【導(dǎo)讀】可靠性設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性必須從軟件、硬件以及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面全面考慮。硬件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計是單片機(jī)系統(tǒng)可靠性的根本，而軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計起到抑制外來干擾的作用。
軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計的主要方法有：開機(jī)自檢、軟件陷阱(進(jìn)行程序“跑飛”檢測)、設(shè)置程序運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)記、輸出端口刷新、輸入多次采樣、軟件“看門狗”等。通過軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計，達(dá)到最大限度地降低干擾對系統(tǒng)工作的影響，確保單片機(jī)及時發(fā)現(xiàn)因干擾導(dǎo)致程序出現(xiàn)的錯誤，并使系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)或及時報警的目的。
一.開機(jī)自檢
開機(jī)后首先對單片機(jī)系統(tǒng)的硬件及軟件狀態(tài)進(jìn)行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)不正常，就進(jìn)行相應(yīng)的處理。開機(jī)自檢程序通常包括對RAM、ROM、I/O口狀態(tài)等的檢測。
1.檢測RAM 檢查RAM讀寫是否正常，實際操作是向RAM單元寫“00H”，讀出也應(yīng)為“00H”，再向其寫“FFH”，讀出也應(yīng)為“FFH”。如果RAM單元讀寫出錯，應(yīng)給出RAM出錯提示(聲光或其它形式)，等待處理。
2.檢查ROM單元的內(nèi)容 對ROM單元的檢測主要是檢查ROM單元的內(nèi)容的校驗和。所謂ROM的校驗和是將ROM的內(nèi)容逐一相加后得到一個數(shù)值，該值便稱校驗和。ROM單元存儲的是程序、常數(shù)和表格。一旦程序編寫完成，ROM中的內(nèi)容就確定了，其校驗和也就是唯一的。若ROM校驗和出錯，應(yīng)給出ROM出錯提示(聲光或其它形式)，等待處理。
3.檢查I/O口狀態(tài) 首先確定系統(tǒng)的I/O口在待機(jī)狀態(tài)應(yīng)處的狀態(tài)，然后檢測單片機(jī)的I/O口在待機(jī)狀態(tài)下的狀態(tài)是否正常(如是否有短路或開路現(xiàn)象等)。若不正常，應(yīng)給出出錯提示(聲光或其它形式)，等待處理。
4.其它接口電路檢測 除了對上述單片機(jī)內(nèi)部資源進(jìn)行檢測外，對系統(tǒng)中的其它接口電路，比如擴(kuò)展的E2PROM、A/D轉(zhuǎn)換電路等，又如數(shù)字測溫儀中的555單穩(wěn)測溫電路，均應(yīng)通過軟件進(jìn)行檢測，確定是否有故障。
只有各項檢查均正常，程序方能繼續(xù)執(zhí)行，否則應(yīng)提示出錯。
二.軟件陷阱
在程序存儲器中總會有一些區(qū)域未使用，如果因干擾導(dǎo)致單片機(jī)的指令計數(shù)器PC值被錯置，程序跳到這些未用的程序存儲空間，系統(tǒng)就會出錯。軟件陷阱是在程序存儲器的未使用的區(qū)域中，加上若干條空操作和無條件跳轉(zhuǎn)指令，無條件跳轉(zhuǎn)指令指向程序“跑飛”處理子程序的入口地址。如果程序跳到這些未用區(qū)域，就會執(zhí)行無條件跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序出錯“跑飛”處理程序。除程序未用區(qū)域外，還可以在程序段之間(如子程序之間及一段處理程序完成后)及一頁的末尾處插入軟件陷阱，效果會更好。下面是一段帶軟件陷阱的程序;
DSP：……;顯示子程序
RET
NOP;軟件陷阱
NOP
NOP
LIMP FLY
D10MS：MOV R0，#010H;延時子程序
……
RET
NOP ;軟件陷阱
NOP
NOP
LJMP FLY
……
FLY：…… ;“跑飛”處理子程序
RET
三.程序
“跑飛”處理 要進(jìn)行程序“跑飛”處理，就要分清程序“跑飛”所造成的影響，以及程序“跑飛”前運(yùn)行的進(jìn)程，這就需要的設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。
