提高单片机设计硬件可靠性的一般方法 - 全文

　　1、电路设计

　　影响单片机测控系统可靠性的因素，有45%来自系统设计。为了保证测控系统的可靠性，在对电路设计时，应进行最坏情况的设计。

　　各种电子元件的特性不可能是一个恒定值，总是在其标注值的上下有一个变化的范围。同时，电源电压也有一个波动范围，最坏的设计(指工作环境最坏情况下)方法是考虑所有元件的公差，并取其最不利的数值。核算电路的每一个规定的特性。如果这一组参数值都能保证正常工作，那么在公差范围内的其它所有元件值都能使电路可靠地工作。在设计应用系统电路时，还要根据元件的失效率特征及其使用场所采取相应措施：

　　在元件级，对那些容易产生短路的部件，以串联方式复制;对那些容易产生断路的部件，以并联方式复制，并在这些部分设置报警和保护装置。

　　2、元器件选择

　　(1)型号与公差　在确定元件参数之后，还要确定元器件的型号，这主要取决于电路所允许的公差范围。对于电容器，如果用于常温环境中，一般的电解电容就可以满足要求，对于电容公差要求较高的电路系统，则电解电容就不宜选用。

　　(2)降额使用　元件的失效率随工作电压成倍的增加。因此，系统供电电源的容量就大于负载的最大值，元器件的额定工作条件是多方面的，如电流电压频率、功率、机械强度以及环境温度等。所说的降额使用，就是要降低以上这些参数，在电路设计中，首先考虑的是降低它的功效。选用电容器时要降低它的工作电压，使用电压一般小于额定电压的60%。选用二级管以及可控硅时，应使其工作电流低于额定电流，对于晶体管、稳压管等应考虑工作时的耗散功率。

　　集成电路的降额使用同样是从电气参数及环境因素上来考虑。在电气上要降低功耗，对CMOS芯片和线性集成电路在满足输出要求的前提下，应降低电源电压或减少下级负载。而TTL电路对电源电压要求比较严，这时应注意它们的带负载能力，民用元器件的温度使用范围较窄，如果用于工业控制中，在整体设计时应降额使用。

　　3、结构设计

　　结构可靠性设计是硬件可靠性设计的最后阶段，结构设计时首先应注意元器件及设备的安装方式;其次是控制系统工作的环境条件，如通风、除湿、防尘等。

　　4、噪声抑制

　　噪声对模拟电路会影响系统的精度，对数字电路会造成误动作，因此在工程设计中，必须采用抑制措施。干扰信号可分为串模干扰和共模干扰两大类。针对这两类干扰成熟的电路以及专题著作也不少，下面将常用的方法介绍如下：

　　4.1　抗串模干扰的措施

　　(1)光电隔离，在输入和输出通道上采用光耦合器件来进行信息传输，以免上一级干扰窜到下一级。

　　(2)硬件滤波电路，常用RC低通道滤波器接在一些低频信号传送电路中(如热电偶输入线路等)，它可大大削弱各类高频干扰信号(如各类“毛刺”干扰)。

　　(3)过压保护电路，在输入输出通道上应采用一定的过压保护电路，以防止引入高电压伤害单片机系统。

　　(4)采用抗干扰稳压电源，微机系统的供电线路是干扰的主要入侵途径。通常采用以下几种措施：

　　①单片机系统的供电线路和产生干扰的用电设备分开供电;

　　②通过低通滤波器和隔离变压器接入电网;

　　③整流元件上并接滤波电容，如图1所示，选用高质量的稳压电路。

　　4.2　抗共模干扰措施

　　共模干扰通常是针对平衡输入信号而言的，抗共模干扰的方法有以下几种：

　　(1)平衡对称输入，在设计信号源时，通常是各类信号尽可能做到平衡对称。

　　(2)选用高质量的差动放大器。

　　(3)要有良好的接地系统。

　　(4)系统接地点要正确连接;系统中的大功率的元件地线与小功率的信号地线也要分开布线或加粗地线，数字地与模拟地必须分开，最后只在一点相连。如果系统中的数字地与模拟地不分，则数字信号电流在模拟系统的地线中形成干扰(地电位改变)，使模拟信号失真，这一点请初学者特别注意。

　　(5)屏蔽，用金属外壳或金属匣将整机或部分元器件包围起来，再将金属外壳或金属匣接地，就能起到屏蔽作用。对于各种通过电磁感应引起的干扰，特别注意的是屏蔽外壳的接地点，一定与信号的参考点相接。

　　以上介绍的几项是十分必要的硬件抗干扰措施，它给单片机系统创造了一个基本上“干净”的工作环境。

　　参考文献

　　1　广军.实用接口技术.西安电子科技大学出版社，1997

　　2 毛楠，孙瑛.电子电路抗干扰实用技术.北京：国防工业出版社，1996