微机系统设计开发03 隔离与抗干扰技术课件

微机系统设计开发微机系统设计开发1.1.微机系统设计开发的基本问题微机系统设计开发的基本问题微机系统设计开发的基本问题微机系统设计开发的基本问题2.2.微机系统的接口与通信技术微机系统的接口与通信技术微机系统的接口与通信技术微机系统的接口与通信技术3.3.微机系统的隔离与抗干扰设计微机系统的隔离与抗干扰设计微机系统的隔离与抗干扰设计微机系统的隔离与抗干扰设计4.4.微机系统的软件开发与测试（软件工程）微机系统的软件开发与测试（软件工程）微机系统的软件开发与测试（软件工程）微机系统的软件开发与测试（软件工程）5.5.微机系统本安防爆设计微机系统本安防爆设计微机系统本安防爆设计微机系统本安防爆设计6.6.微机系统应用案例微机系统应用案例微机系统应用案例微机系统应用案例 微机系统设计开发微机系统设计开发1.微机系统设计开发的基本问题微机系统设计开发的基本问题 1干扰源与抗干扰耦合方式空间抗干扰措施过程通道的抗干扰措施系统供电与接地的抗干扰措施数字信号和软件程序的抗干扰措施提高计算机控制系统的可靠性措施 3.微机系统的可靠性与抗干扰技术微机系统的可靠性与抗干扰技术 干扰源与抗干扰耦合方式干扰源与抗干扰耦合方式3.微机系统的可靠性与抗干扰技术微机系统的可靠性与抗干扰技术 2所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。抗干扰的方法有硬件措施、软件措施，还有软硬件结合的措施。所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作 33.1 干扰源与抗干扰耦合方式干扰源与抗干扰耦合方式系统的各个装置己经小型化、集成化、数字化，然而在极小的空间内却容纳并处理着大量的信息，同时系统还要实施各种控制。其结果是抵御干扰的能力自然会有所下降。另外，系统采用大量的低电平信号电路，致使干扰的作用更加明显。3.1 干扰源与抗干扰耦合方式干扰源与抗干扰耦合方式 系统的各个装置己经小型化、系统的各个装置己经小型化、43.1.1 干扰来源干扰来源 干扰来源干扰来源 外部干外部干扰扰 内部干扰内部干扰 与系统结构无关，由外界与系统结构无关，由外界环境因素决定的干扰环境因素决定的干扰 由系统结构、制造工艺由系统结构、制造工艺等决定的等决定的 电源干扰电源干扰 空间干扰空间干扰 设备干扰设备干扰 3.1.1 干扰来源干扰来源外部干扰内部干扰与系统结构无关，干扰来源干扰来源外部干扰内部干扰与系统结构无关，53.1.1 干扰来源干扰来源1.电源干扰电源干扰是指来自供电电源的干扰，主要有：浪涌、尖峰、噪声和断电。浪涌:大功率设备感性负载设备的启动或停止造成浪涌。尖峰:大功率开关的通断，使电网上出现尖峰脉冲。噪声:噪声随供电电源侵入系统。断电:断电、电网调度高压切换中的瞬间断电。3.1.1 干扰来源干扰来源1.电源干扰电源干扰 63.1.1 干扰来源干扰来源2.空间干扰静电和电场的干扰系统的部分设备产生静电，或部分设备在某个电场之中。磁场干扰系统设备与某些能够产生磁场的电气设备构成电磁感应。电磁辐射干扰通信发射台；可控硅逆变电源、变频调速装置等发出的电磁波干扰。3.1.1 干扰来源干扰来源2.空间干扰空间干扰 73.1.1 干扰来源干扰来源3.设备干扰设备干扰是指设备内部或设备之间产生的干扰。以上三种干扰，来自交流电源的干扰最为严重，其次为设备干扰，特别是来自通道的干扰，再其次为来自空间的辐射干扰。3.1.1 干扰来源干扰来源3.设备干扰设备干扰 83.1.2 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式干扰信号进入到计算机测控系统中的主要耦合方式分为四种：静电耦合方式电磁耦合方式共阻抗耦合方式电磁场辐射耦合方式。3.1.2 干扰信号的耦合方式干扰信号进入到计算机测控系统中干扰信号的耦合方式干扰信号进入到计算机测控系统中 93.1.2 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式1.静电耦合方式当二根导线平行地放置至一定距离时，该二根导线之间的电容就构成了它们相互间的电容性耦合。两根导线之间的电容性耦两根导线之间的电容性耦合合 导线之间电容性耦合等效电导线之间电容性耦合等效电路路 3.1.2 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式1.静电耦合方式两根导线之间静电耦合方式两根导线之间 10 当导体当导体2对地电阻对地电阻R很小时，使很小时，使jR(C12+C2g)1时，式时，式(9.1)可以近似表示为可以近似表示为 在这种情况下，干扰电压在这种情况下，干扰电压Un由电容由电容C12和和C2g的分压关系及的分压关系及U1所确定，所确定，其幅值比前两种情况大得多。其幅值比前两种情况大得多。当导体当导体2对地电阻对地电阻R很小时，使很小时，使jR(C12+C2g)113.1.2 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式2.