1、第七章第七章 单片微机应用系统单片微机应用系统的实用技术的实用技术单片微机应用系统设计的三位一体单片微机应用系统设计的三位一体功能性设计功能性设计是为了满足系统控制、运算等基本运是为了满足系统控制、运算等基本运行能力的设计。行能力的设计。产品化设计产品化设计是保证构成实用化产品必须解决的环是保证构成实用化产品必须解决的环境适应性、使用条件适应性以及满足使用者人体工程的境适应性、使用条件适应性以及满足使用者人体工程的设计。设计。可靠性设计可靠性设计则是保证正常使用条件下，系统有良则是保证正常使用条件下，系统有良好的运行可靠性与安全性。好的运行可靠性与安全性。功能性是基础，可靠性是保障，功能性是基
2、础，可靠性是保障，产品化是前途产品化是前途。7.1概述概述72 单片微机应用系统可靠性设计技术单片微机应用系统可靠性设计技术7.2.1 可靠性概述可靠性概述 1.可靠性的定义可靠性的定义 “产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力”。规定条件规定条件 指应用系统工作条件指应用系统工作条件(如操作方式、负载条件等如操作方式、负载条件等)和环境条件和环境条件(如温度、如温度、湿度、气压、有无腐蚀性气体等湿度、气压、有无腐蚀性气体等)。规定时间规定时间 由于服务对象的不同和使用条件的不同而不同。而应用系统的可靠由于服务对象的不同和使用条件的不同
3、而不同。而应用系统的可靠性本身就是一个与规定时间密切相关的，使用时间越长则可靠性就性本身就是一个与规定时间密切相关的，使用时间越长则可靠性就越差。越差。“规定功能规定功能”是指应用系统的主要性能指标和技术要求是指应用系统的主要性能指标和技术要求(如如采样精度、响应时间、输出输入信号等采样精度、响应时间、输出输入信号等)。可靠性可以用多种指标形式可靠性可以用多种指标形式(数学特征量数学特征量)表示，如可靠度、表示，如可靠度、平均故障间隔时间平均故障间隔时间(MTBF)、有效寿命等。、有效寿命等。可靠性等级可靠性等级是指系统在具体运行条件下，满足可靠运行时，是指系统在具体运行条件下，满足可靠运行时
4、，对可靠性设计要求的程度。可靠性等级高，表明该系统在指定运行对可靠性设计要求的程度。可靠性等级高，表明该系统在指定运行条件下，出现可靠性问题的概率大，而且一旦出现可靠性问题，危条件下，出现可靠性问题的概率大，而且一旦出现可靠性问题，危害严重。害严重。可靠性等级是可靠性设计的依据。可靠性设计是系统软件、可靠性等级是可靠性设计的依据。可靠性设计是系统软件、硬件设计的重要组成部分。硬件设计的重要组成部分。合理的可靠性设计是以满足系统运行可靠为原则，符合可靠合理的可靠性设计是以满足系统运行可靠为原则，符合可靠性等级要求。性等级要求。2.现代电子系统的特征现代电子系统的特征现代电子系统具有以下特征：现代
5、电子系统具有以下特征：具有嵌入式计算机系统，具有智能化的体系结构。具有嵌入式计算机系统，具有智能化的体系结构。是以计算机为核心的柔性硬件基础，由软件实现其系统功能。是以计算机为核心的柔性硬件基础，由软件实现其系统功能。硬件系统有微电子工艺及微电子系统集成的有力支持。硬件系统有微电子工艺及微电子系统集成的有力支持。单片微机应用系统是当前最广泛、最典型的现代电子系统单片微机应用系统是当前最广泛、最典型的现代电子系统。(2)现代电子系统可靠性定义现代电子系统可靠性定义 与古典电子系统以失效为依据的可靠性概念相比，现代电子与古典电子系统以失效为依据的可靠性概念相比，现代电子系统的可靠性则表现为，在规定
6、条件下，系统能否准确无误运行系统的可靠性则表现为，在规定条件下，系统能否准确无误运行的能力，突出了可靠性的软件保证和运行中的失误概率。的能力，突出了可靠性的软件保证和运行中的失误概率。可靠性设计则是在产品全过程中，保证运行可靠的全部设计手可靠性设计则是在产品全过程中，保证运行可靠的全部设计手段，甚至包含了产品出厂后，软件升级中的可靠性段，甚至包含了产品出厂后，软件升级中的可靠性设计。设计。(3)现代电子系统的广义可靠性现代电子系统的广义可靠性 与古典电子系统相比，由于软件的介入，其可靠性问题更加与古典电子系统相比，由于软件的介入，其可靠性问题更加广义，除了两值可靠性的广义，除了两值可靠性的“失
