基于DSP的智能控制器高可靠性分析與設計 - 全文

　　輸入輸出通道與過程相連，是過程干擾進入DSP系統(tǒng)的主要通道，也是DSP系統(tǒng)抗干擾設計的重要內容之一。輸入輸出通道抗干擾設計主要采取隔離措施，這樣可大大提高過程通道上的信噪比。

　?、?a target="_blank">通信部分

　　F2812芯片具有兩個串行通信接口，可根據(jù)具體需要自由配置成標準串口RS-232或RS-485。本設計采用RS-232，且為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，選用了高抗干擾性驅動芯片MAX3160，并采用高速光耦進行隔離。

　　2 PCB電路板設計與制作

　　目前，電子設備普遍采用PCB電路板進行裝配。隨著集成電路及相關技術的飛速發(fā)展，PCB上的元器件密度越來越高，PCB設計與制作的質量對DSP系統(tǒng)可靠性的影響也越來越大。因此，在設計和制作PCB的時候，不僅要考慮元器件和線路的布置，還應符合相關的抗干擾設計規(guī)則。

　　①PCB布局

　　PCB布局非常重要，它不僅決定電路板的視覺效果及自動布線的布通率，更重要的是會影響儀器的整體性能，所以，布局時必須綜合考慮，并遵循一定的規(guī)則，具體包括：

　　● PCB板的幾何尺寸應合適，尺寸過大會增加線路阻抗，降低抗噪聲能力，尺寸過小則影響散熱，且相鄰線條易受干擾；

　　● 應將元件及信號合理分區(qū)，將強、弱信號分開，數(shù)字與模擬信號分開，干擾源與敏感元件分開；

　　● 盡可能按信號流程布置各功能模塊的位置，使信號方向一致；

　　● 以每個功能模塊的核心元件為中心進行元器件布局，且應考慮元器件排列及焊接，不能太密；

　?、赑CB布線

　　在PCB設計過程中，布線工作的技巧性很強，是非常重要的一步。布線時應遵循如下規(guī)則：

　　● 相鄰兩層的布線方向應盡量垂直，必要時可加地線隔離；

　　● 地線和電源線應盡量加粗，以減小壓降和降低耦合噪聲；

　　● 數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強，布線時，應盡量將模擬器件遠離數(shù)字信號線，并用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離；

　　● 整個PCB板對外只有一個地線節(jié)點，而在PCB板內部，數(shù)字地和模擬地則是分開的，通?？蓪?shù)字地和模擬地在D/A轉換器的模擬地引腳處連在一起；

　?、垭娫淳€設計

　　解決干擾問題的辦法是將電源部分的器件單獨放在一起，然后用正反兩條較粗的地線與其他部分完全隔離，再在電源器件附近放置旁路電容和去耦電容，以最大限度地減少輸出電源線上的干擾。另外，應根據(jù)電流的大小，盡量加寬電源線，并盡可能使電源線和地線的走向與數(shù)據(jù)傳輸方向一致，以提高系統(tǒng)的抗噪聲能力。

　?、艿鼐€設計

　　電子系統(tǒng)的噪聲和干擾與其接地方式有密切的關系，良好的接地往往可解決大部分干擾問題。

　　對于低頻電路，布線和元器件間的電感影響比較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響會較大，此時應采用一點接地方式，以盡可能減小地線上的電位差；而對于高頻電路，地線阻抗會變得很大，此時縮短地線長度，以減小地線阻抗就成為關鍵問題，所以應采用就近多點接地方式。此外，應盡量加粗接地線，以減小地線電阻，否則，會由于接地電位變化而導致信號電平不穩(wěn)，進而降低抗噪聲能力。

　?、轂V波電容設計

　　選luF～l0uF的電容跨接在電路板入口處的電源線與地線之間，這樣能有效消除低頻干擾。而對于高頻干擾信號，可用0.01μF和0.1μF的電容放在電源和地的引腳旁，特別是要在每個集成電路芯片的電源線和地線之間直接接入0.1μF的高頻電容。另外，也可采用鐵氧體磁珠來做高頻濾波，它可等效為一個電阻和一個電感的串聯(lián)，其高頻時的交流阻抗很大，而直流阻抗卻很?。ń咏?Ω），這樣，高頻干擾信號就被吸收，并以熱量形式消耗。

　　3 空間抗干擾問題

　　抗空間干擾的主要措施就是屏蔽。本設計采用常用的屏蔽的方法，即用低電阻材料作成屏蔽罩，把干擾源或易受干擾的部分包圍起來，這樣，既防止了干擾源向外施加干擾，也避免了易受干擾部分接收外來的干擾。

　　軟件系統(tǒng)高可靠性設計

　?。?） 軟件的抗干擾設計

　　除上述的硬件抗干擾措施之外，軟件上也應做好抗干擾設計。

　?、?a href="http://srfitnesspt.com/tags/看門狗/" target="_blank">看門狗中斷的應用

　　在程序設計時，每隔一段程序插入一個看門狗計數(shù)器復位指令，這樣，在程序運行過程中，如果進入死循環(huán)或非法代碼區(qū)，就不能使計數(shù)器清零，當該計數(shù)器溢出時，就會使系統(tǒng)復位并重新運行，此時如果干擾或故障已消除，則系統(tǒng)就從故障狀態(tài)恢復正常。

　　②假中斷處理

　　在程序設計時，應給每一個中斷都編寫程序，在中斷服務程序中清除中斷標志并使程序正常返回，這就保證了程序的穩(wěn)定運行。

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　　對開中斷關中斷、中斷初始化、系統(tǒng)寄存器初始化及定時器定時值設置等重要指令采取指令冗余技術，即多進行一次重復寫操作，以確保這些重要指令的正確執(zhí)行。

　?。?） 控制算法的可靠性問題

　　本控制器的控制算法設計主要考慮以下兩個方面的內容：

　　一是控制規(guī)則的準確性問題，通過對從白內障手術專家那里獲得的手術經驗數(shù)據(jù)進行反復的考證和分析，并結合相關的實驗情況，從中提取有代表性的數(shù)據(jù)作為編寫控制規(guī)則的依據(jù)；

　　二是控制器的完備性問題，即對于任意的輸入，控制器都可給出合適的控制輸出，這主要取決于數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫。數(shù)據(jù)庫方面，對于任意的輸入，總能找到一個模糊集合，使得該輸入對于該模糊集合的隸屬度值不小于某一正數(shù)ε（通?？扇ˇ艦?.5）；規(guī)則庫方面，應避免出現(xiàn)因推理機搜索不到合適的控制結果而造成系統(tǒng)失控的現(xiàn)象，也即對于任意的輸入，應確保至少有一條可適用的規(guī)則，且其適用度應大于某一正數(shù)（可取0.5），同時，控制規(guī)則數(shù)不能太少，當然也不宜太多，實際中，在滿足控制器完備性要求的情況下，應盡量減少控制規(guī)則數(shù)目。