电磁耦合方式在设备内部，线圈或变压器的漏磁就是一个很大的干扰源；在设备外部，当二根导线在较长的距离内敷设或架设时，将会产生电磁耦合干扰。两个电路之间的电磁耦两个电路之间的电磁耦合合 电磁耦合等效电电磁耦合等效电路路 3.1.2 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式2.电磁耦合方式两个电路之间电磁耦合方式两个电路之间 12 其中：其中：为感应磁场交变角频率为感应磁场交变角频率 M为两根导线之间的互感为两根导线之间的互感 I1为导线为导线1中的电流中的电流 其中：其中：133.1.2 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式3.共阻抗耦合方式当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上所产生的电压降会影响到另一个电路，该种耦合方式称作公共阻抗耦合，其原理如图所示。公共阻抗耦合原理公共阻抗耦合原理图图 3.1.2 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式3.共阻抗耦合方式公共阻抗耦共阻抗耦合方式公共阻抗耦 14公共电源线的阻抗耦合 公共地线的阻抗耦合公共地线的阻抗耦合 公共电源线的阻抗耦合公共电源线的阻抗耦合 公共地线的阻抗耦合公共地线的阻抗耦合 153.1.2 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式4.电磁场辐射耦合方式处于电磁波中的导体，将因受到电磁波的作用而感应出相应频率的电动势。3.1.2 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式4.电磁场辐射耦合方式电磁场辐射耦合方式 163.2 空间抗干扰的措施空间抗干扰的措施空间感应包括静电场、高频电磁场以及磁场引起的干扰，主要的方法解决：空间隔离：使敏感设备或信号线远离干扰源（如大型动力设备及大变压器等）。屏蔽：对敏感电路加屏蔽盒或对信号加屏蔽层，注意屏蔽层不能随意接地，必要时屏蔽层外还要有绝缘层。电气布线：合理的选择信号线，并在实际施工中正确的敷设信号线来抑制干扰。3.2 空间抗干扰的措施空间感应包括静电场、高频电磁场以及磁空间抗干扰的措施空间感应包括静电场、高频电磁场以及磁 173.2.1 屏蔽技术屏蔽技术屏蔽主要用来解决电磁干扰，将电力线或磁力线的影响限定在某个范围之内或阻止他们进入某个范围。通常可分为：低频磁场屏蔽电磁屏蔽双层屏蔽电场屏蔽 3.2.1 屏蔽技术屏蔽主要用来解决电磁干扰，将电力线或磁力屏蔽技术屏蔽主要用来解决电磁干扰，将电力线或磁力 183.2.1 屏蔽技术屏蔽技术屏蔽技术实现的关键是如何保证屏蔽体的完整性，使其电磁泄漏奖低到最小程度。通常采取以下措施屏蔽壳体接缝上的永久性缝隙一般采用氩弧焊密封焊接。机壳的通风孔一般采用穿孔金属板或者金属丝网覆盖。必须对传输线进行屏蔽，其屏蔽外皮必须伸入到外壳或链接器内部。元件的安装孔，需要通过导电衬垫与外壳连接。3.2.1 屏蔽技术屏蔽技术实现的关键是如何保证屏蔽体的完整屏蔽技术屏蔽技术实现的关键是如何保证屏蔽体的完整 193.2.2 电气布线技术电气布线技术系统布线设计的关键是进行正确电缆选型、敷设、抑制干扰和降低成本。1、常用的线缆类型双绞线屏蔽电缆同轴电缆2、电缆的选择与敷设 3.2.2 电气布线技术系统布线设计的关键是进行正确电缆选型电气布线技术系统布线设计的关键是进行正确电缆选型 203.3 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施强烈的干扰往往沿着过程通道进入计算机，其主要原因是过程通道与计算机之间存在公共地线，而且首当其冲是A心和各种输入装置。所以要求这些设备有很强的抗干扰能力，而且要设法削弱来自公共地线的干扰，以提高过程通道的抗干扰性能。干扰的作用方式，一般可分为串模干扰和共模干扰。干扰信号的形式干扰信号的形式 3.3 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施 强烈的干扰往往沿着过程通道进入强烈的干扰往往沿着过程通道进入 213.3 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施1串模干扰及其抑制叠加在被测信号上的干扰信号称为串模干扰。产生的原因有分布电容的静电耦合、长线传输的互感、空间电磁场引起的磁场耦合。可以采取下列措施尽量减少其影响。采用输入滤波器进行电磁屏蔽和良好的接地选择合适的ADC使用电流信号传输 3.3 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施 1串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制 223.3 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施2共模干扰及其抑制共模干扰产生的主要原因是不同“地”之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地存在漏阻抗。