7、效失效”以外，出现了多值可靠性。所以外，出现了多值可靠性。所谓多值可靠性是指除谓多值可靠性是指除“正常正常”与与“失效失效”以外会出现许多介于其以外会出现许多介于其间的间的“出错出错”、“失误失误”、“不稳定不稳定”等可靠性问题。例如，软等可靠性问题。例如，软件运行的件运行的“死机死机”问题，时空边界性问题，千年问题，时空边界性问题，千年“虫虫”问题等。问题等。可靠性设计贯彻在单片微机应用系统设计的全过程，可靠性设计贯彻在单片微机应用系统设计的全过程，包括以下环节；包括以下环节；总体设计。总体设计。硬件系统设计。硬件系统设计。PCB设计。设计。电源系统设计。电源系统设计。软件设计。软件设计。7
8、.2.2 7.2.2 硬件系统的可靠性设计硬件系统的可靠性设计7.2.2.1 7.2.2.1 电磁兼容电磁兼容 国际电工技术委员会（国际电工技术委员会（IEC）对电磁兼容的定义：）对电磁兼容的定义：电磁兼容是一种能力，它在其电磁环境中能完成它的功能，而电磁兼容是一种能力，它在其电磁环境中能完成它的功能，而不至于在其环境中产生不能容忍的干扰。不至于在其环境中产生不能容忍的干扰。两点要求：两点要求：1)系统本身抗电磁干扰能力要强，不易受到外界环境的干扰。系统本身抗电磁干扰能力要强，不易受到外界环境的干扰。2)系统本身不应成为一个噪声源，产生对其它仪器、设备的电磁干系统本身不应成为一个噪声源，产生对
9、其它仪器、设备的电磁干扰。扰。形成电磁干扰必须具备下列三个基本要素形成电磁干扰必须具备下列三个基本要素：电磁干扰源：指产生电磁干扰的任何元器件、设备或自然现象。电磁干扰源：指产生电磁干扰的任何元器件、设备或自然现象。耦合途径：指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通路或媒介。耦合途径：指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通路或媒介。敏感设备：指受到电磁干扰影响，或者说对电磁干扰发生响应的敏感设备：指受到电磁干扰影响，或者说对电磁干扰发生响应的设备。设备。1.噪声的来源与传输噪声的来源与传输(1)人为因素，数字电路的开关过程，高频无线电信号的发射，继人为因素，数字电路的开关过程，高频无线电信号的发射，
10、继电器、开关的动作、电机的旋转、汽车火花的放电等。电器、开关的动作、电机的旋转、汽车火花的放电等。(2)来自大自然的噪声：雷电、太阳黑子爆发等。来自大自然的噪声：雷电、太阳黑子爆发等。(3)电子学器件的固有噪声。热噪声。电子学器件的固有噪声。热噪声。7.2.2.2 噪声及抑制噪声及抑制2.噪声的抑制噪声的抑制 控制噪声源控制噪声源1)能用低速芯片就不用高速的。能用低速芯片就不用高速的。2)使用满足系统要求的最低频率的时钟。使用满足系统要求的最低频率的时钟。3)时钟产生器尽量靠近用到该时钟的器件。时钟产生器尽量靠近用到该时钟的器件。4)I/O 驱动电路尽量靠近印制板边，让它尽快离开印制板。驱动电
11、路尽量靠近印制板边，让它尽快离开印制板。5)从高噪声区来的信号要加滤波。从高噪声区来的信号要加滤波。6)置不用的置不用的CMOS门电路输入端不要悬空，闲置不用的运算放大器门电路输入端不要悬空，闲置不用的运算放大器正输入端要接地，负输入端接输出端。正输入端要接地，负输入端接输出端。减小噪声的耦合减小噪声的耦合1)在印制电路板上按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声在印制电路板上按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声元件要离得远一些。元件要离得远一些。2)对特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来。对特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来。3)模拟电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线，特别模拟
12、电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线，特别是时钟线。是时钟线。4)对对A/D 类器件，数字部分与模拟部分宁可绕一下也不要交叉。类器件，数字部分与模拟部分宁可绕一下也不要交叉。减小噪声接收减小噪声接收1)任何信号都不要形成环路，如果不可避免，则让环路区尽量小。任何信号都不要形成环路，如果不可避免，则让环路区尽量小。2)使用高频、低寄生电感的瓷片电容或多层陶瓷电容作去耦电容。使用高频、低寄生电感的瓷片电容或多层陶瓷电容作去耦电容。3)每个集成电路的电源两端接一个去耦电容。每个集成电路的电源两端接一个去耦电容。1.干扰的方式干扰的方式 共模干扰共模干扰是指电源线对大地，或中线对大地之间的电
