第7章可靠性分析

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1、第七章第七章 微机控制系统的微机控制系统的 可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰技术 7.1 7.1 可靠性与抗干扰技术的基本概念可靠性与抗干扰技术的基本概念 7.2 7.2 硬件的可靠性与抗干扰技术硬件的可靠性与抗干扰技术 7.3 7.3 软件的可靠性与抗干扰技术软件的可靠性与抗干扰技术 可靠性对计算机控制系统来说至关重要可靠性对计算机控制系统来说至关重要1 1、计算机控制系统的运行环境往往比较恶劣、计算机控制系统的运行环境往往比较恶劣 环境温度和湿度变化大，有粉尘、振动、腐蚀和电气干扰，会影响到系统的正常工作，影响控制精度。2 2、计计算算机机控控制制系系统统通通常常要要求求长长期期连连续续工

2、工作作，不不能能随随意意关机、复位或重新启动。关机、复位或重新启动。 系统应能抑制干扰的影响；数据被破坏时，系统应能及时发现并能纠正；系统出现异常情况时，应能及时给出报警信息；抗干扰技术是提高可靠性的一项关键技术，一个没有采取抗干扰措施的控制系统是根本不能投入实际使用的。 7.1 7.1 可靠性与抗干扰技术的基本概念可靠性与抗干扰技术的基本概念一、可靠性的概念一、可靠性的概念 1 1可靠性（可靠性（ReliabilityReliability）定义）定义 控制系统的可靠性通常是指：控控制制系系统统在在一一定定条条件件下下，在在规规定时间段完成预定功能的能力。定时间段完成预定功能的能力。（1）环

3、境条件（如温度、湿度、粉尘、气体、振动和电磁干扰等）（2）工作条件（如电源电压、频率允许波动的范围、负载阻抗、允许连接的用户终端数等）（3）操作和维护条件（如开机关机过程、正常操作步骤、维修时间和次数等）。规规定定的的时时间间：常以数学形式表示可靠性的基本参量，如可靠度、失效率、平均故障间隔时间（MTBF：Mean Time Between Failures）、平均维护时间（ MTTR：Mean Time to Repair）等。规规定定的的功功能能：是指控制系统能完成任务的各项性能指标。 影响系统完成规定功能的干扰因素有多种，如温度、湿度、震动、电磁干扰、误操作及器件的失效、老化、设计缺陷等

4、。 2 2错误（错误（ErrorError）和故障（）和故障（FailureFailure） 在干扰信号下，系统会产生非正常的工作状态，称为异常状态。 （1）瞬时性的、功能上出现偏差的异常状态称为错误。 （2）固定性的、功能部件其必要操作能力消失的异常状态，称之为故障，故障只有通过修理才能恢复到正常状态。 错误的发生并不可怕，可怕的是发生了错误，系统仍一无所知。因此，自动检测、纠正和指示，对控制系统来说非常重要。 按按故故障障其其发发生生时时期期通通常常分分为为：早早期期故故障障、耗耗损损故故障障和和偶偶发发故障。故障。 （1）早期故障是由于元器件质量差，软件、硬件设计欠完善等原因造成的，可通

5、过系统试运行，更换质量不好的元器件、修改硬件电路、改正软件错误来排除。 （2）耗损故障的发生是由于元器件使用寿命已到所致。如果已知元器件使用寿命的统计分布规律，预先更换元器件，就可防止耗损故障的发生。定期检查或更换关键元件和部件，也可防止耗损故障的发生。 （3 3）偶偶发发故故障障是是随随机机的的，通通常常发发生生于于早早期期故故障障和和耗耗损损故故障障之之间，在故障发生后，需进行应急维修。间，在故障发生后，需进行应急维修。 由于偶发故障的发生难以预见又不可避免，为减少由于故障发生所造成的损失，尽快恢复系统正常工作，就需要采取故障恢复技术；要使系统仍然继续运行，需要采取特殊措施。综上所述，可靠

6、性的概念有两层含义：综上所述，可靠性的概念有两层含义： 1 1、系统在规定的时间内尽可能减少故障和错误的发生；、系统在规定的时间内尽可能减少故障和错误的发生； 2 2、发生了故障和错误后能迅速进行维修，尽快恢复正常工作。、发生了故障和错误后能迅速进行维修，尽快恢复正常工作。 另外，若考虑人为的干扰因素，如控制系统中有关数据和程序的非法窃取、修改等，则安全性也属于系统可靠性应考虑的内容。二、噪声及干扰二、噪声及干扰1 1、噪声、噪声定义：定义：噪声是一种明显不传送信息的信号，它与信号叠加或组合，使有用信号发生畸变。分类：分类：（1 1）按按噪噪声声产产生生的的位位置置分分类类：内内部部噪噪声声和