共模干扰共模干扰 3.3 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施 2共模干扰及其抑制共模干扰共模干扰及其抑制共模干扰 233.3 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施抑制共模干扰的措施有：(1)采用差分放大器做信号前置放大(2)采用隔离技术将地电位隔开当信号地与放大器地隔开时，Vg不形成回路，就不能转成串模干扰。常用的隔离方法是使用变压耦合或光电耦合。若被测信号是直流信号，采用变压器隔离时，就必须采用调制解调技术。由变压器构成的隔离放大器如图所示。3.3 过程通道的抗干扰措施抑制共模干扰的措施有：过程通道的抗干扰措施抑制共模干扰的措施有：243.3 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施 隔离放大器隔离放大器 隔离放大器隔离放大器 3.3 过程通道的抗干扰措施隔离放大器隔离放大器过程通道的抗干扰措施隔离放大器隔离放大器 253.3 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施(3)利用浮地屏蔽采用双层屏蔽三线采样(Sl，S2，S3)浮地隔离放大器来抑制共模干扰电压。隔离放大器隔离放大器 3.3 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施(3)利用浮地屏蔽隔离放大器利用浮地屏蔽隔离放大器 263.3.长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制 同轴电缆对于电场干扰有较强的抑制作用，工作频率较高。双绞线对于磁场干扰有较好的抑制作用，绞距越短，效果越好。在电场干扰较强时须采用屏蔽双绞线。采用同轴电缆或双绞线作为传输线采用同轴电缆或双绞线作为传输线在使用双绞线时，尽可能采用平衡式传输线路。所谓平衡式在使用双绞线时，尽可能采用平衡式传输线路。所谓平衡式传输线路，是双绞线的两根线不接地传输信号。因为这种传传输线路，是双绞线的两根线不接地传输信号。因为这种传输方式具有较好的抗差模干扰能力，外部干扰在双绞线中的输方式具有较好的抗差模干扰能力，外部干扰在双绞线中的两条线中产生对称的感应电动势，相互抵消。同时，对于来两条线中产生对称的感应电动势，相互抵消。同时，对于来自地线的干扰信号也受到抑制。自地线的干扰信号也受到抑制。3.长线传输干扰的抑制同轴电缆对于电场干扰有较强的抑制作用，长线传输干扰的抑制同轴电缆对于电场干扰有较强的抑制作用，27终端阻抗匹配终端阻抗匹配为了消除长线的反射现象，可采用终端或始端阻抗匹配的方法。同轴电缆的波阻抗一般在同轴电缆的波阻抗一般在50100之间，双绞线的波阻抗约为之间，双绞线的波阻抗约为100200。进行阻抗匹配，首先，需要通过测试或由已知的技。进行阻抗匹配，首先，需要通过测试或由已知的技术数据掌握传输线的术数据掌握传输线的波阻抗波阻抗Rp的大小。的大小。终端阻抗匹配终端阻抗匹配 终端阻抗匹配为了消除长线的反射现象，可采用终端或始端阻抗匹配终端阻抗匹配为了消除长线的反射现象，可采用终端或始端阻抗匹配 28始端阻抗匹配始端阻抗匹配始端阻抗匹配是在长线的始端串入电阻R，通过适当的选择R，以消除波反射 这种匹配方法的这种匹配方法的优点优点是波形的高电平不变，缺点是波形是波形的高电平不变，缺点是波形的低电平会抬高。其原因是终端门的低电平会抬高。其原因是终端门B的输入电流的输入电流Isr在始端在始端匹配电阻匹配电阻R上的压降所造成的上的压降所造成的 始端阻抗匹配始端阻抗匹配是在长线的始端串入电阻始端阻抗匹配始端阻抗匹配是在长线的始端串入电阻R，通过适当的，通过适当的 293.4.1系统供电的抗干扰措施系统供电的抗干扰措施考虑采取电源保护措施，防止电源干扰，并保证不间断地供电。交流稳压器抑制电网电压波动的影响，保证220VAC供电。低通滤波器让50Hz的基波通过，而滤除高频干扰干扰信号。直流稳压电源采用开关电源。对电网电压的波动适应性强，抗干扰性能好。3.4.1系统供电的抗干扰措施考虑采取电源保护措施，防止电源系统供电的抗干扰措施考虑采取电源保护措施，防止电源 303.4.1系统供电的抗干扰措施系统供电的抗干扰措施1.供电系统的一般保护解决尖峰脉冲的硬件方法：选用供电比较稳定的进线电源利用干扰抑制器消除尖峰干扰采用交流稳压器稳定电网电压 一般计算机控制系统供电结构一般计算机控制系统供电结构 3.4.1系统供电的抗干扰措施系统供电的抗干扰措施1.供电系统的一般保护供电系统的一般保护 一般一般 313.4.1系统供电的抗干扰措施系统供电的抗干扰措施2.电源异常保护采用不间断电源UPS不中断供电。具有具有UPS发热供电结构发热供电结构 3.4.1系统供电的抗干扰措施系统供电的抗干扰措施2.电源异常保护具有电源异常保护具有UPS发发 323.4.1系统供电的抗干扰措施系统供电的抗干扰措施3.