《智能仪表原理与设计》课件第七章

一、可靠性设计基础二、可靠性保障基本技术三、电磁兼容性设计四、软件抗干扰技术五、软件可靠性设计六、智能仪表的自诊断技术主要内容一、可靠性设计基础1.可靠性的重要性

（1）可靠性是仪表质量的一个重要方面,可靠性高才能讲性能价格比。一般工业仪表的可靠性要求是：三年连续运行不出故障。（2）在军事上，尤其航空航天，仪表故障造成的损失往往可怕，因而要专门研究可靠性技术。

2.可靠性技术的主要内容（1）可靠性机理分析与评估方法；（2）可靠性计算与可靠性分析方法；（3）可靠性设计技术与工艺方法。3.可靠性的基本概念

（1）可靠度

可靠度指的是在规定时间内和规定条件下，系统完成规定功能的成功率。设有N0个同样的系统,同时工作在同样的条件下，从开始运行到t时刻的时间内,有Nf个系统发生故障,NS个系统工作正常，则可靠度R(t)可表示为：

(7-1)

系统故障的出现是随机的,需用统计规律去描述;对于可修复系统，维修难易程度不同，也需用统计方法来描述维修时间的长短。一、可靠性设计基础

不可靠度F(t)(又称失效率)可表示为：

(7-2)

推广到一个系统内，则N0就是组成系统的各单元的数目,“单元”是指子系统模块或部件。对于一个系统,如果其每一个元件级的失效都可造成系统的失效,则系统越复杂,元器件用得越多,整个系统的可靠性问题越复杂。可靠度R取决于其下级别的可靠度，最基本的级是元件级。一、可靠性设计基础

（2）失效率和平均故障间隔时间

失效率是系统运行到t时刻后的单位时间内，发生故障的系统数目与时刻t时完好系统数目之比。失效率又称为瞬时失效率或故障率。失效率λ(t)的定义：

(7-3)

其微分形式为: (7-4)

一、可靠性设计基础

将式(7-4)改写为：

(7-5)

对上式从0～t积分，得：

(7-6)

对于由电子元件组成的电子仪表系统，不论其组成单元及元器件的失效率为何种分布，经过一段时间老化处理后,λ(t)是一个常数。

一、可靠性设计基础

(7-7)

失效率可以按下式近似地计算：

(7-8)

r为系统失效数；T为运行系统数与运行时间的乘积。因为λ具有时间倒数的量纲,所以就取其倒数来表示可靠性程度，称为平均故障间隔时间,简称MTBF(MeanTimeBetweenFailure),用于描述可修复系统，用MTBF来表示,即：

(7-9)一、可靠性设计基础

（3）可维修性及可用性

在可靠性上,不仅要求系统尽可能少地出现故障,也希望在出现故障后能及时发现,并且在尽量短的时间内给予修复，用平均修复时间MTTR(MeanTimeToRepair)来定量描述。MTTR是一个统计值,即：

(7-10)

通常用A表示可用性并定义如下:

(7-11)

一、可靠性设计基础4.影响仪表可靠性的因素①外部干扰电网干扰空间电磁干扰操作者失误干扰环境的理化性干扰机械振动干扰②内部干扰元器件失效内部电磁干扰电气互联故障干扰软件故障的干扰如：①仪表的焊盘、接插件、信号连接线等,存在较大的故障率，是降低仪表可靠性的一个主要因素。②软件设计中,考虑不周的程序以及人为的错误操作通过容错性能不好的程序都会造成故障。一、可靠性设计基础二、可靠性保障基本技术1.系统方案设计时的可靠性原则

简化方案避免片面追求高性能指标和过多的功能合理划分软、硬件功能尽可能用数字电路代替模拟电路变被动为主动2.元器件的合理选用（1）分离半导体器件的使用

在电路设计时,分离器件的选用主要从电压应力（注意耐压的极限值Vmax）

、电流应力（注意最大电流Imax）

、工作频率、型号互换等方面考虑。二、可靠性保障基本技术固定电阻和电位器阻值稳定性与分散性工作频率功率负荷（功耗、电流）噪声频率范围容量稳定性和分散性噪声性能电压负荷（耐压）承受功率（4）集成芯片的选择数字器件模拟器件（3）电容器的选用二、可靠性保障基本技术

