基于单片机系统的设备维修方法研究

    邢宇航+李敏+封富君

    

    

    摘要：基于单片机系统的各类仪器设备目前广泛应用于多个领域，根据多年维修经验积累，首先分析了单片机系统的基本结构，然后给出了单片机系统的设备维修原则，提出了具体的维修方法、维修步骤及维修中的注意事项，最后对维修案例进行了详细分析，并给出了维修方案。

    关键词： 单片机； 维修原则； 维修方法； 维修案例

    中图分类号：TP306 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0273-03

    Abstract：Equipment for MCU system are applied in many fields. According to experience， the basic structure of MCU firstly is analysed， then provides the maintenance priciples， methods， procedures and announcements， finally the maintenance approach is proposed after analyzing a maintenance case.

    Key words：MCU； maintenance principles； maintenance methods； maintenance case

    1 概述

    单片机以其卓越的性能和极高的性价比在许多领域内都得到了广泛应用，例如家用电器、实验设备、智能卡、智能仪器仪表、网络与通信、工业测控等方面[1-2]，但是，基于单片机系统的设备在使用过程中，会出现各种硬件和软件的故障，如何查找故障并且及时有效的修复故障便成了亟待解决的问题。目前针对计算机维修的方法很多，但对基于单片机系统设备的维修方法却很少。本文根据作者多年对维修类课程实践教学的经验积累，对基于单片机系统的设备维修方法进行深入研究，首先介绍了基于单片机系统的设备基本构成，然后给出了基本维修原则，最后提出了具体的维修方法并对维修案例进行了分析。

    2 基于单片机系统的设备基本构成

    单片机（Micro Controller Unit，MCU）是把组成微型计算机的各个功能部件，包括中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入输出接口（I/O）、定时器、计数器及串行通信接口等元器件，采用大规模集成技术集成制作在—块芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机结构和指令功能都是按照工业控制要求设计的，因而又叫做单片微控制器（Single Chip Microcontroller），在国外称为单片微型计算机[3-4]。可以看出，单片机其实就是高度集成的微型计算机，而基于单片机系统的设备则是以单片机为核心，通过单片机控制命令使设备的各个部件协调、有序工作，从而完成一个复杂的功能。单片机的基本结构如图1所示。

    3 基于单片机系统的设备基本构成

    故障诊断与维修的过程是一个观察现象、分析问题、处理问题的过程。基于单片机系统的设备维修完全有别于机械维修，因为直观上不可能看到单片机系统内部线路的好坏情况，只能通过仪器仪表测量数据。因此，基于单片机的设备维修必须以严紧理论为基础，以科学的测试数据为依据，并根据设备的特点，选用合适的方法，才能准确找出故障的位置并进行维修[5-6]。

    3.1 设备维修的基本原则

    设备维修遵循的基本原则概括起来为：“全面考虑，简单入手”、“分清主次，先主后次”，“先想再做，按部就班”、“判断软硬，视情入手”。

    “全面考虑”是指尽可能考虑所有的原因。它包含两个层次，一是从技术上考虑导致故障的所有原因，然后再动手维修；二是要从整体的情况通过观察判断故障原因。第一个层次适用于维修较熟练的人员；第二个层次适用于一般的维修人员。“简单入手”是指在简洁的环境下分析处理故障，简洁的环境主要是：一个最小系统环境；仅仅运行被怀疑部件的环境；一个仅安装操作系统的环境。这样可以很快对故障进行分离，找到故障点，并且不会扩大故障。

    “分清主次，先主后次”是指在复现故障现象时，有时会看到一台故障机不止有一个故障现象，可能存在两个或两个以上的故障现象（如启动过程中无显示，但机器仍能启动，同时启动完后，有死机的现象等），此时，应该先分清主次，判断并维修主要的故障，当主要故障修复后，再维修次要故障，此时也许次要故障现象已不需要维修了。

    “先想后做，按部就班”是指根据设备的工作原理和连接顺序，先想好怎样做、从何处入手，再实际动手，即先分析判断，再进行维修。对于所观察到的现象，先查阅相关的资料，熟悉设备的工作原理和连接顺序，看有无相应的技术要求、使用特点等，然后结合相应的维修方法，再着手进行维修。在分析判断的过程中，要充分运用自身已有的知识、经验进行判断，对于一些不太了解或根本不了解的故障现象，一定要先向有经验的同事或技术支持工程师咨询，寻求帮助。

