可靠性设计：提高产品可靠性的有效方法

1.硬件可靠性设计

（1）电源端滤波处理 利用电磁原理进行硬件电路滤波是提高保护器EMC的有效方法。电路如图15-26所示，经热敏电阻RT、压敏电阻RV₁、滤波电容器C₁、C₂、共模电感L₁、L₂组成的两级滤波处理，很好地隔离了由于电源端的输入输出干扰。此外，电源线两端考虑采用隔离接地，以免接地回路形成共同阻抗耦合将噪声耦合至信号线，电源线与信号线尽量采用隔离或分开配线，电源变压器应加隔离，外壳须接地良好，单相AC控制线建议采用双绞线，直流导线建议使用双绞线来配线，避免将电源与信号线接至同一接头。

（2）信号端处理 谐波和电磁辐射干扰会导致保护器误动作，使电气仪表计量不准确，甚至无法正常工作。在电动机控制回路中产生该类干扰源的是变频器和现场对讲机。措施是采用平衡电路、屏蔽电缆、共模扼流圈、滤波电容等。解决的方法：①信号输入线绞合，绞合的双绞线能降低共模干扰，由于改变了导线电磁感应的磁通方向，使其感应互相抵消；②内部电路处理，如图15-27所示，采用双差分输入的差动放大器，具有很高的共模抑制比。采取在输入回路中接RC滤波器、信号的输入和输出端使用专用器件、降低输入输出阻抗、可靠接地和合理的屏蔽等措施。

（3）保护输出端处理 输入输出端采用光隔离的方法（见图15-28）也可以消除共模干扰，同时在保护继电器的输出端并接压敏电阻，可有效地提高了继电器的触头寿命，降低由于外部接触器动作对内部的干扰。

图15-25 EDS中的分区结构、区分割符和各区次序

图15-26 电源端处理电路

图15-27 信号处理电路

图15-28 保护输出电路

（4）屏蔽 屏蔽与滤波可互为补充。屏蔽需要围绕电路的关键部分放置一个导电表面，以吸引和反射相结合的方式衰减耦合到电路的电磁场。大面积的敷地能够为共模电流的去耦建立一个干净的参考地。

（5）专业EMI滤波器应用 目前，市场上已有大量的、专业化的元件专用于EMI滤波器。铁氧体、三端电容器、馈通电容器等元件使设计更便捷。

2.软件可靠性设计

软件可靠性设计的四种类型有避错设计、查错设计、改错设计、容错设计。

（1）影响软件可靠性的因素。软件可靠性比硬件可靠性更难保证，其可靠性比硬件可靠性低一个数量级。影响软件可靠性的因素有需求分析定义错误（如开发者和用户对需求理解不同）、设计错误（如算法错误）、编码错误（如变量初始化错误等）、受干扰引发的错误（如通信失误、程序飞掉）。

（2）提高软件可靠性的方法和技术

1）开机时系统进行自检。单片机系统开机后首先对硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，进行相应的处理。

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”。如果读写出错，应给出RAM出错提示，等待处理。(www.xing528.com)

②检测ROM单元的内容：对ROM单元检测主要是检测ROM单元内容的校验和。程序固化到ROM后，内容是确定的，校验和是唯一的。若ROM校验和出错，应给出出错提示，等待处理。

③检杳I/O接口状态：首先确定系统的I/O接口在待机状态时的状态，然后检测单片机的I/O接口在待机状态下的状态是否正确。若不正常，应给出出错提示，等待处理。

④其他接口电路检测：对系统的其他接口电路，如扩展的A-D转换电路均应进行检测。

只有各项检查均正常，程序方能继续执行，否则应提示出错。

2）设置软件陷阱。如果因干扰导致单片机的指令计数器PC值出现异常，程序跳到一些未用的存储空间，系统就会出错。为防止出现此类错误，可使用软件陷阱技术。软件陷阱是指存储器未使用的区域加上若干空操作和无条件跳转指令，使其指向“跑飞”处理子程序的入口地址，除程序未用区域外，还可以在程序段之间及一页的末尾处插入软件陷阱，效果会更好。

3）输出端口刷新。由于单片机的I/O接口很容易受外部信号的干扰，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。

4）输入多次采样。干扰对单片机的输入会造成采样信号瞬间的误差或误读。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，采取软件每隔10ms采样一次或连续读取采样若干次，可以采取表决的方法确认采样的值。为排除干扰的影响，可采样3次采取求平均值，也可以采取两次采样、差值小于设定值为有效，然后采取求平均值的方法。输入采样后如何进行处理要根据具体情况和调试实际处理的结果来确定。

5）使用软件看门狗定时器。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。而看门狗定时器是根据程序运行在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是否出错。在系统成本允许的情况下，应选择专门的看门狗定时器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，应设计软件看门狗定时器。

6）容错设计。提高可靠性有两种方法：一种是避免故障；另一种是进行防错性程序设计。前者是尽可能不让差错和缺陷潜入系统，后者是软件中进行容错性程序设计，以提高系统的可靠性。

3.常用的抗干扰措施

随着现代科技的发展，电气及电子设备的数量及种类不断增加，使电磁环境日益复杂。在复杂的电磁环境中，要使产品正常运行，需要采取多种软硬件抗干扰处理措施。常用的抗干扰方法包括消除电磁干扰源、切断传输干扰路径、加强设备抗扰能力等措施。

1）硬件设计在电源部分设计有共模电感、X电容、差模电感组成的滤波器电路，合理设计该电路可以使产品通过4级电快速脉冲群试验。

2）产品使用压敏电阻、熔丝、放电管等防雷元件组合成合理的浪涌防护电路，可以保证产品通过4级浪涌测试。

3）开关量输入处添加必要的滤波电路，可以有效地防止干扰信号引起的开关量误导通。

4）信号处理芯片引脚处加入合理的保护电路，防止异常信号造成芯片损坏。

5）信号处理电路处设计合理的滤波电路，有效地衰减了高频干扰引起的测量误差。

6）测量软件中加入数字滤波技术，可以很好地保证测量准确性。

除上述方法外，还有屏蔽、改变线路布线、改变电路结构等多种方法，在实际使用中要因地制宜综合考虑以某一种为主、其他方法为辅来解决实际干扰问题。