7、和外外部部噪噪声声。 内部噪声是指装置内部或器件本身产生的噪声。 外部噪声是指从外部侵入装置或系统的噪声，主要有自自然然噪噪声和人为噪声声和人为噪声二类。 自自然然噪噪声声包包括括大大气气噪噪声声、太太阳阳噪噪声声等等。大大气气噪噪声声如如雷雷电电、火火花花放放电电、台台风风、火火山山喷喷烟烟、黄黄砂砂、飞飞雪雪等等。其中雷电是经常遇到的，它从较低频率（数千赫兹）到VHF射频段（30300MHZ）或更高的频段内产生干扰，并能传到相当远的距离。 太阳噪声是由于太阳黑子或磁暴发射出的电磁噪声，其强度与黑子活动的激烈程度有关。 人为噪声来自其他机器和设备的噪声人为噪声来自其他机器和设备的噪声，如：

8、有触点的家用电器和民用设备：电冰箱、电熨斗、电磁开关、继电器等； 使用整流子电动机的机器：电钻、电动刮胡刀、电按摩器、吸尘器、电动搅拌机、牙科医疗器械； 家用电力半导体器件装置：硅整流调光器、开关电源等； 工业用高频设备：塑料热合机、高频加热器、高频电焊机等； 高频医疗设备：甚高频或超高频理疗装置、高频手术刀、电测仪、光机等； 电力传动设备：各种直流、交流伺服电动机、步进电机、电磁阀、接触器等； 电力电子器件组成的变流装置：可控整流器、逆变器、变频器、斩波器、交流调压器、USB电源、高频开关电源等； 电力传输设备：高压电力传输线、高压断路器、变压器等；内燃机中的点火系统、发电机、电压调节器、电

9、刷等； 无线电发射和接收设备：移动通信系统、广播、电视、雷达、导航设备等； 高速数字电路设备：计算机及其相关设备等。（2 2）按噪声产生的原因分类）按噪声产生的原因分类 有放电噪声、高频振荡噪声、浪涌噪声等。 放电噪声主要由雷电、静电、电机电刷和大功率开关触点断开等放电现象产生的。 高频振荡噪声主要由感应电炉、开关电源、逆变器、高频加热器、超声波设备以及电路内部反馈引起的高频自激振荡所产生。 浪涌噪声是由大功率设备、晶闸管变流器和电动机启动产生涌流所造成的。（3 3）按噪声传导模式分类）按噪声传导模式分类 按噪声传导模式可分为常模噪声和共模噪声常模噪声和共模噪声。 常常模模噪噪声声又称差动噪声

10、、串模噪声、横向噪声、线间感应噪声或对称噪声等，常模噪声与有用信号串在一起，噪声电流in与有用信号电流is在线路中的流向是一致的，噪声电压un始终迭加在信号电压us，这种噪声往往较难清除。 当当噪噪声声的的频频率率范范围围与与有有用用信信号号相相差差较较大大时时，可可采采用用滤滤波波方方法来抑制。法来抑制。 共模噪声共模噪声又称地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。又称地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。噪声电流in在一对信号线上各流过一部分，以地为公共回路，当线路处于平衡状态，两根信号线对地阻抗一致（Z1=Z2），在两根信号线间产生的噪声电压un基本为，共模噪声不会对有用信号产生影响。但线路不平衡

11、，即两根信号线对地阻抗不一致时，噪声电压un就不为，相当于在两根信号线存在常模噪声。 通常输入/输出信号线与大地或机壳之间的噪声都为共模噪声，信号线受到静电感应时产生的噪声也多为共模噪声。抑抑制共模噪声的方法较多，如隔离、屏蔽、接地等。制共模噪声的方法较多，如隔离、屏蔽、接地等。（4 4）按噪声波形分类）按噪声波形分类 有连续的正弦波、偶发和周期性的脉冲波。 对连续正弦波噪声，可用幅值Um、持续时间tS 和振荡频率fn等特征值来描述； 对偶发脉冲波噪声，可用最大幅度Um、上升时间tr、脉冲宽度tp等特征值来描述； 周期性脉冲波噪声，可用最大幅度Um、脉冲宽度tn、脉冲间隔时间ts等特征值来描述