13、位差。对于是指电源线对大地，或中线对大地之间的电位差。对于三相电路来说，共模干扰存在于任何一相与大地之间。共模干扰有三相电路来说，共模干扰存在于任何一相与大地之间。共模干扰有时也称为纵模干扰、不对称干扰或接地干扰，这是载流导体与大地时也称为纵模干扰、不对称干扰或接地干扰，这是载流导体与大地之间的电位差，如之间的电位差，如图图7-2a所示。所示。差模干扰差模干扰存在于电源相线与中线之间。对三相电路来说，还存在存在于电源相线与中线之间。对三相电路来说，还存在于相线与相线之间。差模干扰有时也称为串模干扰、常模干扰、横于相线与相线之间。差模干扰有时也称为串模干扰、常模干扰、横模干扰或对称干扰，这是载流
14、导体之间的电位差。如模干扰或对称干扰，这是载流导体之间的电位差。如图图7-2b所示。所示。差模干扰提示了干扰是源于同一条电源电路当中，而共模干扰则提差模干扰提示了干扰是源于同一条电源电路当中，而共模干扰则提示了干扰是由辐射或串扰耦合到电路中来的。示了干扰是由辐射或串扰耦合到电路中来的。区分是哪一种干扰模式，然后才能对症下药，采取不同的区分是哪一种干扰模式，然后才能对症下药，采取不同的抗干扰措施。抗干扰措施。7.2.2.3电源线上的干扰及抑制方法电源线上的干扰及抑制方法 2.电源干扰抑制技术电源干扰抑制技术 干扰进入单片微机应用系统的途径一般有三种干扰进入单片微机应用系统的途径一般有三种:电磁耦
15、合；电磁耦合；电容耦合；电容耦合；直接进入。直接进入。对应用系统来说，来自电源线的干扰是瞬态干扰、尖脉冲干对应用系统来说，来自电源线的干扰是瞬态干扰、尖脉冲干扰等。扰等。常用的电源干扰抑制设备和产品有瞬变干扰吸收器、电源线常用的电源干扰抑制设备和产品有瞬变干扰吸收器、电源线滤波器、隔离变压器等。滤波器、隔离变压器等。图图7-3是某单片微机应用系统电源进线部分的抗干扰电路。是某单片微机应用系统电源进线部分的抗干扰电路。Z为瞬变干扰抑制器，吸收瞬变电压干扰。为瞬变干扰抑制器，吸收瞬变电压干扰。T为隔离变压器。为隔离变压器。FUSE为可恢复保险丝，线路电流超过额定值，则断路，而当线路为可恢复保险丝，
16、线路电流超过额定值，则断路，而当线路电流低于允许值，该器件自动短路。电流低于允许值，该器件自动短路。RV为压敏电阻，吸收浪涌电压，比如感应雷的干扰。为压敏电阻，吸收浪涌电压，比如感应雷的干扰。INDUCT为滤波器。为滤波器。L为电感线圈，吸收差模干扰。为电感线圈，吸收差模干扰。1.单片微机的选择单片微机的选择要选择满足最大系统集成要求，系统中的外围电路要选择满足最大系统集成要求，系统中的外围电路(如如A/D、D/A、看门狗等、看门狗等)尽可能在单片微机中解决。尽可能在单片微机中解决。本质低功耗和低功耗控制。本质低功耗和低功耗控制。2简化电路设计的器件选择简化电路设计的器件选择尽可能采用串行传输
17、总线器件代替并行总线扩展的器件。尽可能采用串行传输总线器件代替并行总线扩展的器件。7.2.2.4 器件选择的可靠性设计器件选择的可靠性设计3选择保证可靠性的专用器件选择保证可靠性的专用器件消除系统出错因素或保护系统的安全消除系统出错因素或保护系统的安全:(1)电源监控类器件电源监控类器件 (2)P运行监控运行监控 程序运行的监视定时器，保证单片微机程序运行程序运行的监视定时器，保证单片微机程序运行失控时的可靠复位及数据保护。失控时的可靠复位及数据保护。(3)尖峰抑制器件尖峰抑制器件 如压敏电阻、瞬变电压抑制器等，能可靠地消如压敏电阻、瞬变电压抑制器等，能可靠地消除电源总线上尖峰电压、浪涌电压对
18、系统的损坏。除电源总线上尖峰电压、浪涌电压对系统的损坏。(4)可恢复熔断器可恢复熔断器 实现电源短路保护。能实现过流自关断，故障实现电源短路保护。能实现过流自关断，故障消失后的自恢复。消失后的自恢复。(5)其它其它 如信号线路故障保护器，如信号线路故障保护器，ESD(静电干扰静电干扰)抑制器件等。抑制器件等。4器件参数选择器件参数选择器件参数选择要有足够的余度。这就是传统电路设计的降器件参数选择要有足够的余度。这就是传统电路设计的降额设计。额设计。要根据系统的运行环境，如温度、电源范围、驱动能力、要根据系统的运行环境，如温度、电源范围、驱动能力、运行速度等来选择器件相应的电气参数，应留有较大余