RAM數(shù)據(jù)正常標(biāo)志 RAM數(shù)據(jù)正常標(biāo)志是檢測RAM區(qū)的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)因程序“跑飛”或其它干擾而改變。如果RAM區(qū)的數(shù)據(jù)確因程序“跑飛”或其它干擾而改變，則系統(tǒng)無法自行恢復(fù)到原來的出錯地點(diǎn)，只能由人工或由軟件復(fù)位從頭開始執(zhí)行。要進(jìn)行RAM區(qū)數(shù)據(jù)正常檢測，首先應(yīng)在初始化程序中，對RAM的若干單元設(shè)置RAM數(shù)據(jù)正常標(biāo)志。通常是在RAM區(qū)中選數(shù)個單元，在初始化程序中將其置成固定的數(shù)，如“55H”或“0AAH”，只要程序正常運(yùn)行，這些單元的內(nèi)容是不會被修改的，若因程序“跑飛”或其它干擾導(dǎo)致這些RAM單元中的任何單元的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，說明其它RAM單元的內(nèi)容也可能發(fā)生變化，無法反映程序運(yùn)行的結(jié)果和狀態(tài)，不能根據(jù)RAM區(qū)中的標(biāo)志去恢復(fù)程序運(yùn)行現(xiàn)場。
程序運(yùn)行標(biāo)記 程序運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)記是在RAM區(qū)中設(shè)立一些標(biāo)志位，這些標(biāo)志位分別代表程序運(yùn)行的不同階段及運(yùn)行后的狀態(tài)。在初始化程序中，首先對這些單元置初值，在程序運(yùn)行的不同階段，這些單元的內(nèi)容將被改變成特定值，標(biāo)記程序運(yùn)行的階段和運(yùn)行后的狀態(tài)。這些標(biāo)志除了在程序正常運(yùn)行中起到條件轉(zhuǎn)移的作用外，還能在程序“跑飛”，而RAM區(qū)數(shù)據(jù)正常時起到恢復(fù)程序運(yùn)行現(xiàn)場的作用。
程序“跑飛”處理 程序“跑飛”處理就是在程序由軟件陷阱檢測到“跑飛”后，轉(zhuǎn)入“跑飛”處理程序。“跑飛”處理程序判斷“跑飛”影響的程度，根據(jù)影響程度的不同，決定是報警復(fù)位還是自動恢復(fù)現(xiàn)場。如自動恢復(fù)現(xiàn)場，則需根據(jù)程序運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)記進(jìn)行。具體如何進(jìn)行程序“跑飛”處理，要根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求進(jìn)行。
四.輸出端口刷新
由于單片機(jī)的I/O口很容易受到外部信號的干擾，輸出口的狀態(tài)也可能因此而改變。在程序中周期性地添加輸出端刷新指令，可以降低干擾對輸出口狀態(tài)的影響。在程序中指定RAM單元存儲輸出口當(dāng)時應(yīng)處的狀態(tài)，在程序運(yùn)行過程中根據(jù)這些RAM單元的內(nèi)容去刷新I/O口。
五.輸入多次采樣
干擾對單片機(jī)的輸入，會造成輸入信號瞬間采樣的誤差或誤讀。要排除干擾的影響，通常采取重復(fù)采樣、加權(quán)平均的方法。
比如對于外部電平采樣(如按鍵)，采取軟件每隔10ms讀一次鍵盤或連續(xù)讀若干次，每次讀出的數(shù)據(jù)都相同或者采取表決的方法確認(rèn)輸入的鍵值。又如在用單穩(wěn)電路檢測溫度的系統(tǒng)中(參《電子報》1999年第51期第九版)采取對單穩(wěn)電路的脈沖寬度計數(shù)，然后查表求溫度值的方法。為排除干擾的影響，可以采取三次采樣求平均值，也可以采取兩次采樣、差值小于設(shè)定值為有效，然后求平均值的方法(又稱軟件濾波)。總之，對輸入信號進(jìn)行多次采樣，其后如何進(jìn)行處理是要根據(jù)具體對象實際處理的效果來優(yōu)選的，讀者可通過實驗室調(diào)試時施加干擾及現(xiàn)場環(huán)境調(diào)試時的效果來確定。
六.軟件“看門狗”
軟件陷阱是在程序運(yùn)行到ROM的非法區(qū)域時檢測程序出錯的方法。而“看門狗”是根據(jù)程序在運(yùn)行指定時間間隔內(nèi)未進(jìn)行相應(yīng)的操作，即未按時復(fù)位看門狗定時器，來判斷程序運(yùn)行出錯的。
在系統(tǒng)成本允許的情況下，應(yīng)選擇專門的看門狗電路芯片或片內(nèi)帶看門狗定時器的單片機(jī)。如果條件不允許，應(yīng)加軟件“看門狗”。