    “判断软硬，视情入手”是指要先判断是软件故障还是硬件故障，如果是软件故障，则应先排除软件问题，当软件环境正常后，看故障是否排除，如果故障不能消除，再从硬件方面着手检查。不过，许多基于单片机的设备不像一般计算机那样易于装卸软件，需要专门的程序和烧写工具。因此，易于软硬件装卸的可以采用先软后硬的原则；不易于软硬件装卸的和没有专门工具的，可以采用先硬后软的原则，即先对硬件进行排除。实际上，基于单片机系统的设备软件都已写入硬件，硬件更换相当于软件也被重装了，这也是与一般的计算机维修不同的地方。

    3.2 设备维修的方法

    单片机是微型计算机，其工作原理同普通计算机是一样的，所以维修理念也是一样的，但是由于不同的单片机系统其结构和制作工艺存在差异，所以在进行维修时不能生搬硬套计算机的维修方法，而应具体情况具体分析。总的说来，基于单片机设备的维修方法主要有观嗅法、最小系统法、逐步添加/去除法、替换法、比较法、分割排除法和敲打法[7-8]。

    观嗅法是维修判断过程中第一要法，贯穿于整个维修过程中，是所有维修方法的辅助大法。观察不仅要认真，而且要全面。要观察的内容包括：硬件环境和软件环境。硬件环境主要包括连接线路、插头、座、槽和元器件（如柱状电容被击穿常会鼓起）等；软件环境主要包括用户操作的过程、操作习惯、设备实现功能；嗅，即闻气味，嗅有无异味也是常用的维修方法，例如用电设备被烧的可能性很大，如果元器件被烧毁，则会散发出糊味，可根据糊味的来源查出故障元器件，进而进行维修。一般情形下，若烧毁严重，观察也可以发现烧毁的痕迹。不过轻微的烧毁，也可能没有气味，所以观和嗅要结合起来查找问题。

    最小系统法是指从维修判断的角度看，能使设备开机或运行的最基本的硬件和软件环境。对于集成度高的单片机设备来说，不易实现软件或硬件的分离，但是焊接技术娴熟和专业维修人员，可以采用板上开路或者吹掉部分元器件的方法实现最小系统。因此，最小系统法适于有技术基础的人员使用。

    逐步添加法是指在最小系统的基础上，每次向系统添加一个部件/设备或软件，来检查故障现象是否消失或发生变化，如果故障没有变化，说明故障不在添加的部件内；如果发生变化，则可以肯定故障在该部件内，或与该部件直接相关，以此来判断并定位故障部位。对于集成度高的单片机设备来说，元器件一般都是通过焊接相连的，操作时一定要小心谨慎，切勿损坏其他元器件，且要遵循先添加/去除引脚少的元器件，再添加/去除引脚多的元器件，及控制芯片尽量不要轻易操作的原则。

    替换法是指用好的部件去代替可能有故障的部件，以观察故障现象是否消失的一种维修方法。对于集成度高的设备来说，不但元器件的体积小，而且还要进行精确的焊接工作，因此在操作时一定要小心操作，避免损坏其他好的部件。

    比较法是将故障设备和完好的设备进行对比，找出其中的差异。比较的内容有三个：一是硬件比较，用怀疑有故障的部件和正常部件进行外观、配置、参数、运行现象等方面的比较，以判断故障设备硬件环境方面的不同，从而找出故障部位；二是软件比较，查看两台设备使用的操作系统、应用程序是否存在不同，进而判断故障部位；三是波形比较，用示波器分别对故障设备的输出信号或频率特性进行测量、观察，然后与正常的设备的波形和频率特性相比较，查看其差异，分析原因，进而找出故障。用波形比较法能够很快查出两台设备之间的差异，减小故障的排除范围，而且便于分析，该方法是单片机设备维修的不可或缺的方法。