19、地，避免运行速度等来选择器件相应的电气参数，应留有较大余地，避免在参数边界上使用。在参数边界上使用。7.2.3 7.2.3 软件的可靠性设计软件的可靠性设计差异是由于软、硬件故障机理的差异造成的。软件可靠性的差异是由于软、硬件故障机理的差异造成的。软件可靠性的发展比硬件可靠性要迟很多年，还没形成一套完整成熟的理论。发展比硬件可靠性要迟很多年，还没形成一套完整成熟的理论。软件的故障曲线也是浴盆形的软件的故障曲线也是浴盆形的软件的可靠性是软件的可靠性是“软件在规定的条件下，规定的时间周期内软件在规定的条件下，规定的时间周期内执行所要求功能的能力执行所要求功能的能力”。1.减少缺陷减少缺陷显性缺陷显
20、性缺陷发生在程序正常运行中。这些缺陷大部分都可通过发生在程序正常运行中。这些缺陷大部分都可通过仿真调试进行纠正；仿真调试进行纠正；隐性缺陷隐性缺陷通常都在系统非正常运行时暴露出来。容错能力弱通常都在系统非正常运行时暴露出来。容错能力弱的系统中会存在较多的隐性错误。例如，单片微机在通信时若采用的系统中会存在较多的隐性错误。例如，单片微机在通信时若采用查询方式，执行查询方式，执行JNBJNB RIRI，$或或JNB TIJNB TI，$指令，当通信中一方或通信指令，当通信中一方或通信线路出现故障时，会出现线路出现故障时，会出现“死机死机”现象。这时应在软件中设置现象。这时应在软件中设置“超超时错时
21、错”的功能，的功能，2要有足够的时序余度要有足够的时序余度 (1)系统复位时序系统复位时序 单片微机有上电复位单片微机有上电复位(冷启动复位，如开机冷启动复位，如开机)与信号复位与信号复位(热启动，热启动，如软件陷阱复位、看门狗复位等如软件陷阱复位、看门狗复位等)。上电复位有电源建立及时钟系。上电复位有电源建立及时钟系统起振过程和电路状态复位。信号复位是在单片微机工作状态下的统起振过程和电路状态复位。信号复位是在单片微机工作状态下的复位，没有电源建立及时钟起振过程的时序要求。复位，没有电源建立及时钟起振过程的时序要求。(2)状态转换时序状态转换时序 在单片微机应用系统的实际运行中，有许多状态转
22、换过程，如在单片微机应用系统的实际运行中，有许多状态转换过程，如低功耗运行方式的转换、电源系统的投切管理、外围器件的关断控低功耗运行方式的转换、电源系统的投切管理、外围器件的关断控制以及中断激励与响应等。在这些状态转换中有一个过渡过程，应制以及中断激励与响应等。在这些状态转换中有一个过渡过程，应用程序设计时，必须保证有足够的时序空余度。用程序设计时，必须保证有足够的时序空余度。(3)总线时序总线时序 总线在规范化操作时，其时序由数据通信协议保证。总线在规范化操作时，其时序由数据通信协议保证。在非规范运行，例如在虚拟总线方式下，其虚拟总线运行在非规范运行，例如在虚拟总线方式下，其虚拟总线运行的可
23、靠性在于时序的准确模拟。在并行总线中要保证读、写操的可靠性在于时序的准确模拟。在并行总线中要保证读、写操作指令运行下的读、写时序；同步串行总线要保证时钟线控制作指令运行下的读、写时序；同步串行总线要保证时钟线控制下的同步运行时序，串行异步时序则要考虑波特率对数据传送下的同步运行时序，串行异步时序则要考虑波特率对数据传送的影响。的影响。3容错设计容错设计软件容错设计的原则是：对非正常激励的屏蔽，对未能屏蔽的非软件容错设计的原则是：对非正常激励的屏蔽，对未能屏蔽的非正常激励使其形成有序化的响应，回归到正常运行路径或回复到起正常激励使其形成有序化的响应，回归到正常运行路径或回复到起始点。始点。4.噪
24、声失敏控制技术噪声失敏控制技术 低功耗方式主要有关断低功耗方式主要有关断CPU时钟的休闲时钟的休闲ID方式和关断系统时钟方式和关断系统时钟的掉电的掉电PD方式。在方式。在ID方式下，方式下，CPU停止工作，在停止工作，在PD方式下单片微方式下单片微机中机中CPU和和CPU外围电路都停止工作。外围电路都停止工作。噪声失敏是利用这两种状志下其对外界噪声干扰失去响应能力的可噪声失敏是利用这两种状志下其对外界噪声干扰失去响应能力的可靠性控制技术。靠性控制技术。5.程序程序“死机死机”或或“跑飞跑飞”的处理的处理 由于程序执行过程中遇到干扰，或是设计软件时的缺陷，引起程由于程序执行过程中遇到干扰，或是设
25、计软件时的缺陷，引起程序序“死机死机”或或“跑飞跑飞”。一是增加看门狗或软件超时错处理，二是在非程序段设量一是增加看门狗或软件超时错处理，二是在非程序段设量“软件软件陷阱陷阱”，当程序非法进入这些程序段时，即转入，当程序非法进入这些程序段时，即转入“热启动热启动”。7.37.3 单片微机应用系统低功耗设计技术单片微机应用系统低功耗设计技术7.3.1 低功耗设计概述低功耗设计概述应用系统低功耗设计除了降低功耗、节省能源、满足绿应用系统低功耗设计除了降低功耗、节省能源、满足绿色电子的基本要求之外，还能提高系统的可靠性，满足便携式、色电子的基本要求之外，还能提高系统的可靠性，满足便携式、电池供电等特