直流电源系统直流电源侧采取的相应抗干扰措施交流电源变压器的屏蔽采用直流开关电源直流供电系统的隔离当控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时，它们各自的直流供电电源间也应相互隔离，以减少公共阻抗的相互耦合和公共电源的相互耦合。交流侧隔离交流侧隔离 直流侧隔离直流侧隔离 3.4.1系统供电的抗干扰措施系统供电的抗干扰措施3.直流电源系统交流侧隔离直直流电源系统交流侧隔离直 333.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施广义的接地包含接实地和接虚地。计算机系统接地的目的：抑制干扰保护计算机、电器设备和操作人员的安全 3.4.2 系统接地的抗干扰措施广义的接地包含接实地和接虚地系统接地的抗干扰措施广义的接地包含接实地和接虚地 343.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施计算机控制系统中的“地”有多种，故接地线主要分为以下几类：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。模拟地是系统中的传感器、变送器、放大器、AD和D/A转换器中模拟电路的零电位。数字地是计算机中数字电路的零电位，为避免对模拟信号造成数字脉冲的干扰，数字地应与模拟地分开。安全地又称为保护地或机壳地，其目的是让设备机壳与大地等电位。系统地是上述几类地的最终回流点，直接与大地相连。交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，其地电位很不稳定。交流地绝对不允许与上述几类地相连。3.4.2 系统接地的抗干扰措施计算机控制系统中的系统接地的抗干扰措施计算机控制系统中的“地地”有多有多 353.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施1.单点接地与多点接地 3.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施1.单点接地与多点接地单点接地与多点接地 363.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施2.分别回流单点接地 3.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施2.分别回流单点接地分别回流单点接地 373.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施3.实用的低频接地 3.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施3.实用的低频接地实用的低频接地 383.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施4.输入通道的接地技术电路一点地基准信号源端接地时，放大器电源不接地；放大器接地时，信号源不接地。电缆屏蔽层的接地信号电路一点接地时，低频电缆的屏蔽层也一点接地。3.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施4.输入通道的接地技术输入通道的接地技术 393.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施5.主机外壳接地 3.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施5.主机外壳接地主机外壳接地 403.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施6.多机系统的接地 3.4.2 系统接地的抗干扰措施系统接地的抗干扰措施6.多机系统的接地多机系统的接地 413.5数字信号的软件抗干扰措施数字信号的软件抗干扰措施1 1、数字滤波、数字滤波数字滤波是一种软件算法，它实现从采样信号中提取出有效信号数值，数字滤波是一种软件算法，它实现从采样信号中提取出有效信号数值，滤除干扰信号的功能。滤除干扰信号的功能。数字滤波与模拟滤波相比，具有很多数字滤波与模拟滤波相比，具有很多优点优点。数字滤波可以数字滤波可以实现对频率很低（如实现对频率很低（如0.01Hz）信号的滤波）信号的滤波，克服了，克服了模拟滤波器的不足；模拟滤波器的不足；首先，由于采用了程序实现滤波，首先，由于采用了程序实现滤波，无需硬件器件无需硬件器件，不受外界的影，不受外界的影响，也无参数变化等问题，所以可靠性高，稳定性好；响，也无参数变化等问题，所以可靠性高，稳定性好；当然，数字滤波不足之处在于滤波速度比硬件滤波要当然，数字滤波不足之处在于滤波速度比硬件滤波要慢慢，但鉴于数字，但鉴于数字滤波器具有的上述优点，在计算机控制系统中得到了广泛的应用。滤波器具有的上述优点，在计算机控制系统中得到了广泛的应用。