探析单片机的可靠性应用技术及发展趋势

所属栏目:电子技术论文 发布日期:2012-12-03 09:32 热度:

  摘要:近几年单片机得到了飞速的发展,单片机最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中。目前大量的嵌入式系统均采用单片机,本文分析了单片机的形成及发展过程以及当前的技术进展,同时分析了影响单片机系统可靠性的原因,并论述提高单片机可靠性的措施。

  关键词:单片机,可靠性技术;发展趋势

  单片机,亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。现在可以说单片机是百花齐放的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势 。

  一 、单片机的快速发展

  单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括地讲,一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质量轻、价格便宜,为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。

  1.SCM (Single Chip Microcomputer) (单片微型计算机)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。"创新模式"获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

  2.MCU (Micro Controller Unit)(微控制器)阶段,主要的技术发展方向是:不断扩展、满足嵌入式应用时,发展对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家肩上。

  3.SOC (System on Chip)(片上系统)阶段,单片机是嵌入式系统的独立发展之路。向MCU阶段发展的重要推动力,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,单片专用机的发展自然形成了SOC化趋势。使用SOC技术设计系统的核心思想,就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

  二、分析单片机可靠性限制原因及应对措施

  目前,大量的嵌入式系统均采用了单片机,并且这样的应用正在更进一步扩展;但是多年以来人们一直为单片机系统的可靠性问题所困惑。在一些要求高可靠性的控制系统中,这往往成为限制其应用的主要原因。

  1.单片机系统的失效分析

  一个单片机系统的可靠性是其自身软硬件与其所处工作环境综合作用的结果,因此系统的可靠性也应从这两个方面去分析与设计。对于系统自身而言,能不能在保证系统各项功能实现的同时,对系统自身运行过程中出现的各种干扰信号及直接来自于系统外部的干扰信号进行有效的抑制,是决定系统可靠性的关键。有缺陷的系统往往只从逻辑上去保证系统功能的实现,而对于系统运行过程中可能出现的潜在的问题考虑欠缺,采取的措施不足,在干扰信号真正袭来的时候,系统就可能会陷入困境。

  2. 提高可靠性的措施

  2.1减少引起系统不可靠或影响系统可靠的外界因素:

  1) EFT (Electrical Fast Transient)技术。EFT技术是一种抗干扰技术,它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时,其波形上会迭加各种毛刺信号,如果使用施密特电路对其整形,则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟,在交替使用施密特电路和RC滤波电路时, 就可以消除这些毛否则令其作用失效,从而保证系统的时钟信号正常工作。

  2) 低噪声布线技术及驱动技术。在传统的单片机中,电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上,一般是在左上、右下或右上、左下的两对对称点上。这样,就使电源噪声穿过整块芯片,对单片机的内部电路造成干扰。现在,很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样,不仅降低了穿过整个芯片的电流,而且在印制电路板上容易布置去耦电容,从而降低系统的噪声。现在为了适应各种应用的需要,很多单片机采用"跳变沿软化技术",从而消除大电流瞬变时产生的噪声。

  3) 采用低频时钟。高频外时钟是噪声源之一,不仅能对单片机应用系统产生干扰,而且还会对外界电路产生干扰,令电磁兼容性不能满足要求。对于要求可靠性较高的系统,低频外时钟有利于降低系统的噪声。在一些单片机中采用内部锁相环技术,则在外部时钟较低时,也能产生较高的内部总线速度,从而保证了速度又降低了噪声。

  三、单片机的发展趋势

  3.1低功耗CMOS化

  MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗,电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

  3.2微型单片化

  现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

  3.3串行扩展技术

  在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP(One-Time Password)及各种特殊类型片内程序存储器的发展,加之处围接口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是I2C、SPI 等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化。

  4、结语

  单片机改变了我们生活,纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传输,到工业自动化过程的实时控制和数据处理,以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等,这些都离不开单片机, 单片机有着广阔的应用前景。

  参考文献

  [1] 张志良; 单片机原理与控制技术; 北京,机械工业出版社,2008

  [2] 李广第,朱月秀,王秀山.单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社,2002.

  [3] 胡汉才.单片机原理及系统设计.北京:清华大学出版社,2002.

文章标题:探析单片机的可靠性应用技术及发展趋势

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