选用基本元器件时,应遵守以下原则:①对元器件的品种、规格、型号及生产厂家等因素要进行比较，列出元器件优选清单。如有条件,最好做到定点供应,以减小器件性能的分散性。②不仅要根据电路功能要求选用元器件，还要根据器件的性能参数选用。在设计和选用中,应保证器件工作在电气和环境条件的额定值内。③尽可能压缩系统器件的品种、规格，提高元器件的复用率。④优先选用功能强、可靠性高的大规模集成芯片。二、可靠性保障基本技术3.元器件的筛选

（1）元器件的失效特点

失效率分布的“浴盆”曲线

二、可靠性保障基本技术

（2）元器件筛选的意义

筛选前的器件寿命分布

二、可靠性保障基本技术

（3）元器件的筛选

元器件失效在各阶段造成的损失(单位:美元)元器件筛选印制板调试整机调试用户使用民用25550工业用42545215军用7501201000二、可靠性保障基本技术4.降额设计

降额系数S来表示降额设计的程度。S=实际工作应力/额定工作应力。（S在0～1之间取值）

电阻器电容器半导体器件微处理器和数字电路的降额设计(1)微处理器的工作主频(2)总线负载0二、可靠性保障基本技术三、电磁兼容性设计1.

电磁干扰的基本分析静电干扰磁场耦合干扰电磁辐射干扰共阻抗干扰直接传输干扰2.

电源抗干扰设计（1）微机系统和产生干扰的设备分开供电（2）设计抗干扰稳压电源①在交流输入端接入LC低通滤波器，可以吸收电网中大部分的干扰电流尖峰和高次谐波,在具体使用时,LC滤波器的屏蔽层应与机壳良好连接。②采用隔离变压器。隔离变压器与普通变压器的不同之处在于它的初级绕组和次级绕组之间多加了一层屏蔽层,该屏蔽层与铁芯一起接地,即可阻断干扰通过初次级之间的电容效应进入微机供电系统渠道。三、电磁兼容性设计③整流元件上并接滤波电容。整流元件是非线性器件,电源通断和电压电流的变化对其有很大的冲击，是高频干扰的一个来源。并接滤波电容后,可在很大程度上削弱高频干扰并对整流元件具有保护作用。滤波电容可采用1000pF～0.1μF无感的瓷片电容,耐压值根据次级电压决定。④选用高质量的滤波电容,使直流输出电压的纹波很小，干扰也难以形成。由于电解电容的高频特性不好，为加强抗高频干扰的效果，通常给滤波电容并联一个无感的瓷片电容。三、电磁兼容性设计抗干扰稳压电源的实例（3）选用高性能的电源（4）供电电路上的抗干扰措施（5）接地问题三、电磁兼容性设计4.抗串模干扰的措施隔离技术硬件滤波电路采用抗干扰性能好的A/D器件过压保护电路调制解调技术3.屏蔽与接地

静电屏蔽磁屏蔽电磁屏蔽屏蔽与接地信号的屏蔽传输三、电磁兼容性设计同相传输的光电隔离电路模拟输入的低通滤波三、电磁兼容性设计选用高质量的差分放大器平衡对称输入采用隔离技术

6.数据采集时的抗干扰技术

选择抗干扰能力强的A/D转换器抗混叠模拟滤波数字滤波设计高性能数据放大器进行零点和增益误差补偿三、电磁兼容性设计5.