12、。根据噪声波形与有用信号的特征值，才能确定采用具体消除噪声的措施2 2、干扰、干扰 定义：定义：当噪声引起设备或系统性能下降甚至不能正常工作时，称为干扰。 由噪声（或电磁骚扰）干扰引起设备或系统性能下降现象的产生，必须满足个条件：（1）噪声的发生（即有噪声源的存在）（2）噪声的接收（即有受扰体的存在）（3）噪声的传播（即有耦合途径的存在）（4）上述三者在时间上的一致性。 噪声源和受扰体通常是客观存在的，只能通过减少噪声源的发射能量，降低受扰体敏感度来达到消除干扰。切断噪声从噪声源到受扰体的耦合途径，调整噪声的产生、传播和接收的时间关系，有时也能起到事半功倍的效果。干扰源：干扰源：能产生干扰的元

13、件、设备或信号；如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。若用数学描述，则du/dt或du/dt较大的地方都可能是干扰源。受扰体：受扰体：指容易被干扰的对象。受扰体通常对噪声有较高敏感性（susceptibility），如 A/D、D/A变换器、单片机、数字IC、弱信号放大器等，都可以是受扰体。传播途径：传播途径：指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。主要有导线的传导和空间的辐射。 干扰的来源：干扰的来源：（1）从电源引线侵入的干扰；（2）从输入/输出通道引入的干扰；（3）空间电磁干扰；（4）静电噪声；（5）其他环境因素。抗干扰：抗干扰： 抗干扰就是针对干扰产生的性质、传播

14、途径、侵入的位置和形式，采取适当的方法消除干扰源，抑制耦合通道，减弱电路对噪声干扰的敏感性。 耦合与耦合途径耦合与耦合途径 耦合泛指系统间或一个系统的各部分之间相互作用而彼此发生关联的现象，此处主要指干扰源与受扰体之间通过电或磁产生联系的现象，它通常决定了受扰体受到干扰的方式。 耦合途径是指干扰源对受扰体发生作用时，电磁能量的传输介质，亦称耦合通道。耦合途径主要有传导、感应和辐射。耦合途径主要有传导、感应和辐射。（1 1）公共阻抗耦合）公共阻抗耦合 是噪声源和信号处理电路具有公共阻抗时的传导耦合。常见的情况是信号处理电路和信号输出电路使用不是理想电压源，电源内阻就成为了公共阻抗Zc，信号输出电

15、路中的电流变化会在公共阻抗上产生噪声信号，并通过电源线干扰信号处理电路。为为了了防防止止公公共共阻阻抗抗耦耦合合，应应使使耦耦合合阻阻抗抗趋趋近近于于零零，通通过过去去耦耦电电路可减少公共阻抗耦合引起的干扰路可减少公共阻抗耦合引起的干扰 ( (图图7.3)7.3) 。（2 2）直接耦合）直接耦合 直接耦会通常是噪声信号经过导线直接传导到被干扰电路中，形成常模干扰或共模干扰。（3 3）静电耦合）静电耦合( (图图7.5)7.5) 控制系统的元件之间、导线之间、导线与元件之间都存在分布电容。如某一导体上的信号电压变化通过分布电容影响到其他导体上的电位，这种现象称为电容性耦合，也称静电耦合或电场耦合

16、。噪声通过电容耦合的影响程度取决于分布电容大小和噪声的频率。（4 4）电磁感应耦合）电磁感应耦合( (图图7.67.6） 电磁感应耦合又称磁场耦合。载流导体周围空间都会产生磁场，如磁场是交变的，则会对其周围闭合电路产生感应电势，因此，电路中的线圈、变压器甚至较长的导线都可能通过电磁感应耦合来传递噪声。 （5 5）漏电流耦合（图）漏电流耦合（图7.7)7.7) 漏电耦合是电阻性耦合方式。当相邻的元件或导线间绝缘电阻降低时，就会发生漏电耦合现象。 （6 6）辐射耦合）辐射耦合( (图图7.8)7.8) 辐射耦合主要由电磁场辐射引起。当高频电流通过导线时，就会在导体周围形成空间传播的电磁波，一定长度

17、的信号传输线既可作为发射无线，也可作为接收天线，这就是所谓的“天线效应”。在一定强度的电磁场辐射条件下，由于天线效应，噪声经辐射耦合入侵电路就难以避免。 干扰的传播途径（1）辐射干扰：辐射干扰主要来源于电磁场在空间的传播，以干扰源的电源电路、信号的输入输出电路、控制电路等导线作为辐射天线。（2）导线干扰：如果干扰波的产生源与被干扰系统由同一电源线或其他传输线连接，则干扰波会通过该导线传播。主要有：线间电压干扰和对地电压干扰、长线传输的干扰、 电源系统的干扰 单片机切断干扰传播途径的常用措施（1）减小电压噪声干扰，增加滤波电路；（2）IO口隔离；（3）晶振靠近单片机，外壳接地固定；（4）电路板分

