常运行中起到条件转移的作用外，还能在程序“跑飞”，而RAM区数据正常时起到恢复程序运行现场的作用。

程序“跑飞”处理程序“跑飞”处理就是在程序由软件陷阱检测到“跑飞”后，转入“跑飞”处理程序。“跑飞”处理程序判断“跑飞”影响的程度，根据影响程度的不同，决定是报警复位还是自动恢复现场。如自动恢复现场，则需根据程序运行状态标记进行。具体如何进行程序“跑飞”处理，要根据控制系统的设计要求进行。

四、输出端口刷新

由于单片机的I/O口很容易受到外部信号的干扰，输出口的状态也可能因此而改变。在程序中周期性地添加输出端刷新指令，可以降低干扰对输出口状态的影响。在程序中指定RAM单元存储输出口当时应处的状态，在程序运行过程中根据这些RAM单元的内容去刷新I/O口。

五、输入多次采样

干扰对单片机的输入，会造成输入信号瞬间采样的误差或误读。要排除干扰的影响，通常采取重复采样、加权平均的方法。

比如对于外部电平采样（如按键），采取软件每隔10ms读一次键盘或连续读若干次，每次读出的数据都相同或者采取表决的方法确认输入的键值。又如在用单稳电路检测温度的系统中（参《电子报》1999年第51期第九版）采取对单稳电路的脉冲宽度计数，然后查表求温度值的方法。为排除干扰的影响，可以采取三次采样求平均值，也可以采取两次采样、差值小于设定值为有效，然后求平均值的方法（又称软件滤波）。总之，对输入信号进行多次采样，其后如何进行处理是要根据具体对象实际处理的效果来优选的，读者可通过实验室调试时施加干扰及现场环境调试时的效果来确定。

六、软件“看门狗”

软件陷阱是在程序运行到ROM的非法区域时检测程序出错的方法。而“看门狗”是根据程序在运行指定时间间隔内未进行相应的操作，即未按时复位看门狗定时器，来判断程序运行出错的。

在系统成本允许的情况下，应选择专门的看门狗电路芯片或片内带看门狗定时器的单片机。如果条件不允许，应加软件“看门狗”。