抗共模干扰的措施四、软件抗干扰技术

软件抗干扰的工作主要集中在CPU抗干扰技术和输入输出的抗干扰技术两个方面。前者主要是抵御因干扰造成的程序“跑飞”,后者主要是消除信号中的干扰以提高系统精度。下面就两个方面的抗干扰技术分别说明。1.CPU抗干扰技术（1）程序运行监视系统

程序运行监视系统WDT(WatchDogTimer)被直译为“看门狗”,是一种软、硬件结合的抗程序“跑飞”措施。四、软件抗干扰技术一种计数器型WDT电路原理图（2）掉电保护

掉电保护也是一种软、硬件结合的抗干扰措施,其工作也从这两方面入手:保护现场实时数据和及时关闭微机系统。掉电保护系统的硬件组成是电源电压监测、后备电池和低功耗RAM。其工作的原理是直流电源具有较大的滤波电容,当电网电压掉电时,直流供电的电压是逐步降低的。四、软件抗干扰技术（3）软件陷阱

软件陷阱是指令冗余的一种应用形式,用于捕捉“跑飞”的程序。软件陷阱通常安排在程序中的下列位置:

系统中空的ROM区表格的头、尾处程序中未用的中断向量处

程序体内的“断裂处”（4）待机抗干扰

四、软件抗干扰技术2.输入输出的抗干扰技术

数字信号的输出数字信号的输入数字滤波四、软件抗干扰技术五、软件可靠性设计1.软件设计过程中的可靠性(1)系统分析(2)软件设计软件任务分析数据类型的规划资源分配(3)软件编程(4)软件调试和使用2.

软件可靠性设计的一些具体措施

（1）堆栈溢出的预防（2）模块调用中的资源冲突（3）逻辑运算的可靠性设计（4）数值运算的可靠性设计

入口条件的审查合理安排运算方案将复杂的运算用查表来完成（5）软件标志的使用（6）子程序的可靠性设计子程序的“透明性”子程序使用说明书五、软件可靠性设计3.

人机界面的容错技术

对于同一个智能仪表系统,熟练的操作者认为系统很正常，而不太熟练的则可能认为系统不好操作，容易出错。解决这个问题的主要方法就是设计友好的人机界面。五、软件可靠性设计输入提示功能的设计

(1)按键提示。

(2)操作提示符。

(3)闪烁或讯响提示。输入参数的容错

(1)保证系统有一个基本正常的运行环境。

(2)检查数据格式是否完备。

(3)检查输入参数数值的合理性。

(4)检查输入参数组合的合理性。

(5)检查输入参数的完备性。

(6)允许操作者在输入参数时终止当前输入。

五、软件可靠性设计命令输入的容错

(1)软件环境检查

(2)硬件环境检查

(3)错误命令的撤消

(4)命令键误动作的预防输入界面的安全性设计输出界面的容错

(1)提示符

(2)消除数据无效精度的输出

(3)显示格式要符合习惯

(4)加强提示效果五、软件可靠性设计六、智能仪表的自诊断技术

自诊断技术应该是一种智能技术。智能仪表广泛使用自诊断技术，将其作为保障系统可靠性的主要措施之一。诊断方式有三种：

上电自检,可避免系统带病运行；键控自检；定时自检,由系统周期性地在线自检,

可以及时发现运行中的故障。1.CPU的自诊断

CPU是微机系统的核心，专业性的CPU测试程序是根据CPU结构特点编写而成的。由于CPU的故障存在随机性,须经过足够的测试次数方能证明CPU的可靠性。一般用户系统的CPU自诊断程序则可认为是系统的测试程序,如果系统能正确地运行完自检程序,则可以认为CPU自身也是正常的。六、智能仪表的自诊断技术

由于ROM是只读的,对其进行自诊断只需判断从ROM中读出的数据是否正确即可。具体的诊断方法有多种，常见的如“检校和”(奇/偶检验法)、单字节累加位法、双字节累加位法等。2.ROM的自诊断六、智能仪表的自诊断技术

（1）固定模式测试

固定模式测试是将某数据写入被测试的RAM单元中，然后再从中读出并与原始数据进行比较,以此来判断RAM的写入和读出的可靠性。为检查字节单元的各个位之间的影响，应将可能出现的每一种数据组合都进行一次测试,如8位RAM字节所有的数据组合为00～FFH。实际系统中也常用0AAH和55H这两个0和1间隔的数进行检查,