18、布合理，干扰源和敏感元件分离；（5）数字地与模拟地分离；（6）单片机与大功率器件的地线要单独接地，减少相互干扰；（7）在单片机IO口、电源线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰器件。 3 3、电磁兼容性、电磁兼容性 （) )电磁兼容性的概念电磁兼容性的概念 电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）并非指电与磁之间的兼容，而是指在不损害信号所含信息的条件下，信号和干扰能够共存的程度。 国际电工委员会（IEC）对EMC的定义是：设设备备或或系系统统在在其其电电磁磁环环境境中中能能正正常常工工作作且且不不对对该该环环境境中中任任何何事事物物构构成成不不能能承承受

19、受的电磁骚扰的能力。的电磁骚扰的能力。 研究电磁兼容的目的是为了保证电器设备或系统在电磁环境中具有正常工作的能力，以及掌握电磁波对社会生产活动和人体健康造成危害的机理和预防措施。 (2)(2)电磁兼容标准电磁兼容标准 国国际际上上从从事事电电磁磁兼兼容容标标准准化化工工作作的的有有两两个个技技术术委委员员会会：国国际无线电干扰特别委员会和第际无线电干扰特别委员会和第7777技术委员会。技术委员会。 我国成立了全全国国无无线线电电干干扰扰标标准准化化技技术术委委员员会会和和电电磁磁兼兼容容标准化联合工作组，标准化联合工作组，促进了EMC研究和标准化工作。(3)(3)电磁兼容性不等式电磁兼容性不等

20、式 设备抗干扰能力大于干扰源强度*传播衰减因子 4 4、控制系统可靠性设计的基本途径、控制系统可靠性设计的基本途径 控制系统可靠性设计的基本途径可从个方面考虑。（1 1）提高元器件和部件的可靠性）提高元器件和部件的可靠性 系统的可靠性是建立在各组成部分可靠性基础上的，选择可靠性好、抗干扰能力强的元件、器件和部件是提高系统可靠性的前提。 方法有：（1）查明失效的物理机理，分析失效的原因加以消除；（2）掌握元器件的性能，合理地规定使用条件，必要时可采用降额设计（使元器件在远低于额定条件下工作）；（3）建立器件的性能老化模型，提供有效的器件筛选方法；（4）利用大规模、超大规模集成电路技术，减少使用分

21、立元件，以提高电路或子系统的可靠性等等。 （2）合理设计系统结构合理设计系统结构 一个控制系统通常由若干个部分组成，合理设计系统结构就是适当分解系统，然后建立相互的连接关系。分解系统除了按功能划分外，还应考虑噪声源与受扰体尽可能分开，各组成部分尽可能采用成熟技术，各组成部分之间的连接要着重考虑便于维护和更换。 （3）采用抗干扰技术采用抗干扰技术 常常见见的的硬硬件件抗抗干干扰扰措措施施有有滤滤波波与与去去耦耦、隔隔离离与与屏屏蔽蔽、电电源源与接地、停电保护与热插拔技术等；与接地、停电保护与热插拔技术等； 软软件件抗抗干干扰扰措措施施有有数数字字滤滤波波、数数据据检检错错和和纠纠错错、开开机机自

22、自检检与故障诊断等。与故障诊断等。 （4）采用可靠性技术采用可靠性技术 控制系统可靠性技术涉及的内容还有：冗冗余余技技术术、自自动动检检错错纠纠错错技技术术、故故障障诊诊断断和和恢恢复复技技术术、安安全全性性技技术术以以及及软软件件可可靠靠性技术等。性技术等。 7.2 7.2 硬件的可靠性与抗干扰技术硬件的可靠性与抗干扰技术一、抑制干扰的一般措施一、抑制干扰的一般措施精选电子元件滤波去耦屏蔽隔离布线接地 二、元器件及其选择二、元器件及其选择 1 1、电子元器件的可靠性度量、电子元器件的可靠性度量 电子元器件的可靠性常用失效比例来测定。比较容易理解的是所谓平均失效率，它可用公式表示如下： 平均失