数字滤波还可以根据信号和干扰的不同，采用不同的滤波方法和数字滤波还可以根据信号和干扰的不同，采用不同的滤波方法和滤波参数，具有滤波参数，具有灵活、方便、功能强灵活、方便、功能强等优点。等优点。3.5数字信号的软件抗干扰措施数字信号的软件抗干扰措施1、数字滤波数字滤波是一种软件、数字滤波数字滤波是一种软件 422 2、输入数字信号的抗干扰、输入数字信号的抗干扰、输入数字信号的抗干扰、输入数字信号的抗干扰p数字信号是用高低电平表示的两态信号，即数字信号是用高低电平表示的两态信号，即“0”、“1”。在。在数字信号的输入中，由于操作或外界等的干扰，会引起状态变数字信号的输入中，由于操作或外界等的干扰，会引起状态变化，造成误判。化，造成误判。p对于数字信号来说，干扰信号多呈毛刺状，作用时间短。利用对于数字信号来说，干扰信号多呈毛刺状，作用时间短。利用这一特点，在采集某一数字信号时，可多次重复采集，直到连这一特点，在采集某一数字信号时，可多次重复采集，直到连续两次或两次以上采集结果完全一致方为有效。若多次采集后，续两次或两次以上采集结果完全一致方为有效。若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，给出报警信号。信号总是变化不定，可停止采集，给出报警信号。p对数字信号的采集不能采用多次平均方法，而是比较两次或两对数字信号的采集不能采用多次平均方法，而是比较两次或两次采集结果是否相同。次采集结果是否相同。2、输入数字信号的抗干扰数字信号是用高低电平表示的两态信号，、输入数字信号的抗干扰数字信号是用高低电平表示的两态信号，433 3、输出数字信号的抗干扰、输出数字信号的抗干扰、输出数字信号的抗干扰、输出数字信号的抗干扰由于干扰，可能使计算机输出的正确数字信号，在输出设备中得到的却是错误信号。输出设备有输出设备有电位控制型电位控制型和和同步锁相型同步锁相型两种，前者有良好的抗两种，前者有良好的抗“毛毛刺刺”干扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，会盲目干扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，会盲目锁存当前的数据。锁存当前的数据。输出设备的惯性输出设备的惯性（响应速度）与干扰的耐受能力也有很大关系。（响应速度）与干扰的耐受能力也有很大关系。惯性大的输出设备（各类电磁机构）对惯性大的输出设备（各类电磁机构）对“毛刺毛刺”干扰有一定耐受干扰有一定耐受能力；惯性小的输出设备（如通信口、显示设备等）耐受能力就能力；惯性小的输出设备（如通信口、显示设备等）耐受能力就小一些。小一些。3、输出数字信号的抗干扰由于干扰，可能使计算机输出的正确数字、输出数字信号的抗干扰由于干扰，可能使计算机输出的正确数字 44在软件上可以采取以下一些方法提高抗干扰能力：（1）重复输出同一数据重复输出同一数据。在满足实时控制的要求前提下，重复。在满足实时控制的要求前提下，重复周期尽可能短些。外部设备接受到一个被干扰的错误信号后，还周期尽可能短些。外部设备接受到一个被干扰的错误信号后，还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信息又来到，就可及时来不及作出有效的反应，一个正确的输出信息又来到，就可及时防止错误动作的产生。防止错误动作的产生。（2）对于不能重复输出同一信号的输出装置，例如带自环型分）对于不能重复输出同一信号的输出装置，例如带自环型分配器和功率驱动器的步进电机，可在软硬件上采取一些措施。配器和功率驱动器的步进电机，可在软硬件上采取一些措施。（3）计算机进行数字信号输出时，应将有关可编程输出芯片的）计算机进行数字信号输出时，应将有关可编程输出芯片的状态也一并重复设置。状态也一并重复设置。（4）采用）采用抗干扰编码抗干扰编码。按一定规约，将需传输的数据进行编码，。按一定规约，将需传输的数据进行编码，在智能接收端，再按规约进行解码，并完成检错或纠错功能。在智能接收端，再按规约进行解码，并完成检错或纠错功能。在软件上可以采取以下一些方法提高抗干扰能力：（在软件上可以采取以下一些方法提高抗干扰能力：（1）重复输出同）重复输出同 453.6 CPU及程序的抗干扰技术及程序的抗干扰技术CPU是计算机的核心。当CPU受到干扰不能按正常状态执行程序时，就会引起计算机控制的混乱，所以需要采取措施，使CPU在受到干扰的情况下，尽可能无扰地恢复系统正常工作。尤其是在尤其是在单片机系统单片机系统中，应当充分考虑系统的抗干扰性能。中，应当充分考虑系统的抗干扰性能。复位复位掉电保护掉电保护指令冗余指令冗余软件陷阱软件陷阱Watchdog技术技术 下面是几种常见的针对CPU的抗干扰措施：3.6 CPU及程序的抗干扰技术及程序的抗干扰技术CPU是计算机的核心。当是计算机的核心。当CP 46复位复位对于失控的CPU，最简单的方法是使其复位，程序自动从头开始执行。为完成复位功能，在硬件电路上应设置复位电路。