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单片机开发

自动控制系统单片机


单片机控制系统可靠性硬件设计方法

据统计,以单片机为核心的自动控制系统,已经占各种微机测控系统的90%。而且工业应用的微机控制系统多数是安装在生产现场,工作环境恶劣,自动控制系统都是全天连续满负荷地运行,这样就要求控制系统有长时间的稳定、可靠运行,所以可靠性是对单片机控制系统最重要、最基本的要求,也是当前研究单片机控制系统的一个重要方面。目前单片机控制系统的可靠性是从硬件和软件设计两方面加以保证的。其中硬件可靠性设计是基础,软件方面的设计是补充。本文主要从硬件方面,探讨确保单片机控制系统可靠运行的方法措施。

一、单片机自动控制系统可靠性设计方案

一个单片机控制系统可以划分为人、硬件、软件、环境4个子系统。硬件是单片机系统的基础,软件则是单片机系统的灵魂;硬件、软件必须适应人和工作环境的要求。单片机系统可靠性设计的思路主要以故障为核心,根据人和环境的特性,分别从硬件、软件两个方面进行避错容错设计,提高系统的可靠性能。在工程实践中,避错设计主要以抗干扰设计为内容,通过采取适当的抗干扰措施,使系统免受各种干扰因素的影响而正常运行;容错设计则是针对一些无法避免的错误,通过合理的的诊错容错方法,使系统仍能正常运行。

二、单片机自动控制系统硬件可靠性设计

2.1优选高可靠性的单片机芯片和元器件

各种集成电路芯片和元器件是控制系统可靠性设计中的重要环节,也是构成控制系统的基础,选用的元器件是否合理、优质,将直接影响到整个系统的性能与可靠性水平,因此必须要精心选择,特别是控制系统的核心---单片机。在诸多品牌和系列中,要选择抗干扰能力强、集成度高、功耗小的单片机和各种元器件。选用高集成度的芯片以提高系统的可靠性是系统硬件设计的一个新趋势。在选用元器件时,要注意元器件的降额设计。实验表明,降额设计是提高微机控制系统可靠性的有效方法。

2.2合理设计控制系统的结构

控制系统的硬件电路结构设计也是影响系统可靠性的重要方面,设计系统硬件机构时要考虑各类元器件的工作速度要尽量匹配,高速和低速的器件不应该混用;各类器件工作时的温度特性要匹配,工作温度相差比较大的器件要分开使用,有效的抑制温度对系统可靠性的影响;在模拟输出通道上加装调零电路,有效地抑制输出零点漂移,提高测控精度;数字I/O通道加光电耦合器,切断主机与前、后通道即其他部分电路的联系,防止噪声进入主机系统;在可能的情况下,用地线包围振荡电路和一些特殊的高速逻辑电路,晶体外壳接地,使得其周围电场为零,切断干扰路径;数字电路、模拟电路和大功率电路要分别进行一点接地,然后在一点处将三者连接起来,再进行总的一点接地。

2.3优化印刷电路板设计

印制电路板的设计是否合理对单片机系统可靠运行有着直接的影响。在设计印刷电路板时,主要考虑元件的布局。优化电路板设计,通常从以下几个方面入手:

(1)按照单片机-时钟电路-复位电路的顺序放置芯片和元器件。布置时要注意时钟电路与CPU间的布线为最短。同时要将晶振的地线与其他的功能部件的地线分开,给晶振部分单独铺设覆铜,避免大电流从晶振电路流过,引起时钟波形紊乱,导致误动作等;(2)相同功能的元器件按集中布置;(3)各功能模块的组件分开布局,如模拟信号与数字信号电路、输入和与出电路、发热元件与温度敏感元件尽可能分开布置;(4)单片机和外围扩展电路布置在一起,以缩短他们之间的地址总线长度;(5)元器件布局及引线走向符合信号传输特性,使电流流向与信号流向要一致,减少布线间的干扰;(6)电路板布线的宽度和布线间隙要大,减少导线上的电压对信号的影响,同时减少布线间的干扰。电路板上的地线要尽可能地宽,不小于3mm。采用45度的折线方法布线,减少高频信号的发射产生干扰。

2.4合理设计电源电路

提高电源系统的供电质量,对提高单片机系统安全可靠性是非常重要的,因此供电电路需要采用抗干扰措施,方法有:

(1)采用交流稳压器。(2)采用电源滤波器,交流电源引线上的滤波器可以抑制输入端的瞬态干扰。(3)对于电源变压器,采取适当的屏蔽措施。(4)在要求供电质量很高的特殊情况下,可以采用发电机组或逆变器供电,如采用UPS不间断电源供电。(5)采用开关电源供电。

2.5采用电压监测芯片控制系统供电电源

设计控制系统供电电源电路时,通常需要加上稳压器和电源滤波器,抑制电源噪声干扰和输入端的瞬态干扰,以及数字信号产生的脉冲干扰,提高系统的可靠性。但是由于环境、负载、操作人员等原因,使得某些干扰越过了稳压、滤波等电路,也会使系统的供电电源偏离芯片工作的正常值,引起系统的程序‘跑飞’或死机,所以,在设计单片机系统时有必要采用电源的电压监测复位系统设计方法,更有效地保证控制系统的安全可靠的运行。其设计思想是当系统供电电源小于某一规定值时,单片机系统将自动产生复位信号,使系统初始化,重新开始运行应用程序,避免系统执行错误指令引起错误输出,或者产生系统的‘飞车’现象,造成危害。因为单片机的供电电压低于设计值时,芯片将不能确保正确地读取和执行指令。目前单片机控制系统设计中,常选用TL7705电源监视芯片来监测电源电压,其引脚图和电路连接如图1、图2。

电源监视芯片引脚图

图1中7号引脚为SENSE,即电源监视端,当SENSE上的电压小于某固定值时,5号引脚/RESET端输出低电平信号,使系统复位。2.6应用硬件监视定时器看门狗的设计使用硬件监视定时器设计,即看门狗(WDT),是提高系统可靠性方面采用的一种亡羊补牢的被动安全措施。当单片机系统一旦发生了程序失控或者进入了死循环死机时,看门狗(WDT)会设法尽快将系统恢复到正常工作状态,避免造成损失或避免造成更大的损失。看门狗(WDT)就是一个监视定时器,当达到定时器的定时时间时,它就输出一个信号,引起单片机控制系统发生复位,使得系统在一个确定的工作状态下重新开始正常运行。

总结

单片机控制系统的可靠性是系统安全可靠运行的基本保证,是系统开发中的重要环节。实践证明,在认真分析控制系统的工作环境、性能要求的前提下,在硬件方面合理选择单片机和元器件,合理地设计印刷电路板,合理设计电源、输入输出通道控制电路等主动安全设计,并结合应用电压监测与复位、硬件看门狗复位等辅助芯片的被动安全设计应用,能够抑制绝大部分的噪声,而且由于采用了被动安全设计,使得即使控制系统发生了失常,也能够确保系统快速地恢复到正常运行状态,提高了单片机控制系统的可靠型。

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