26、殊应用场合产品的要求。电池供电等特殊应用场合产品的要求。应用系统低功耗设计的意义如下应用系统低功耗设计的意义如下实现实现“绿色绿色”电子，节省能源电子，节省能源 能明显的降低应用系统所消耗的功率。消耗功率的降低，能明显的降低应用系统所消耗的功率。消耗功率的降低，使温升降低，改善了应用系统的工作环境。使温升降低，改善了应用系统的工作环境。提高了电磁兼容性和工作可靠性提高了电磁兼容性和工作可靠性 CMOS电路有较大的噪声容限；单片微机的低功耗模式常电路有较大的噪声容限；单片微机的低功耗模式常采用的休闲、掉电、关断及关闭电源等方式，在这些方式下，采用的休闲、掉电、关断及关闭电源等方式，在这些方式下，
27、系统对外界噪声失敏，大大减少了因噪声干扰产生的出错概率。系统对外界噪声失敏，大大减少了因噪声干扰产生的出错概率。促进便携化发展促进便携化发展7.3.2低功耗应用系统的硬件设计低功耗应用系统的硬件设计 从第四代单片微机开始，各家半导体厂家都在单片微机中从第四代单片微机开始，各家半导体厂家都在单片微机中实现了全面的低功耗技术，它包括：实现了全面的低功耗技术，它包括：传统的传统的CMOS单片微机低功耗运行方式单片微机低功耗运行方式，即休闲方式，即休闲方式(IDle)、掉电方式、掉电方式(Power Down)。双时钟技术双时钟技术。配置有高速。配置有高速(系统时钟系统时钟，如，如12MHz)和低速和
28、低速(子子时钟，比如时钟，比如32.768KHz)时钟时钟。在掉电保护期间，有可能由电池供电，这时一定转入子时种运在掉电保护期间，有可能由电池供电，这时一定转入子时种运行。如行。如NEC78系列单片微机的主系统时钟为系列单片微机的主系统时钟为4.19MHz，子系统，子系统时钟为时钟为32.768KHz。高速时钟下的分频控制运行技术高速时钟下的分频控制运行技术可根据指令运行速度要求，通过分频来控制总线速度，以降低功耗。可根据指令运行速度要求，通过分频来控制总线速度，以降低功耗。如如NEC78系列单片微机的主系统时钟为系列单片微机的主系统时钟为4.19MHz，但可以通过设置，但可以通过设置来选择来
29、选择3种种CPU时钟，分别为时钟，分别为0.95s，1.9s和和15.3s。低时钟下的倍频控制运行技术低时钟下的倍频控制运行技术如如MOTOROLA公司的公司的 MC68HC08，其内部具有锁相环电路，可以，其内部具有锁相环电路，可以使用使用32.768KHz的外接晶振产生的外接晶振产生8MHz的总线速度。的总线速度。外围电路的电源管理外围电路的电源管理对集成在片内的外围电路实行供电管理。在该外围电路不运行时，对集成在片内的外围电路实行供电管理。在该外围电路不运行时，关闭其电源。关闭其电源。低电压节能技术低电压节能技术CMOS电路的功耗与电源电压有关，降低供电电压能大幅度减少器电路的功耗与电源
30、电压有关，降低供电电压能大幅度减少器件的功耗。件的功耗。7.3.3低功耗应用系统的软件设计低功耗应用系统的软件设计单片微机的功耗管理单片微机的功耗管理 根据应用系统运行的不同时段用软件选择晶振频率。当检测到掉电时，则应迅速进入子时钟工作状态，使系统工作电流最低。在无谓等待时，比如检测故障，这时可先进入等待或掉电状态，系统功耗降低；当发生故障时，产生的中断可以使系统退出低功耗状态。2.应用系统外围器件的功耗管理应用系统外围器件的功耗管理 除具有自关断功能的外围器件外，对于可外部关断的外围器件，可以通过单片微机的I/O脚直接用软件来控制其关断和合上。对于不具有关断控制功能的外围器件，当其处于无谓等
31、待状态时，可以采用电源管理的方法，直接切断对该外围器件的供电。7.4 单片微机应用系统的测试技术单片微机应用系统的测试技术7.4.1安全性能试验安全性能试验 1 绝缘电阻试验绝缘电阻试验 各电气回路对地和各电气回路之间，用500V兆欧表测量绝缘电阻。在正常工作条件下，绝缘电阻应不低于5M，在湿热试验后绝缘电阻应不低于2M。2.冲击电压试验冲击电压试验 试验条件为:脉冲波形标准的1.2/50s。电压上升时间30%。电压下降时间20%。电源阻抗(50050)。电源能量(0.50.05)J。试验电压6kV。试验电压允差0%。10%。每次试验应分别在不同极性下施加10次冲击电压，各脉冲之间最小间隔时间