上电复位是指计算机在开机上电时自动复位，此时所有硬件上电复位是指计算机在开机上电时自动复位，此时所有硬件都从其初时状态开始，程序从第一条指令开始执行；都从其初时状态开始，程序从第一条指令开始执行；人工复位是指操作员按下复位按钮时的复位；人工复位是指操作员按下复位按钮时的复位；自动复位是指系统在需要复位的状态时，由特定的电路自动自动复位是指系统在需要复位的状态时，由特定的电路自动将将CPU复位的一种方式。复位的一种方式。复位方式有上电复位、人工复位和自动复位三种:复位对于失控的复位对于失控的CPU，最简单的方法是使其复位，程序自动从头开，最简单的方法是使其复位，程序自动从头开 47掉电保护掉电保护在软件中，应设置掉电保护中断服务程序，该中断为最高优先级的非屏蔽中断，使系统能对掉电作出及时的反应。首先进行首先进行现场保护现场保护，把当时的重要状态参数、中间结果，甚至某些片内寄存器，把当时的重要状态参数、中间结果，甚至某些片内寄存器的内容一一存入具有后备电池的的内容一一存入具有后备电池的RAM中。中。其次是对其次是对有关外设有关外设作出妥善处理，如关闭各输入输出口，使外设处于某一非工作出妥善处理，如关闭各输入输出口，使外设处于某一非工作状态等。作状态等。最后必须在片内最后必须在片内RAM的某一个或两个单元存入特定标记的数字，作为的某一个或两个单元存入特定标记的数字，作为掉电标记掉电标记，然后，进入掉电保护工作状态。然后，进入掉电保护工作状态。当电源恢复正常时，当电源恢复正常时，当电源恢复正常时，当电源恢复正常时，CPUCPU重新复位，复位后应首先检查是否有掉电重新复位，复位后应首先检查是否有掉电重新复位，复位后应首先检查是否有掉电重新复位，复位后应首先检查是否有掉电标记，如果有，则说明本次复位为掉电保护之后的复位，应按掉电标记，如果有，则说明本次复位为掉电保护之后的复位，应按掉电标记，如果有，则说明本次复位为掉电保护之后的复位，应按掉电标记，如果有，则说明本次复位为掉电保护之后的复位，应按掉电中断服务程序相反的方式恢复现场，以一种合理的安全方式使系统中断服务程序相反的方式恢复现场，以一种合理的安全方式使系统中断服务程序相反的方式恢复现场，以一种合理的安全方式使系统中断服务程序相反的方式恢复现场，以一种合理的安全方式使系统继续未完成的工作。继续未完成的工作。继续未完成的工作。继续未完成的工作。掉电保护在软件中，应设置掉电保护中断服务程序，该中断为最高优掉电保护在软件中，应设置掉电保护中断服务程序，该中断为最高优 48指令冗余指令冗余当CPU受到干扰，程序“跑飞”后，往往将一些操作数当作指令代码来执行，从而引起整个程序的混乱。采用指令冗余技术是使程序从“跑飞”状态，恢复正常的一种有效措施。所谓的软件冗余，就是在程序的关键地方人为的加入一些单字节所谓的软件冗余，就是在程序的关键地方人为的加入一些单字节指令指令NOP，或将有效单字节指令重写，当程序，或将有效单字节指令重写，当程序“跑飞跑飞”到某条单到某条单字节指令时，就不会发生将操作数当作指令来执行的错误。字节指令时，就不会发生将操作数当作指令来执行的错误。指令冗余技术除了指令冗余技术除了NOP等单字节指令外，还可以采用指令重复技等单字节指令外，还可以采用指令重复技术。指令重复也是指令冗余的一种方式。指令重复是指在对于程术。指令重复也是指令冗余的一种方式。指令重复是指在对于程序流向起决定作用或对系统工作有重要作用的指令后面，可重复序流向起决定作用或对系统工作有重要作用的指令后面，可重复写上这些指令，以确保这些指令的正确执行。写上这些指令，以确保这些指令的正确执行。指令冗余是在程序的关键的地方人为地插入一些单字节空操作指指令冗余是在程序的关键的地方人为地插入一些单字节空操作指令。指令冗余会降低系统的效率，但确保了系统程序很快纳入程令。指令冗余会降低系统的效率，但确保了系统程序很快纳入程序轨道，避免程序混乱，适当的指令冗余不会对系统的实时性和序轨道，避免程序混乱，适当的指令冗余不会对系统的实时性和功能产生明显的影响。功能产生明显的影响。指令冗余当指令冗余当CPU受到干扰，程序受到干扰，程序“跑飞跑飞”后，往往将一些操作数当后，往往将一些操作数当 49软件陷阱软件陷阱软件陷阱是在非程序区的特定地方设置一条引导引导指令（看作一个陷阱），程序正常运行，不会落入该引导指令的陷阱，当CPU受到干扰，程序“跑飞”时，如果落入指令陷阱，将由引导指令将“跑飞”的程序强制跳转到出错处理程序，由该程序段进行出错处理和程序恢复。软件陷阱一般用在下列地方：软件陷阱一般用在下列地方：未使用的程序区。未使用的程序区。由于程序指令不可能占满整个程序存储区，总有一些由于程序指令不可能占满整个程序存储区，总有一些地方是正常程序不会达到的区域，可在该区域设置软件陷阱，对弹飞的地方是正常程序不会达到的区域，可在该区域设置软件陷阱，对弹飞的程序进行捕捉，或在大片的程序进行捕捉，或在大片的ROM空间，每隔一段设置一个陷阱。空间，每隔一段设置一个陷阱。未使用的中断向量区未使用的中断向量区。在编程中，最好不要为节约在编程中，最好不要为节约ROM空间，将未使用空间，将未使用的中断向量区用于存放正常工作程序指令。因为，当干扰使未使用的中的中断向量区用于存放正常工作程序指令。因为，当干扰使未使用的中断开放，并激活这些中断时，会进一步引起混乱。