23、效率平均失效率 = = 失效产品的百分比工作时间失效产品的百分比工作时间 、元器件的选择、元器件的选择（1）深入了解元器件的电气参数，特别是极限参数，不能超出极限条件下工作。如对于二极管，应考虑最大反向电压、最大正向电流、反向电流、正向压降和工作频率等电气参数。（2）注意温度对器件性能的影响，选择温漂小，稳定性好的元器件。如工业级TTL集成电路的工作温度为070C，CMOS集成电路的工作温度为 -55+125C。（3）为提高整体可靠性、降低接触不良故障、减少焊点数量，尽量选用大规模集成电路。 （4）尽量选用抗干扰性能好的元器件。 为了提高噪声容限，可选用CMOS器件； 为了抑制共模干扰，可选用

24、测量放大器； 为了抑制工频干扰，可选用积分型A/D； 为提高传输距离，应采用电流传输器件等。 （5）有条件时，尽可能采用低功耗器件。对电池供电的场合，更应选用功耗小的CMOS器件。 （6）多路转换器：输入易受到共模噪声的干扰。在输入端接入共模扼流圈，对抑制外部传感器引入的高频共模噪声十分有效。多个输入信号经多路转换器接至放大器或A/D转换器的方法有单端法和差动接法，其中差动接法抗干扰能力强。（7）放大器的选择。 在传感器工作环境复杂和恶劣时，应选择测量放大器，它具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温度漂移、低失调电压和高稳定增益等特点，因此，在微弱信号的监测系统中广泛用作前置放大器

25、。 为了防止共模噪声侵入系统，可以采用隔离放大器。隔离放大器具有线性和稳定性好，共模抑制比高，应用电路简单，放大增益可变等特点。（）A/D转换器。 逐次比较式ADC转换速度较高，但抗干扰能力差。 双积分ADC抗干扰能力强，尤其是对工频干扰有较强的抑制能力，具有较高的转换精度，但转换速度较低。 V/F式ADC也具有较好的抗干扰性能、很好的线性度和高分辨率，其转换速度适中。 （9）数字输入端噪声抑制是根据有用脉冲信号与无用脉冲噪声之间的差别，来采取既保证有用脉冲信号不丢失，又有效地抑制无用脉冲噪声的措施。 在数字电路的接口部位加入RC滤波环节，利用RC的延时作用来控制噪声的影响，并在RC滤波器的输

26、出端接入施密特型集成电路。 抑制输入噪声的另一项措施是提高输入端的噪声容限，这可采取加上拉电阻、电源分散配置以及提高供电电源电压等措施。3 3、滤波技术、滤波技术1 1、滤波器的类型、滤波器的类型按结构形式分：一体化滤波器、分立式滤波器；按工作条件分：无源滤波器、有源滤波器；按频率特性分：低通、高通、带通、带阻；按使用场合分：电源滤波器、信号滤波器、控制线滤波器；按滤波原理分：反射式滤波器、吸收式滤波器。 2 2、滤波电路类型、滤波电路类型 控制系统中有两种滤波电路，一种用于抑制信号处理电路中的干扰，另一种用于抑制电源的干扰。 （1 1）抑制信号处理电路中干扰的滤波电路）抑制信号处理电路中干扰

27、的滤波电路 用于信号处理电路抗干扰的滤波电路通常为RC滤波器、LC滤波器、双滤波器和开关电容滤波器等。 RC滤波器（图7-10）按结构可分为 型、型和 型，这三种RC滤波器的传递函数均为 。 实际应用时，取0大于有用信号的S，小于噪声信号的n。 LC低通滤波器按结构也可分为型、型和型，这三种LC低通滤波器的传递函数均为，其中R为L的直流电阻；其近似对数幅频特性，其中 。由于LC低通滤波器对大于0的衰减比RC低通滤波器快，因此其滤波效果相对较好，但需要使用电感元件（图7-11）。 RC或LC滤波器的型、型和型结构的选择主要取决于信号源和负载的阻抗，一般对高阻抗的信号源和负载直选用型结构，对低阻抗

28、的信号源和负载宜选用型结构，其他情况可选用型结构。 还可利用运放组成各种有源滤波器。在计算机控制系统中，还可利用软件实现数字滤波。 （2 2）抑制电源高频干扰的滤波电路）抑制电源高频干扰的滤波电路 电源中难以避免会引入高频干扰，抑制电源高频干扰通常在电源变压器初次级两端分别使用滤波电路。 4 4、去耦电路、去耦电路 许多数字电路在电平转换过程中会产生很大的尖峰电流，并在共用电源的内阻上产生压降，形成干扰信号。为抑制这种干扰，可采用去耦电路，最简单的去耦电路就是在各各电电路路的的供供电电端端配配上上一一定定容容量量的的电电容容，去耦电容的取值与尖峰电流、持续时间和电源电压变化范围有关（图7-14