32、为3s各线路和线路之间。线路对地。3.交流电压试验交流电压试验 试验电压参数为:电压波形实际上的正弦波。幅值2kV。频率4565Hz。施加时间1min。电源容量500VA。试验电压施加于线路与地两点之间。7.4.2电气性能试验电气性能试验 1.电源变化影响试验电源变化影响试验 电源电压和频率变化到标准规定的极限值，系统应能正常工作。2.电压降落和短时中断试验电压降落和短时中断试验 电压中断为U=100%，中断时间为1s，中断次数为3次，各次中断之间的恢复时间为50ms。电压中断为U=100%，中断时间为20ms，中断次数为1次。电压降落为U=60%，中断时间为1min，降落次数为1次。在进行电
33、压中断和电压降落试验时，系统及组成系统的各设备不能“死机”，更不应损坏。3.停电数据保持试验停电数据保持试验 先读出保存的数据，然后停电规定的xx时间，电源恢复后，保存的数据应无变化。4.功耗试验功耗试验 用伏安法及功率表测出功耗。7.4.3电磁兼容性试验电磁兼容性试验1.静电放电抗扰性试验静电放电抗扰性试验 按照IEC1000-4-2:1995中规定，并在下述条件下进行:严酷等级为几级。试验电压为8kV。在其外壳和被试设备操作键等工作人员经常可能触及的部位，放电次数为10次，每次放电间隔至少为1s。在静电放电的作用下，系统不应出现损坏或信息的改变，并能正常工作和通信。2.辐射电磁场抗扰性试验
34、辐射电磁场抗扰性试验 按照IEC1000-4-3:1995中规定，并在下述条件下进行:电源及辅助线路加参比电压，系统的各个设备在正常工作状态。频率范围为801000MHz。严酷等级为3。试验场强为10V/m。试验时，系统应能正常工作。3.电快速瞬变脉冲群抗扰性试验电快速瞬变脉冲群抗扰性试验 按照IEC1000-4-4:1995中规定，并在下述条件下进行，试验电压应以共模方式施加于地与系统及组成系统的各设备的下列线路间:电源电压线路。正常工作时与电源电压线路分离的辅助线路。输入/输出和数据通信线路。在脉冲群(可高达4kV)的作用下，系统正常工作，不应出现损坏或信息的改变。试验后，系统能正常工作和
35、通信。5.5.浪涌抗扰性试验浪涌抗扰性试验 按照IEC1000-4-5:1995中规定，并在下述条件下进行，试验电压应加于下列线路间:电源电压线路端间。正常工作时与电源电压线路分离的辅助线路端之间。电源电压线路各端与地之间。正常工作时与电源电压线路分离的辅助线路各端与地之间。波形为1.2/50s，试验电压2kV或4kV试验中设备无损坏，试验后，系统存储数据无变化，并能正常工作和通信。7.4.4 气候影响试验气候影响试验1.高温试验。2.低温试验。3.交变湿热试验。7.5 单片微机应用系统常用外围器件的单片微机应用系统常用外围器件的原理及应用原理及应用7.5.1 带有看门狗定时器的带有看门狗定时
36、器的P监控器件的原理及应用监控器件的原理及应用 内部结构与引脚排列内部结构与引脚排列IMP705706813L及IMP707708的内部结构如图78a、b所示。两种结构的主要区别在于，图a有内部超时定时器(看门狗)，而图b只有复位、比较器等电路。对于IMP813L，复位输出(RESET)为高电平有效。其引脚功能/MR 手动复位输入。低电平有效，内部有250A的上拉电阻，允许此脚被TTLCMOS逻辑驱动或由开关短路到地。PFI电源故障电压监控输入。当PFI小于125V时，变为低电平，不用时PFI接地或至Vcc。PFO电源故障输出。低电平有效且当PFI小于125V时吸收电流。WDI 看门狗输入。控
37、制内部看门狗定时器。WDI端保持高电平或低电平达16s可使内部定时器完成计数，并将变为低电平。将WDI悬空或连接到高阻抗或三态缓冲器将禁止看门狗功能。内部看门狗定时器清0的条件有三种：发生复位，WDI处于三态，WDI检测到一个上升沿或下降沿。WDO WDO 看门狗输出。当内部看门狗定时器超时16s时，拉至低电平，并直到看门狗被清才变为高电平。此外，当VCC低于复位门限时，保持低电平。和不同，没有最小脉冲宽度，只要VCC超过复位门限，就变为高电平而没有延迟RESET低电平有效的复位输出。触发后产生200ms的负脉冲，并只要VCC低于复位门限，它就保持低电平。在VCC上升超过复位门限或由低电平变为
38、高电平之后，仍保持低电平200ms。看门狗超时，将触发看门狗输出。当内部看门狗定时器超时16s时，拉至低电平，并直到看门狗被清才变为高电平。此外，当VCC低于复位门限时，保持低电平。RESET 高电平有效的复位输出。RESET与相反。只有IMP813L有一个RESET输出2使用说明使用说明复位操作复位信号用来按已知状态启动单片微机。一旦单片微机处于未知状态(死机)，就必须使系统复位。当VCC大于12V时，保证为低电平。在上电期间，保持低电平直到电源电压升至复位门限(465V或440V)以上。在超过此门限后，为高电平，大约200ms。在掉电期间，当VCC降至复位门限以下时，RESET变为低电平，