如果在这些地方设置断开放，并激活这些中断时，会进一步引起混乱。如果在这些地方设置陷阱，就能及时捕捉到错误中断。陷阱，就能及时捕捉到错误中断。软件陷阱软件陷阱是在非程序区的特定地方设置一条引导引导指令（软件陷阱软件陷阱是在非程序区的特定地方设置一条引导引导指令（50Watchdog技术技术当程序“跑飞”到一个临时构成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱将不起作用，造成系统完全瘫痪。看门狗技术，可以有效解决这一问题看门狗看门狗，也称，也称程序监视定时器程序监视定时器，在硬件上，可把它看成是一个相对独立，在硬件上，可把它看成是一个相对独立于于CPU的可复位定时系统，在软件程序的各主要运行点处，设有向看门的可复位定时系统，在软件程序的各主要运行点处，设有向看门狗发出的复位信号指令。狗发出的复位信号指令。为实现看门狗的目标，需要解决两个方面的问题：一是硬件电路问题，为实现看门狗的目标，需要解决两个方面的问题：一是硬件电路问题，二是软件编程问题。二是软件编程问题。当系统运行时，看门狗与当系统运行时，看门狗与CPU同时工作同时工作。程序正常运行时，会在规定的时。程序正常运行时，会在规定的时间内由程序向看门狗发复位信号，使定时系统重新开始定时计数，没有输间内由程序向看门狗发复位信号，使定时系统重新开始定时计数，没有输出信号发出；当程序出信号发出；当程序“跑飞跑飞”并且其他的措施没有发挥作用时，看门狗便并且其他的措施没有发挥作用时，看门狗便不能在规定的时间内得到复位信号，其输出端会发出信号使不能在规定的时间内得到复位信号，其输出端会发出信号使CPU系统复位。系统复位。看门狗的实现形式可以分为看门狗的实现形式可以分为:硬件看门狗硬件看门狗和和软件看门狗软件看门狗 Watchdog技术当程序技术当程序“跑飞跑飞”到一个临时构成的死循环中时到一个临时构成的死循环中时 51当侵入的尖峰脉冲干扰使程序编码的某一位(或数位)发生改变时，程序可能“飞掉”,Watchdog技术可帮助系统恢复正常运行。当侵入的尖峰脉冲干扰使程序编码的某一位当侵入的尖峰脉冲干扰使程序编码的某一位(或数位或数位)发生改变时，发生改变时，521、监控定时器Watchdog的工作原理Tl是应用程序的运行周期；定时器TM2是Watchdog。利用溢出脉冲P2并附加必要的程序设计，可以检测系统的出错，使应用程序重新恢复正常运行或使系统复位后恢复运行。1、监控定时器、监控定时器Watchdog的工作原理的工作原理 532.监控定时器Watchdog的实现方法 2.监控定时器监控定时器Watchdog的实现方法的实现方法 543.监控定时器Watchdog用于用户程序的自动恢复 3.监控定时器监控定时器Watchdog用于用户程序的自动恢复用于用户程序的自动恢复 554.监控定时器Watchdog用于硬件故障的检测凡在某个规定的时间间隔内连续数次出错即可判断为硬件故障。4.监控定时器监控定时器Watchdog用于硬件故障的检测用于硬件故障的检测 563.7提高计算机控制系统的可靠性措施3.7.1可靠性 可可靠靠性性是是指指机机器器、零零件件或或系系统统，在在规规定定的的工工作作条条件件下下，在在规规定定的的时时间间内内具具有有正正常常工工作作性能的能力。性能的能力。狭义的可靠性是指一次性使用的机器、零件或系统的使用寿命。狭义的可靠性是指一次性使用的机器、零件或系统的使用寿命。衡量可靠性的指标常用的有：可靠度、衡量可靠性的指标常用的有：可靠度、MTBF、MTTF及故障率。及故障率。可可靠靠度度(Reliability)：指指机机器器、零零件件或或系系统统，从从开开始始工工作作起起，在在规规定定的的使使用用条条件件下下的的工作周期内，达到所规定的性能，即无故障正常状态的概率，用工作周期内，达到所规定的性能，即无故障正常状态的概率，用R(t)表示。即：表示。即：R(t)P(Xt)可靠度可靠度R(t)具有下列性质：具有下列性质：R(0)1；0R(t)1；R(t)是时间是时间t的单调递减函数。的单调递减函数。3.7 提高计算机控制系统的可靠性措施提高计算机控制系统的可靠性措施3.7.1 可靠性可靠可靠性可靠 57 MTBF(MeanTimeBetweenFailures)：平均故障时间指可修理机器、零件或系统，：平均故障时间指可修理机器、零件或系统，相邻故障期间的正常工作时间的平均值。相邻故障期间的正常工作时间的平均值。MTTF(MeanTimeToFailures)：到发生故障的平均时间指不能修理的机器、零件或：到发生故障的平均时间指不能修理的机器、零件或系统，至发生故障为止的工作时间的平均值，即指不可修理产品的平均寿命。系统，至发生故障为止的工作时间的平均值，即指不可修理产品的平均寿命。故障率故障率(FailureRate)：通常指瞬时故障率。它是指能工作到某个时间的机器、零件：通常指瞬时故障率。它是指能工作到某个时间的机器、零件或系统，在连续单位时间内发生故障的比例，用或系统，在连续单位时间内发生故障的比例，用(t)表示。又称失效率、风险率。表示。又称失效率、风险率。