29、）。 去耦电路一方面提供或吸收电路尖峰电流的能量，滤除由此产生的高频干扰，另一方面也可滤除电源中的交流纹波干扰。 去耦电容d的选用并不严格，为滤除高频干扰，可选用滤除高频干扰，可选用0.010.010.10.1 f f的陶瓷电容或薄膜电容，为滤除电源交流纹波干的陶瓷电容或薄膜电容，为滤除电源交流纹波干扰，可选用扰，可选用10-100010-1000F F的电解电容。的电解电容。有时，为改善去耦效果，还可在电源中串联电感后，再并联去耦电容Cd。 四、隔离与屏蔽技术四、隔离与屏蔽技术 、信号隔离技术、信号隔离技术 隔离技术就是切断噪声源与受扰体之间噪声通道的技术，其特点是将两部分电路的地线系统分隔

30、开来，切断通过阻抗进行耦合的可能。 控制系统中通常有弱电控制部分和强电控制部分，两者之间既有信号上的联系，又有隔绝电气的要求。因此，隔隔离离是是为为了了抑抑制制信信号号之之间间的的干干扰扰和和电电源源之之间间的的干干扰扰，保证设备和操作人员的安全。具体的隔离方式有光光电电隔隔离离、继继电电器器隔隔离离、变变压压器器隔离及布线隔离。隔离及布线隔离。（1 1）光电隔离）光电隔离 利用光电耦合器件将电信号转换为光信号，然后再将光信号转换为电信号，从而实现了电气上的隔离。（2 2）继电器隔离）继电器隔离 继电器的线圈与触点之间没有电气上的联系，因此可通过驱动继电器线圈来控制触点的闭合或断开。 继电器隔

31、离的主要电气参数有： 线圈的额定电压和电流； 触点形式、触点容量和触点电阻； 吸合时间、释放时间和工作频率； 绝缘电阻和绝缘强度。（3 3）变压器隔离）变压器隔离 对交流信号和交流电源，可通过普通变压器隔离。 高频数字信号需用脉冲变压器隔离。脉冲变压器的匝数较少，初级和次级绕组分别绕在铁氧体磁芯的两侧，分布电容极小(几PF)。利用脉冲变压器可传输频率较高的多值电平信号，这是一般光电耦合器难以做到的，在许多通信和网络系统中得到了广泛的应用。（4 4） 布线隔离布线隔离 在计算机控制系统中，有许多易产生噪声的电路，通过合理布线可抑制噪声源对小信号处理电路的干扰。合理布线就是使小信号处理电路在空间距

32、离上尽可能远离噪声源。 、屏蔽技术、屏蔽技术 屏蔽主要运用各种导电材料制造成各种壳体并与大地连接，以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径。 根据干扰的耦合通道性质，屏蔽可分为电场屏蔽、静电屏屏蔽可分为电场屏蔽、静电屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽三类。蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽三类。 （1 1）电场屏蔽）电场屏蔽 采用电场屏蔽的基本原理是基于静电屏蔽原理。任意形状的导体置于电场中，电力线将终止于导体表面，而不能穿过导体进入空腔；导体空腔内各点电势相等，因此，置入在导体空腔内的物体将不受外界电场的影响。利用这一性质，可用屏蔽屏蔽材料包绕在电子设备和信号传输线外层，形成导体空

33、腔。材料包绕在电子设备和信号传输线外层，形成导体空腔。 （2 2）静电屏蔽）静电屏蔽 将完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，并将金属屏蔽体接地。（3 3）磁场屏蔽）磁场屏蔽 产生磁场的噪声源需要采用磁场屏蔽措施，方法是使用导磁率高的材料作屏蔽体，如用铁皮包在变压器的侧面为漏磁提供回路，以减小对外界的影响。 （4 4）电磁场屏蔽）电磁场屏蔽 电磁场变化频率越高，辐射越强。电磁场干扰包括电磁感应干扰，辐射干扰。 电磁场屏蔽可采用屏蔽罩，由于集肤效应，屏蔽罩的厚度对屏蔽效果影响不大，而采用低电阻材料。减小与导体电流方向平行的网孔大小，则有利于增强屏蔽效果。 五、电气布线技术五、电气布线技术 1 1