39、并在VCC大于1.2V时，保证低于0.4V。在VCC降至复位门限电压以下时，即处于降压的情况下，变为低电平。如果在已开始的复位脉冲期间电压下降，则该脉冲至少再持续140ms。当VCC大于12V时，保证为低电平。在上电期间，保持低电平直到电源电压升至复位门限(465V或440V)以上。在超过此门限后，为高电平大约200ms。用辅助比较器检测电源故障IMP系列所有器件都带有一个辅助比较器，它具有125V的转换点和独立的输出端()及非反相输入端(PFI)。外接一个电阻分压器，可使该比较器用作电源电压监控器。PFI端的衰减电压应设置为仅仅低于125V门限。当电源电压下降时，PFI减小使得变为低电平。手
40、动复位低电平有效的手动复位输入可被250A上拉电流驱动至高电平，并可被CMOSTTL逻辑低电平或接地的机械开关驱动至低电位。将连至可使看门狗超时产生复位。看门狗定时器用于监控PC的工作。如果在16s内未检测到PC工作，内部定时器将使看门狗输出处于低电平状态。将保持低电平直到WDI检测到PC的工作。应用电路应用电路 图7-10是IMP813L与80C51系列单片微机的应用电路。89C51单片微机的P1.4接至WDI作为运行检测信号。接至89C51的上作为死机后的中断信号。R1和R2的分压比作为检测电源故障的比较输入信号。当比较后的电源信号小于1，25V时，接于INT1的PFO变低，作为掉电中断信
41、号。7.5.27.5.2光耦合器的原理及应用光耦合器的原理及应用光耦合器的结构及特点光耦合器的结构及特点由发光源和受光器两部分组成，并封闭在同一个不透明的管壳内，由绝缘的透明树脂隔开，如图7-12所示。发光源引出的管脚为输入端，受光器引出的管脚为输出端。光耦合器的发光源常用砷化镓红外发光二极管，受光器常用光电三极管、光敏晶闸管和光敏集成电路等。光耦合器具有如下特点:光耦合器的信号传递采取电光电的形式，因此具有很高的绝缘电阻，可以达到10111013。并能承受2000V以上的高压。光耦合器的发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪音干扰信号形成低阻抗旁路，所以具有很强的抑制噪声干扰
42、的能力。光耦合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和速度快等优点，响应时间一般为几个s以内，有的高速型光耦合器的响应时间甚至小于10ns。1)信号隔离信号隔离图7-13是80C51单片微机使用4N25光耦合器的接口电路图。4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片微机80C51系统与输出部分的作用，使两部分的电流相互独立。输出部分的地线接机壳或接大地，而80C51系统的电源地线不与交流电源的地线相接。2)电号隔离电平转换电号隔离电平转换 光耦合器是电流型输出，不受输出端工作电压的影响，可以用于不同电平的转换。在图7-14的电路中，光耦合器输出部分工作电压改为15V，改用CMOS反相器MC14069。当
43、P10端输出高电平时，光耦合器的输出端相当开路，MC14069的输入端电压为15V。当P1.0端输出低电平时，光耦合器的输出晶体管导通，MC14069的输入端电压接近0V。7.5.37.5.3压敏电阻的原理及应用压敏电阻的原理及应用是一种非线性电阻性元件，它对外加的电压十分敏感，外加电压的微小变动，其阻值会发生明显变化。电压的微增量便可引起大的电流增量。压敏电阻是一个多PN结器件，这些结是并联和串联在一起的，从外形上看，其厚度正比于电压，面积正比于电流，体积正比于能量。ZnO压敏电阻的电气参数压敏电阻的电气参数 电气特性参数包括非线性系数、C值、漏电流、电压温度系数、通流容量、频率特性等。图7
44、-18是实验测定并用对数坐标描绘的一个ZnO压敏电阻的伏安特性曲线。在大于Ib的某一电流范围内，伏安特性近似于直线。300K温度下ZnO压敏电阻特性如图7-19所示。图中特性曲线分为三个区域：曲线在106Acm2以下是伏安特性曲线陡峭上升前的区域，称为预击穿区预击穿区；当电流由约106Acm2到10Acm2时，曲线呈现出高的非线性特性，这个区域称为击穿区击穿区；在约10Acm2以上的大电流区，曲线出现回升，非线性又减弱，故称为回升区回升区。在曲线急剧上升区，元件的电阻值对电压的变化极为敏感。与选用压敏电阻器有关的几个参量:压敏电压压敏电压(标称电压)不同的压敏电阻进入陡峭区的电压是不同的。一般