设设N个同类型元件，到个同类型元件，到t时刻有时刻有Ns个元件仍正常工作，个元件仍正常工作，NFNNs个元件失效。则个元件失效。则 上式表明，故障率上式表明，故障率(t)(t)等于等于t t以后的单位时间内失效元件数与以后的单位时间内失效元件数与t t时刻仍有效的元件数之比。时刻仍有效的元件数之比。MTBF(Mean Time Between Failu 58 1.可靠性设计的准则可靠性设计的准则 在可靠性设计时，遵循下列准则：在可靠性设计时，遵循下列准则：有效地利用以前的经验；有效地利用以前的经验；尽可能减少零件件数，尤其是故障率高的零件数；尽可能减少零件件数，尤其是故障率高的零件数；采用标准化的产品；采用标准化的产品；检查、调试和互换容易实现；检查、调试和互换容易实现；零件互换性好；零件互换性好；可可靠靠性性特特殊殊设设计计方方法法，例例如如，可可靠靠度度合合理理分分配配、冗冗余余设设计计、安安全装置设计、可靠性预测等。全装置设计、可靠性预测等。3.7.2提高可靠性的途径 1.可靠性设计的准则可靠性设计的准则3.7.2 提高可靠性的途径提高可靠性的途径 59 日本横河公司对集散系统的可靠性设计提出了三个准则。日本横河公司对集散系统的可靠性设计提出了三个准则。系统运行不受故障影响的准则系统运行不受故障影响的准则 冗余设计可以使系统某一部件发生故障时能够自动切换。冗余设计可以使系统某一部件发生故障时能够自动切换。多级操作可以使系统某一部件发生故障时能够旁路或者降级使用。多级操作可以使系统某一部件发生故障时能够旁路或者降级使用。系统不易发生故障的准则系统不易发生故障的准则 从系统的基本部件着手，提高系统的从系统的基本部件着手，提高系统的MTBF。迅速排除故障的准则迅速排除故障的准则 是是一一条条维维修修性性设设计计准准则则。包包括括故故障障诊诊断断、系系统统运运行行状状态态监监视视、部部件件更换等设计。更换等设计。日本横河公司对集散系统的可靠性设计提出了三个准则。日本横河公司对集散系统的可靠性设计提出了三个准则。60(1)冗余结构设计冗余结构设计 冗余分类冗余分类:按按冗冗余余部部件件、装装置置或或系系统统的的工工作作状状态态，可可分分为为工工作作冗冗余余(热热后备后备)和后备冗余和后备冗余(冷后备冷后备)两类。两类。按冗余度的不同，可分为双重化冗余和多重化按冗余度的不同，可分为双重化冗余和多重化(n:1)冗余。冗余。集集散散系系统统的的供供电电系系统统、通通信信系系统统、I/O插插卡卡部部件件、上上位位机机可可以组成冗余结构。以组成冗余结构。2.提高计算机控制系统硬件可靠性的措施提高计算机控制系统硬件可靠性的措施 (1)冗余结构设计冗余结构设计2.提高计算机控制系统硬件可靠性的措施提高计算机控制系统硬件可靠性的措施 61(2)不易发生故障的硬件设计不易发生故障的硬件设计 对对元元部部件件进进行行严严格格筛筛选选，使使用用可可靠靠的的单单个个元元件件，并并对对元元件件进进行多道老化和严格检验行多道老化和严格检验,按可靠性标准检查全部元器件；按可靠性标准检查全部元器件；充充分分重重视视元元部部件件安安装装的的机机械械强强度度，以以使使机机械械运运动动(如如振振动动)不不会引起导线或焊接区的断裂。此外，对必要的元部件应机械加固；会引起导线或焊接区的断裂。此外，对必要的元部件应机械加固；对组件采取涂漆和浇注处理可进一步提高机械紧固性；对组件采取涂漆和浇注处理可进一步提高机械紧固性；插插座座是是发发生生故故障障的的最最常常见见因因素素，因因此此，应应尽尽量量少少用用插插座座，并并采用大的插座；采用大的插座；抗温升保护，多数电子器件对温度变化比较敏感，设计足够抗温升保护，多数电子器件对温度变化比较敏感，设计足够的通风系统和采用温度补偿措施。的通风系统和采用温度补偿措施。(2)不易发生故障的硬件设计不易发生故障的硬件设计 62(1)分散结构设计分散结构设计 把把整整体体的的软软件件设设计计分分散散成成各各子子系系统统的的设设计计，各各自自独独立，又共享资源。立，又共享资源。(2)容错技术容错技术 在在软软件件设设计计中中的的容容错错技技术术是是指指在在软软件件设设计计时时，对对误误操作不予响应的技术。操作不予响应的技术。3提高计算机控制系统软件靠性的措施提高计算机控制系统软件靠性的措施 (1)分散结构设计分散结构设计3提高计算机控制系统软件靠性的措施提高计算机控制系统软件靠性的措施 63(3)指令冗余指令冗余 多多采采用用单单字字节节指指令令，并并在在关关键键的的地地方方人人为为地地多多插插入入一一些些单单字字节节指指令令(NOP)或或将将有有效效单单字字节节指指令令重复书写，这便是指令冗余重复书写，这便是指令冗余.(4)信息冗余信息冗余 信信息息冗冗余余就就是是利利用用增增加加信信息息的的多多余余度度来来提提高高可可靠靠性性，具具体体做做法法是是在在数数据据（信信息息）中中附附加加检检错错码码或或纠纠错错码码，以以检检查查数数据据是是否否发发生生偏偏差差，并并在在有有偏偏差时纠正偏差。差时纠正偏差。(5)标准化标准化 采用标准化的软件可以提高软件运行的可靠性。采用标准化的软件可以提高软件运行的可靠性。(3)指令冗余指令冗余 64