34、、常用线型及应用、常用线型及应用 （1 1）双绞线）双绞线 为了抑制电磁场对信号线的干扰，应避免使用平行电缆，可采用同轴电缆或双绞线。在控制系统中，信号传输更多地是采用双绞线。 双绞线主要分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair, STP）和非屏蔽双绞线（Unshilded Twisted Pair,UTP）。 STP的信号线外面包裹着一层金属网，在屏蔽层外面是绝缘外皮，屏蔽层可以有效地隔离外界电磁信号的干扰。UTP是目前使用频率最高的一种信号传输线，这种传输线在塑料绝缘外皮里面包裹着根信号线，每两根为一对相互缠绕，形成对。 双绞线互相缠绕的结构能够利用铜线中电流产生的电磁场

35、互相作用来抵消对邻近线路的干扰，同时也能有效地抑制来自外界的电磁干扰。双绞线越来越多地取代早期使用的、成本较高的同轴电缆。（2 2）屏蔽电缆）屏蔽电缆 防止外部干扰信号对芯线产生影响；阻止内部信号向外辐射。（3 3）同轴电缆）同轴电缆 在处理低电平信号的场合中，特别是射频信号，使用该电缆效果好。（4 4）光纤）光纤 光纤在几种线缆中传输特性最好，具有传输信号频带宽、通信容量大、信号衰减小、传输距离长等优点。 六、电源保护技术与接地技术六、电源保护技术与接地技术 、电源保护技术、电源保护技术 从工程统计分析和经验可知，工业控制系统中大部分的干扰来源于电源，因此，抑制电源干扰是控制系统的最基本要求

36、。 （1 1）电源干扰的来源）电源干扰的来源 电源干扰的来源主要有：切换感性负载产生的瞬变噪声干扰、电力线从空间引入的场型干扰、由启动大功率设备引起的瞬时电压下降的干扰、由晶闸管等设备引起电源波形畸变而产生的高次谐波干扰等。 （2 2）电源干扰的耦合途径）电源干扰的耦合途径 主要有：直接通过电源导线的耦合、经交流变压器产生的电磁耦合、由分布电容产生的电容耦合、由电源内阻产生的公共电阻耦合。（3 3）电源干扰的基本抑制方法）电源干扰的基本抑制方法 电源干扰的抑制方法主要有：使用电源滤波器；使用交流净化电源；采用电源去耦电路；采用电源变压器屏蔽措施；使用在线式UPS不间断电源；采用各单元电路分开方

37、式供电；对不同类型用电设备（动力、照明、控制设备等），采用分类供电方式；采用压敏电阻和瞬变电压抑制器等保护器件。（4 4）压敏电阻器的应用）压敏电阻器的应用 压敏电阻器是一种非线性电阻性元件，它的电阻值会随外加电压而变化，压敏电阻器可用于交流电路的过压保护。（5 5）瞬变电压抑制器的应用）瞬变电压抑制器的应用 瞬态电压抑制器也称瞬变电压抑制二极管（Transient Voltage Supperessor，TVS），是在稳压管工艺基础上发展起来的一种产品。当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度将其两端的阻抗降低，吸收一个大电流，把其两端间的电压箝制在一个预定的数值上，保护后面的

38、电路元件不因瞬态高电压冲击而损坏。 、接地技术、接地技术 接地的目的：抑制干扰、保护设备及操作人员安全。 电气设备中的接地有三类：安全接地、工作接地和屏蔽接地。安全接地、工作接地和屏蔽接地。 安全接地是指设备金属外壳与地球大地相连，以保证设备和人身安全； 工作接地是指信号回路与基准导体相连，基准导体又称参考零电位或系统地，这种接地的目的是提供稳定的参考基准电位，同时也对抗干扰有重要影响； 屏蔽接地是为电缆、变压器等屏蔽层提供接地，以抑制电场、磁场的干扰； 屏蔽接地方式有三种：屏屏蔽蔽电电缆缆接接地地、系系统统屏屏蔽蔽体体接接地地及及静电屏蔽接地。静电屏蔽接地。 机壳与安全接地、屏蔽接地与安全接

39、地相连常采用一点接地形式，信号接地形式有一点接地和多点接地。 在一点接地形式中应使用并联的一点接地，尽量避免串联的一点接地，因为串联的一点接地易引起各单元电路接地电位的差异并通过公共接地电阻的耦合，会造成相互干扰。 对于高频信号处理单元，为避免过长的连线，可采用多点接地形式，即各电路以最短的距离分别接到就近的低阻抗接地排上，低阻抗接地排可以是有较大截面积的镀银导体，也可以是印制板上的加宽地线。 七、七、WatchdogWatchdog技术技术 CPU受到干扰时，可能使程序进入“死循环”。指令的冗余技术、软件陷讲技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境，通常采用Watchdog技术（看门狗），使

