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1、微机系统设计开发,1.微机系统设计开发的基本问题2.微机系统的接口与通信技术3.微机系统的隔离与抗干扰设计4.微机系统的软件开发与测试（软件工程）5.微机系统本安防爆设计6.微机系统应用案例,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,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。,3.1 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
2、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。,3.1.1 干扰来源,干扰来源,外部干扰,内部干扰,与系统结构无关，由外界环境因素决定的干扰,由系统结构、制造工艺等决定的,电源干扰,空间干扰,设备干扰,3.1.1 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,2.空间干扰静电和电场的干扰系统的部分设备产生
3、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,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。,3.1.2 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,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
4、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合,导线之间电容性耦合等效电路,当导体2对地电阻R很小时，使jR(C12+C2g)1时，式(9.1)可以近似表示为,这表明干扰电压Un与干扰频率和幅度U1、输入电阻R、耦合电容C12成正比关系。当导体2对地电阻R很大，使jR(C12+C2g)1时，式(9.1)可以近似表示为,在这种情况下，干扰电压Un由电容C12和C2g的分压关系及U1所确定，其幅值比前两种情况大得多。,3.1.2 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
5、。,两个电路之间的电磁耦合,电磁耦合等效电路,其中：为感应磁场交变角频率 M为两根导线之间的互感 I1为导线1中的电流,3.1.2 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。,公共阻抗耦合原理图,公共电源线的阻抗耦合,公共地线的阻抗耦合,3.1.2 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。,3.2 空间抗干扰的措施,空间感应包括静电场、高频电磁场以及磁场引起的干扰，主要的方法解决：空间隔离：使敏感设
6、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。,3.2.1 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
7、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。,3.2.2 电气布线技术,系统布线设计的关键是进行正确电缆选型、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,3.3 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,3.3 过程通道的抗干扰措施,1
8、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,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,3.3 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
9、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,隔离放大器,隔离放大器,3.3 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,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，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,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。因为这种传输
10、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，对于来自地线的干扰信号也受到抑制。,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50100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术数据掌握传输线的波阻抗Rp的大小。,终端阻抗匹配,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,这种匹配方法的优点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B的输入电流Isr在始端匹配电阻R上的压降所造成的,3.4.1系统供
11、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,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,3.4.1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UPS发热供电结构,3.4.1系统供电的抗干扰措施,3.直流电源系统直
12、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,直流侧隔离,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。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,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
13、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,1.单点接地与多点接地,3.4.2 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,3.实用的低频接地,3.4.2 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
14、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,5.主机外壳接地,3.4.2 系统接地的抗干扰措施,6.多机系统的接地,3.5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。,数字滤波与模拟滤波相比，具有很多优点。,数字滤波可以实现对频率很低（如0.01Hz）信号的滤波，克服了模拟滤波器的不足；,首先，由于采用了程序实现滤波，无需硬件器件，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；,当然，数字滤波不足之处在于滤波速度比硬件滤波要慢，但鉴于数字滤波器具有的
15、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滤波参数，具有灵活、方便、功能强等优点。,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，即“0”、“1”。在数字信号的输入中，由于操作或外界等的干扰，会引起状态变化，造成误判。,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。,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。,3、输出数字信号
16、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。,输出设备有电位控制型和同步锁相型两种，前者有良好的抗“毛刺”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。,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。惯性大的输出设备（各类电磁机构）对“毛刺”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）耐受能力就小一些。,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。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，还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信息又来到，
17、就可及时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状态也一并重复设置。,（4）采用抗干扰编码。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。,3.6 CPU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。,尤其是在单片机系统中，应当充分考虑系统的抗干扰性能。,复位掉电保
18、护指令冗余软件陷阱Watchdog技术,下面是几种常见的针对CPU的抗干扰措施：,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；,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CPU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:,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。,首先进行现场保护，把当时
19、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RAM中。,其次是对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状态等。,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，作为掉电标记，然后，进入掉电保护工作状态。,当电源恢复正常时，CPU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。,在掉电中断服务程序中的注意事项：,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。
20、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指令NOP，或将有效单字节指令重写，当程序“跑飞”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。,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
21、系统的实时性和功能产生明显的影响。,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：,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ROM空间，每隔一段设置一个陷阱。,未使用的中断向量区。在编程中，最好不要为节约ROM空间，将未使用的中断向量区用于存放正常工作程
22、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陷阱，就能及时捕捉到错误中断。,Watchdog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，也称程序监视定时器，在硬件上，可把它看成是一个相对独立于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，二是软件编程问题。,当系统运行时，看门狗与CPU同时工作。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，
23、使定时系统重新开始定时计数，没有输出信号发出；当程序“跑飞”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CPU系统复位。,看门狗的实现形式可以分为:硬件看门狗和软件看门狗,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。,1、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。,2.监控定时器Watchdog的实现方法,3.监控
24、定时器Watchdog用于用户程序的自动恢复,4.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。,3.7 提高计算机控制系统的可靠性措施,3.7.1 可靠性,可靠性是指机器、零件或系统，在规定的工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。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。衡量可靠性的指标常用的有：可靠度、MTBF、MTTF及故障率。可靠度(Reliability)：指机器、零件或系统，从开始工作起，在规定的使用条件下的工作周期内，达到所规定的性能，即无故障正常状态的概率，用R(t)表示。即：R(t)P(Xt)可
25、靠度R(t)具有下列性质：R(0)1；0R(t)1；R(t)是时间t的单调递减函数。,MTBF(Mean Time Between Failures)：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。MTTF(Mean Time To Failures)：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。故障率(Failure Rate)：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(t)表示。又称失效率、风险率。设N个同类型元件，到t时刻有Ns个元件仍正常
26、工作，NFNNs个元件失效。则上式表明，故障率(t)等于t以后的单位时间内失效元件数与t时刻仍有效的元件数之比。,3.7.2 提高可靠性的途径,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。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MTBF。迅速排除故障的准则是一条维修性设计准则。包括故障诊断、系统运行状态监视、部件更换等设计。,(2)不易发生故障的硬件设计 对元部件进行严格筛选，使用可靠的单个元件，并对元件进行多道老化和严格检验,按可靠性标准检
27、查全部元器件；充分重视元部件安装的机械强度，以使机械运动(如振动)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；对组件采取涂漆和浇注处理可进一步提高机械紧固性；插座是发生故障的最常见因素，因此，应尽量少用插座，并采用大的插座；抗温升保护，多数电子器件对温度变化比较敏感，设计足够的通风系统和采用温度补偿措施。,(3)指令冗余多采用单字节指令，并在关键的地方人为地多插入一些单字节指令(NOP)或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余.(4)信息冗余信息冗余就是利用增加信息的多余度来提高可靠性，具体做法是在数据（信息）中附加检错码或纠错码，以检查数据是否发生偏差，并在有偏差时纠正偏差。(5)标准化采用标准化的软件可以提高软件运行的可靠性。,
