微机系统设计开发隔离与抗干扰技术学习教案

1、会计学1微机系统设计开发微机系统设计开发(kif)隔离与抗干扰技术隔离与抗干扰技术第一页，共64页。第2页/共64页第二页，共64页。第3页/共64页第三页，共64页。干扰(gnro)来源外部(wib)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第4页/共64页第四页，共64页。断电。第5页/共64页第五页，共64页。第6页/共64页第六页，共64页。第7页/共64页第七页，共64页。交流动力线引入噪声高压电线雷电雷达、电台等天线发射装置地电位波动电机、电焊机等大用电设备过程控制系统第8页/共64页第八页，共64页。两根导线(doxi

2、n)之间的电容性耦合导线之间电容性耦合等效电路第9页/共64页第九页，共64页。12g1212nU)CC(Rj1RCjU112nURCjU12g1212nUCCCU当导体2对地电阻(dinz)R很小时，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(dinrng)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。第10页/共64页第十页，共64页。两个电路(dinl)之间的电磁耦合电磁耦合等效电路第11页/共64页第十一页，共64页。1nMIjU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 第12页/共64

3、页第十二页，共64页。公共(gnggng)阻抗耦合原理图第13页/共64页第十三页，共64页。公共(gnggng)电源线的阻抗耦合 公共(gnggng)地线的阻抗耦合 第14页/共64页第十四页，共64页。第15页/共64页第十五页，共64页。第16页/共64页第十六页，共64页。第17页/共64页第十七页，共64页。第18页/共64页第十八页，共64页。第19页/共64页第十九页，共64页。干扰信号的形式(xngsh)第20页/共64页第二十页，共64页。n 使用电流信号传输第21页/共64页第二十一页，共64页。共模(n m)干扰第22页/共64页第二十二页，共64页。第23页/共64页第

4、二十三页，共64页。隔离(gl)放大器隔离(gl)放大器第24页/共64页第二十四页，共64页。隔离(gl)放大器第25页/共64页第二十五页，共64页。采用(ciyng)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。 第26页/共64页第二十六页，共64页。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(s

5、hj)掌握传输线的波阻抗Rp的大小。终端阻抗匹配 第27页/共64页第二十七页，共64页。这种匹配方法的优点是波形的高电平不变，缺点(qudin)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 第28页/共64页第二十八页，共64页。第29页/共64页第二十九页，共64页。一般计算机控制系统供电(n din)结构第30页/共64页第三十页，共64页。具有(jyu)UPS发热供电结构第31页/共64页第三十一页，共64页。交流(jioli)侧隔离直流侧隔离第32页/共64页第三十二页，共64页。第33页/共64页第三十三页，共64页。n系统地是上述几类地的

6、最终回流点，直接与大地相连。n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。第34页/共64页第三十四页，共64页。第35页/共64页第三十五页，共64页。第36页/共64页第三十六页，共64页。第37页/共64页第三十七页，共64页。(a)(b)I/O设备I/O设备第38页/共64页第三十八页，共64页。第39页/共64页第三十九页，共64页。第40页/共64页第四十页，共64页。数字滤波是一种(y zhn)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(jyu)很多优点。 数字滤波可以实现对频

7、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。第41页/共64页第四十一页，共64页。p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(ynq)状态变化，造成误判。 p对于数字信号来说，干扰信号多呈毛刺状，作用

8、时间(shjin)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。p对数字信号的采集不能采用多次平均方法，而是比较两次或两次采集结果是否相同。第42页/共64页第四十二页，共64页。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(gnro)能力，后者不耐干扰(gnro)，当锁存线上出现干扰(gnro)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

9、信口、显示设备等）耐受能力就小一些。第43页/共64页第四十三页，共64页。（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，就可及时(jsh)防止错误动作的产生。（2）对于不能重复输出同一信号(xnho)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。第44页/共64

10、页第四十四页，共64页。尤其(yuq)是在单片机系统中，应当充分考虑系统的抗干扰性能。复位掉电保护指令冗余软件陷阱Watchdog技术第45页/共64页第四十五页，共64页。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(ch sh)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。第46页/共64页第四十六页，共64页。首先进行现场保护，把当时的重要状态参数、中间结果(ji gu)，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

11、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。第47页/共64页第四十七页，共64页。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(fshng)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

12、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系统的实时性和功能产生明显的影响。第48页/共64页第四十八页，共64页。软件(run jin)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

13、这些地方设置陷阱，就能及时捕捉到错误中断。第49页/共64页第四十九页，共64页。看门狗，也称程序(chngx)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(chngx)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，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。

14、看门狗的实现形式可以分为:硬件看门狗和软件看门狗第50页/共64页第五十页，共64页。第51页/共64页第五十一页，共64页。第52页/共64页第五十二页，共64页。第53页/共64页第五十三页，共64页。第54页/共64页第五十四页，共64页。第55页/共64页第五十五页，共64页。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

15、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。;0) t (Rlimt第56页/共64页第五十六页，共64页。 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

16、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。dt) t (dNN1) t (Fs第57页/共64页第五十七页，共64页。1. 可靠性设计的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；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；检查、调试和互换容易实现；零件互换性好；可靠性特殊设计方法，例如，可靠度合理分配、冗余设计、安全装置设计、可靠性预测等。第58页

17、/共64页第五十八页，共64页。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(bjin)发生故障时能够自动切换。多级操作可以使系统某一部件(bjin)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(bjin)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(bjin)更换等设计。第59页/共64页第五十九页，共64页。 (1)冗余结构设计冗余分类:按冗余部件、装置或系统的工作状态，可分为工作冗余(热后备)和后备冗余(冷后备)两类。按冗余度的不同，可分为双重化冗

18、余和多重化(n:1)冗余。集散系统的供电系统、通信系统、I/O插卡部件、上位机可以组成冗余结构。2. 提高计算机控制系统硬件可靠性的措施第60页/共64页第六十页，共64页。 (2)不易发生故障的硬件设计 对元部件(bjin)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, 按可靠性标准检查全部元器件；充分重视元部件(bjin)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(bjin)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。 第61页/共64页第六十一页，共64页。 (1)分散结构设计把整体的软件设计分散成各子系统的设计，各自独立，又共享资源。(2)容错技术在软件设计中的