40、程序脱离“死循环”。 Watchdog方法是采用定时器单元接收内部时钟提供的稳定脉冲，当定时器溢出时提出中断请求，对应的中断服务程序使CPU回到初始化程序的第一行，从而实现强制性“软复位”。 程序正常运行时，主程序每隔一定的时间（小于定时器的溢出周期）给定时器清零或置数，即可预防溢出中断而引起的误复位。 另一种方法是采用专门的Watchdog芯片，由软件对其初始化，使得每隔一定的时间会自动地发出复位信号到CPU。 只有在主程序中定时地访问Watchdog芯片，才可撤消复位信号的出现，一旦 CPU受到干扰而失控，无法定时地访Watchdog芯片，则在规定时间内 Watchdog芯片将会强制CPU

41、复位，从而脱离“死循环”。八、印制板的抗干扰措施八、印制板的抗干扰措施 、电源和去耦电容、电源和去耦电容 由于负载电流大，电源线和地线要加粗，走线尽量短。开关噪声严重，要在电源入口处，以及每片存储芯片的Vcc与GND之间接入去耦电容。 、存储器布线、存储器布线 数据线、地址线、控制线要尽量缩短（尤其是地址线），以减少对地电容。各条线的长短、布线方式应尽量一致，以免造成各线的阻抗差异过大，使地址信号传输过程中波形差异过大，形成控制信息的非同步干扰。印制板两面的三总线互相垂直，以防止总线之间的电磁干扰。 、匹配电阻、匹配电阻 总线和时钟线的始端和终端要配置合适的上拉电阻，以提高高电平噪声容限，增加

42、存储器端口在高阻状态下抗干扰能力和削弱反射波干扰。若主机的三总线需要引出，应通过三态缓冲门后再与其他扩展板相连接。这样可以有效防止外界电磁干扰。 、接插件、接插件 印制板接插件除了要考虑插拔方便，还应考虑输入端悬空造成的影响，要保证输入信号线没有连接时，输入端有上拉电阻或下拉电阻给以一定的信号值，并且输入端要有一定的限流措施和防高静电对电路的影响；在输出端有防止输出短路造成的影响，如可考虑串接一定的限流电阻。 7.3 7.3 软件的可靠性与抗干扰技术软件的可靠性与抗干扰技术 软件抗干扰技术所要考虑的有这样几个方面： 1、当干扰使运行程序发生混乱，导致程序失控或陷入死循环时，采取使程序重新纳入正

43、规的措施，如软件冗余、软件陷阱、看门狗等技术； 2、采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上噪声的影响，如数字滤波技术； 3、一旦发现错误，能及时报告，有条件时可自动纠正，这就是错误的检测和故障诊断。 主要包括存储空间分配和程序结构的设计、数字滤波技术、数据检错和纠错、数据的保护和恢复、开机自检与故障诊断等。1 1、软件冗余和软件陷阱、软件冗余和软件陷阱 在控制系统中，对于响应时间较慢的输入数据，应在有效时间内多次采集并比较；对于控制外部设备的输出数据，有时则需要多次重复执行，以确保有关信号的可靠性，这是通过软件冗余来达到的。 有时，甚至可把重要的指令设计成定时扫描模块，使其在整个程序的循环运行

44、过程中反复执行。 软件陷阱是通过执行某个指令进入特定的程序处理模块，相当于由外部中断信号引起的中断响应，一般软件陷阱有现场保护功能。 软件陷阱用于抗干扰时，首先检查是否是干扰引起的，并判断造成影响的程度，如不能恢复则强制进入复位状态，如干扰已撤消则可立即恢复执行原来的程序。2 2、数字滤波技术、数字滤波技术（1）平均法：同时采样多次取平均；（2）比较法：同时采样多次，按照规律做出取舍；（3）中值滤波：同时采样多次，取中间值作为采样值。3 3、开机自检与故障诊断、开机自检与故障诊断开机自检（1）存储器的读写功能；（2）输入输出口的读写功能；（3）设备和系统的自检。故障诊断 故障诊断最基本功能包括错误检查和错误指示。错误检查通常在各个运行模块中完成，错误显示由一个独立的模块实现。