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单片机项目总结（一）-- 稳定性

以前只写桌面软件和 Web 程序，感觉一个稍有规模的软件要想做到良好的稳定性是要下一番功夫的，更不要说系统软件、内核模块、操作系统了这些了，因为他们确实太复杂了。

与此相对的，初涉单片机的时候，就感觉这东西很简单，也很难出故障，这个感觉和平常的经验也相符，毕竟，你什么时候看到过电子表死机？遥控器死机？刮胡刀死机？电梯死机？因为他们的逻辑就那么简单，根本就不可能死嘛……

不过现在才明白，如果你在实验室里做个电子玩具，那么以上是成立的，当你准备把这个玩具做成产品的时候，那么诸多问题就来了：你的产品也许不会像电脑主机一样放在桌角就不动了，它也许会被放在 -20 度的户外，也许会被阳光晒到 50 度以上，也许会在湿度经常达到 80% 以上的南方夏天使用，也许会在干燥得一碰就能打出静电火花的北方冬天使用，也许会正好放在冰箱的压缩机旁边，也许会从桌上摔到地上再弹起来……

最初没有认识到这点，以为原型搞定了就算完工，结果之后在稳定性上花了大量的时间。不过也算了解了不少东西，特此记录一下~

1. Watchdog

看门狗，一直以来都知道有这么个东西，但是从来没有用过。第一印象是觉得这个模块的作用怎么这么弱智，不就是个定时的复位器吗，还要在程序中不断” 喂狗“，为啥要这么麻烦……现在明白了，因为你不知道你的程序会在什么地方跑飞，或者进入死循环，即便是设计的 100% 完美的代码，也可能在外部干扰、电压不稳的情况下，到错误的地方执行错误的代码，看门狗给让你的程序至少不会失去响应，大多数还有标志位让你能分辨出看门狗重启从而做特殊处理。

无奈的是看门狗是要消耗电量的，对电池设备不是那么合适，不过如果你的设备不是要求一节纽扣电池就要运行两三年的话，那么还是把看门狗打开吧~

如果追求更低的功耗，和更健壮的稳定性，那么用专用的外部看门狗芯片也是不错的。除此之外也有不少芯片有看门狗这个附加功能，比如 HT1621，不用白不用~ ：）

2.BOD

BOD 给我的第一感觉，也跟看门狗一样，不就是个低电压复位器嘛，认为在电压很波动的环境中用用还情有可原，一般情况下用不到。其实不然，因为电压过低是造成程序混乱的一个主要原因，最低电压 1.8V 的处理器，在 1.0V 电压下也可以运行，但是内部已经混乱了。这次就遇到了用电池的设备在低温下莫名其妙跑飞的情况，最后才发现是电池在电量快耗尽的时候，在低温下电压会降得很厉害，加上 BOD 就 OK 了。

BOD 也有同样的问题，就是一般也是要耗电的，因为为了比较电压，至少要维护一个电压基准。不过比如 MSP430 就有 zero-power BOD 技术做到零功耗的 BOD，新版采用 picoPower 技术的 AVR 处理器也有 Sleeping BOD 功能，同样可以达到睡眠状态下 BOD 无功耗，所以，也是不用白不用啦~ ：D

3.好用的 EPPROM

对于一般功能的设备来说，有 Watchdog 和 BOD 就足够了，但是对于一些要维护状态信息和长期运行的设备，比如数据记录器、监控器，那么程序跑飞，就不能简单的重启了事，更重要的是要恢复现场，接着跑飞前的地方继续运行。

这就需要非易失存储器的帮助了，而 EPPROM 又是其中最好用的一个，100 万次的写入寿命，并且大部分处理器都内置了 EPPROM，又是不用白不用，即便没有，添加一块外置的 EPPROM，比如 24c02，也只需要几毛钱。

虽然 EPPROM 只有几千个字节的存储空间，却足够可以保存运行时的所有变量，配合 Watchdog 的重启中断，可以在处理器被重启前，把重要的运行时参数保存到 EPPROM 里去，重启之后再装载回来。