    分割排除法又称开路法，就是把可疑部分从整机设备中断开，即脱焊连线的一端或取出有关元器件和插件，观察其故障现象变化。若故障消失，则可断定故障位于被分割的部位，可进一步进行维修；若故障依旧，则可排除刚才分割出去的元器件，这对故障范围的缩小起到了很大的作用。

    敲打法是通过适当的振动、扭曲，甚至用橡胶棒适当的敲打设备的特定部件来观察故障现象的变化，从而判断故障部件的一种维修方法。在众多的故障中，很大一部分是由于个别元件松动或连线接触不良导致的，通过轻微的振动、扭曲等敲打动作，会看到故障在某个时刻恢复正常，虽然这个故障恢复时间会很短暂，但可以据此断定刚才敲打的部件就是故障所在，然后做进一步精确试调进行故障修复。

    设备维修虽然有原则可依，却无定法可依，应根据实际情况，随时改变维修思路和方法，不能死搬教条，要灵活采用各种方法，从而快速准确的排除故障。

    4 维修案例分析

    这里以自己动手焊接的一个基于单片机的微型MP3播放器为例，结合以上的维修原则，介绍维修方法的实际应用。该系统在硬件上主要包括MSP430F149单片机最小系统、音频解码模块、SD卡读写模块、液晶显示模块以及用来存储自制字库的Flash存储器等。MP3播放器系统结构如图2所示。

    故障现象：通电后，指示灯亮，液晶屏亮，但无显示。

    故障分析：1）根据维修的基本原则，指示灯亮，可以排除电源的连接问题；再观察其他部件的电压是否正常，使用万用表测量后发现，包括液晶在内的所有部件都有正常的电压，排除电源的问题。

    2）采用替换法，换用另外一块液晶或者把此液晶在其他MP3上使用，结果表明，液晶无故障。

    3）根据最小系统法，与液晶连接的最小系统是单片机系统、SPI总线和液晶。根据单片机工作原理，如果单片机电压、时钟和复位均正常，那么可以判定其工作正常，但是不排除有个别引脚损坏的可能。经过测量，单片机无故障。然后判断SPI总线是否出现故障，由于SPI总线包含控制总线和数据总线，液晶显示正常与否是由单片机控制的，若正常显示，必须电压正常、复位正常和单片机时钟要送达。按下复位键，发现液晶闪烁，复位正常；此时使用波形比较法，用示波器测量时钟信号，发现液晶无时钟信号。而单片机时钟是正常的，那么可以肯定是连接单片机与液晶的时钟线路断路，用万用表进行测量，发现断路。

    维修方案：两种方法，修补PCB连接线或飞线（即用单独的一根连接线把两端接起来即可）。由于连接单片机与液晶的时钟线路经过了SD卡，需要拆下SD卡才能焊接，所以我们采用了飞线的方法。经调试，设备显示正常，故障排除。

    5 结论

    基于单片机设备的维修是一项理论与实践结合非常紧密的工作，既要熟悉设备的基本原理、单元电路工作过程及其调试技能，更需要有深厚的理论功底和丰富的实践积累。在维修时，设备故障现象可能会各式各样，维修方法也无固定模式可循，只有根据具体情况灵活运用合适的维修方法才能快速有效的排除故障。本文提出的维修方法是综合了理论基础与实践经验的结果，不可能包含所有的方法，而更多更有效的方法还需要不断的探索和实践。

    参考文献：

    [1] 王丽. 单片机原理与应用[M]. 北京：国防工业出版社，2014.

    [2] 张军.电子元器件检测维修入门到精通[M].北京：科学出版社，2008.

    [3] 张迎新.单片机（微控制器）原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2009.

    [4] 谢辉等.单片机应用技术[M].北京：清华大学出版社，2013.

    [5] 刘侃，田鑫鑫. 以单片机技术为核心的武器装备维修方法初探[J]. 电子世界， 2015（24）： 58-58.

    [6] 胡令哲. 浅析单片机原理及其系统维修[J]. 科技资讯， 2013（25）： 29-29.

    [7] 李雄杰.电子产品维修技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

    [8] 刘雪雪.单片机技术与设备维修技能[M].北京：电子工业出版社，2012.