45、说来，当几何形状一定时，往往取与1mA电流相对应的电压作为I随V陡峭上升时电压的大小标志，称此电压为压敏电压V1mA。残压比残压比表示压敏电阻器的伏安特性。压敏电阻器流过某一脉冲电流时元件两端的电压峰值，称为残压。残压比是这个峰值电压与压敏电压的比值。漏电流漏电流压敏电阻器正常工作时流过的电流称为漏电流。通流容量通流容量 压敏电阻经过连续交、直流负荷和高浪涌电流冲击后，压敏电压V1mA有所下降，用V1mA下降值来表示压敏电阻耐高浪涌冲击的能力。把满足V1mA要求下，压敏电阻所能承受的最大冲击电流(按规定波形)称为压敏电阻器的通流容量。2.压敏电阻的选择压敏电阻的选择 标称电压V1mA的选择主要
46、依据是工作电压，电压V1mA与工作电压的关系依经验定为V1mA=1.5V=2.2VV=0.66V1mAV=0.45V1mA选择V1mA时，其下限按上三式选取；上限则由被保护设备的耐压值决定，使压敏电阻在吸收过电压时，残压应在设备的耐压之下。例如，V=220V，按式算出V1mA=484V，可根据手册选择470V或510V即可。通流容量的选择通流容量的选择假定线路侵入的浪涌电压为Vz，线路的阻抗为Z，则浪涌电流为Iz=VzZ。1kA(8/20s电流波)的压敏电阻可用于晶闸管保护上，3kA的可用于电器设备的电涌吸收，5kA的可用于雷击及电子设备的过电压吸收，10kA的可用于雷击保护。浪涌能量的确定浪
47、涌能量的确定选择压敏电阻的通流容量时，还需计算加于压敏电阻器的能量和挑选压敏电阻器的种类。浪涌能量E表示为E=V1mAIZt J式中t 浪涌电流波形为标准雷电浪涌波形持续时间，为20s。ZnO压敏电阻的漏电流压敏电阻的漏电流应选在50100A之间，为保证可靠性，所选压敏电阻的残压比值越小越好。例例7 1交流220V线路中，设备耐压值为600V，假定浪涌电压为6kV。选择压敏电阻器的具体步骤如下：标称电压最小值为22220V=484V，最大值为600V，即选标称电压V1mA=510V即可。假设线路阻抗为50，浪涌电流Iz=VzZ=6000V50=120A，压敏电阻器的通流容量120A，可选Iz=
48、05kA即可。浪涌能量E=510V120A20s=12J，可选耐浪涌能量E=2J的压敏电阻器。综合V1mA、Iz值、E值，从产品样本中选择合适的压敏电阻器。例例7-2直流100V线路中，线圈电阻为1k，电感为0.4H。用压敏电阻器作电压保护，设备最高耐压值为120V。感性负载。选择压敏电阻步骤如下：选择标称值V1mA=120V。设线路的阻抗为1，则浪涌电流IZ=120V1=120A。该浪涌的持续时间t=LRL=04H1k=04103s=0.4ms。计算线圈的额定电流I=VRL=100V1k=0.1A。压敏电阻器的浪涌容量可估算为8mJ。压敏电阻的接线方式压敏电阻的接线方式 ZnO压敏电阻应与被
49、保护的设备或过电压源并联，而且安装部位应尽可能靠近被保护的设备。图720a是将压敏电阻RV并联在电源变压器的一次侧，图7-20b则是将RV并联在变压器的二次侧。使用压敏电阻的注意事项使用压敏电阻的注意事项(1)压敏电阻的残压比大约在1.71.8上，表明压敏电阻在吸收大的冲击电流时，出现在压敏电阻两瑞(也即被保护设备上)的电压可能会超过被保护设备的允许值。一般应选用尺寸大一些的压敏电阻。(2)压敏电阻与被保护的器件之间的配线要尽量短且粗，而且其包围面积要小。因此，压敏电阻要装在被保护电路或设备的近处，或装在浪涌发生源的近处。(3)接于线路与地线间的压敏电阻的漏电流往往会使漏电保护继电器动作，所以
50、对压敏电阻的漏电流要慎重选择。(4)压敏电阻有固定电容量C，电容量在数千和数百pf之间，这意味着压敏电阻不适于在高频场合下工作，比较适合于工频系统中工作，比如交流电源进线、晶闸管等。7.5.47.5.4瞬变电压抑制器瞬变电压抑制器TVSTVS的原理及应用的原理及应用外形与普通二极管无异，但却能“吸收”高达数千瓦的浪涌功率。当TVS两端经受瞬间高能量冲击时，它能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，吸收一个大电流，从而把它两端间的电压钳位在一个预定的数值上，保护后面的电路元件不因瞬态高电压的冲击而损坏。它使危险的电压尖峰以箝位的方式(由硅PN结的雪崩效应)被限制在电路可以允许的范围内。