现在的项目中，把运行时的变量保存在一个 configs 数组中，然后定期把这个数组保存到 EPPROM 中，这样即便掉电重启，也可以快速恢复到最近的一个备份上~

4.插拔和对接

这里主要指运行中设备的插拔，和两个运行中设备的对接，因为在这些情况下会有一些需要注意的问题。

曾经做过一个设备，需要在 3V 和 5V 电源之间无缝切换，当 5V 电源插入的时候，就自动用 5V 电源，5V 拔下就自动用内部的 3V 电池。做好之后却发现一个奇怪的问题，3V 切换到 5V 没有任何问题，当把 5V 拔下来的时候，处理器重启了。一直以为是电源的切换速度不够快，5V 掉电却没有来得及切换到 3V 上去，但是后来发现原因不在这里，原因竟然出在电容上。因为 5V 是外接电源，所以习惯性的在电源入口处放了个大电容（下图 C11），这样当 5V 拔下的时候，这个电容就会瞬间放电，这个瞬时的高压就将处理器复位了，去掉这个大电容，一切正常了~

双系统对接，电压不匹配是主要问题，比如 3V 和 5V 系统之间通过 I2C 总线互联。原来以为，只要 3V 的设备可以耐受 5V 的高压，双方的 VOH 什么的也可以保证逻辑正确的话就可以直接对接了，在实验室里中也经常这样干，但是在产品中用却发现了诸多的问题。比如做 3V 和 5V 设备直接的互联，3V 的设备要插入到 5V 设备上的端口上去，大部分时候插入没有问题，但是少数时候，一插入 3V 的设备就立刻死机了。

原因在于大部分处理器的 IO 口都有钳位二极管的保护（上图中红色框内），让 IO 口的输入电压不会高于 VCC 也不会低于 GND。这也就是为什么3V 和 5V 的系统互联后，即便双方 VCC 没有连接，但是还会发现 3V 系统的 VCC 变成将近 5V 了（其实就是 5V 减一个二极管的压降）；这也是为什么有的芯片，不接电压，直接给它的 IO 口输入驱动也能跑起来。因为电流通过 IO 口的钳位二极管流到 VCC 去了。

但是通常钳位二极管有最大电流的限制，3V 与 5V 之间 2V 的电压差，在设备内阻的配合下，会造成将近 10mA 的电流流过钳位二极管，大部分情况下这个电流已经太大了，会造成设备闭锁失去响应，应该控制在 uA 的等级之内才对。

简易的解决办法就是将双方的电压拉近，比如将 5V 的电压用稳压器降到 3.3V，那么和 3V 之间只有 0.3V 的电压差，造成的影响就会减少很多。

除此之外一个效果不错又省事的办法就是加限流电阻（下图中 Rser），这样可以有效的限制住电流大小，因为双方只要 VCC 不互联，那么电压做到严格一致是不可能的，有了限流电阻，就稳妥得多，并且这个电阻还可以有防止双方高频互扰的效果。负面效果就是电阻会拖慢边沿速度，高速系统中不是很适用，但对于 I2C 这类只有几百 K 的应用，串联个 100 欧左右的电阻，是非常合适的。

更多的不同电压转换技巧，网上可以搜索到一份 Microchip 的 3V 5V 电压转换技巧手册，非常有参考性。

5. Delay and Try

单片机的固件中，经常看到类似的代码：

...
enable_adc();

while((!(ADCSRA & (1<<ADIF)));

read_adc_data();
...

中间用 while 来等待标志位置位，即便不用轮询而用中断方式，也会遇到类似的判断，比如在 I2C 传输中判断 I2C 中断标志位是否已经被清除、循环等待 ACK 信号之类的。

这种无限期的等待就有死循环的风险，如果硬件错误使得标志位置位失败，或者是 I2C 设备意外掉电，ACK 信号丢失，处理器就卡死在 while 这里一直等下去了。

虽说有看门狗可以在这种情况下复位，但是更好的方法是 Delay and Try，让程序稍微有点容错性：

unsigned char i = 10;
do{
    _delay_ms(2);
    i--;
}while((!(ADCSRA & (1<<ADIF))) && (i != 0));

这样，重试 10 次，在足够长的 20ms 内要是还是没有置位，就不再等了，当然后面的程序要有相应的处理机制。

同样的机制，也可以用在桌面软件中。一些特殊的操作，比如检测硬件、从硬件中读取数据、和驱动交互之类的不是每次都能成功，加个 Delay and Try，会稳定不少：

bool succes = false;
int retry = 10;

do
{
     succes = dwObj.FindDeviceFromID(VendorID, ProductID, ref path);
     if (succes)
        break;
     
     Thread.Sleep(200);

     retry -= 1;
} while (retry != 0);

return succes;

虽然方法很迂腐，但是很有效~ ：）