第6章：智能仪器可靠性与抗干扰技术

第六章智能仪器可靠性与抗干扰技术第一节可靠性概述第二节可靠性设计第三节智能仪器干扰源分析第四节抑制电磁干扰的主要技术及应用第一节可靠性概述可靠率是指在规定条件下和规定时间内智能仪器完成所规定任务的成功率。R(t)=S(t)/N失效率也称瞬时失效率或称故障率，是指智能仪器运行到t时刻后单位时间内发生故障的智能仪器台数与t时刻完好智能仪器台数之比。λ(t)=N[R(t)-R(t+Δt)]/NR(t)•Δt或λ=γ/Tγ:仪器失效数；T：仪器运行台数与其运行时间的乘积一、可靠性的基本概念tetR)(早期故障期耗损故障期偶然故障期λ(t)(失效率)使用寿命规定的失效率abt(时间)(a)经典浴盆曲线0λ(t)(失效率)使用寿命期0t(时间)(b)新浴盆曲线初始期衰老期仪器的失效率特性曲线平均故障间隔时间MTBF或称为平均无故障时间(亦称故障前平均时间)MTTF。前者用来描述可修复的仪器；后者用于描述不可修复的仪器。一般情况下，都用MTBF来表示，它与可靠率R(t)之间的关系为11)(000ttedtedttRMTBFMTBFteetR/)()]([ln1tRtMTBF平均修复时间和可用性NiitNMTTR11MTTRMTBFMTBFA可靠性与经济性维修费用可靠率费用总费用使用费用可靠率与经济性的关系二、可靠性的总体考虑（一）设计过程1．系统设计的进程分析设计任务分析提出可靠性方案比较、确定软件设计硬件设计测试、考验试运行设想措施可靠性分析软件措施硬件措施故障评估分析改进措施系统设计进程可靠性考虑方案设想2．生产及使用过程记录故障，定期总结分析。如为设计错误则重新设计。（二）、可靠性的分配方法★均等分配法★航空无线电公司分配法①达到的目标是满足下式：②根据先验知识预计每个分系统的失效率λi③计算加权因子Wr。加权因子由下式计算：④对每一个分系统分配失效率niiRR1Niirrw1nii1riw举例：一个系统由3个分系统组成。已知3个分系统的失效率分别为：λ1=0.003，λ2=0.001，λ3=0.004。该系统20h的可靠度规定为0.9，试利用上述方法进行可靠性分配。第二节可靠性设计一、硬件可靠性设计（一）影响仪器可靠性的因素◇元器件的可靠性(使用值与额定值)◇工艺（焊接与插接、自动化程度、工人的技术等等）◇电路结构（元器件数量、集成程度）◇环境因素（温度、太阳辐射、振动）◇人为因素（设计思路、其他错误）使用值额定值λ(t)12（二）提高仪器可靠性的措施◆元器件的选择（电阻器、电容器、集成电路芯片）◆筛选对所用元器件工作在额定的电气条件下，甚至工作在某些极限的条件下，再加上其他外应力，如高温、高湿、振动、拉偏电压等应力下、连续工作数百小时。对它们进行测试，从中选出合格者◆降额使用使元器件在低于它的额定条件下工作◆可靠的电路设计采用简化设计，采用标准器件，增加瞬态及过应力保护、减少电路设计中的误差和错误◆冗余设计包括并联系统和串联系统两种形式并联、串联系统并联系统的可靠度Rp为miiPRR1)1(1miiSRR1串联系统的可靠度RS为11121n……21222n…m1m2mn………串并联系统串并联系统的可靠度为mjniijPSRR11)1(111121n…21222n…m1m2mn……并串联系统并串联系统的可靠度RSP为])1(1[11njmiijSPRR◆环境设计温度保护;冲击振动保护;电磁干扰保护;其他环境方面的保护（粉尘、腐蚀等等）◆人为因素设计设计时人为因素考虑不周，造成日后仪器故障频频发生。◆对仪器进行可靠性试验包括：天然暴露试验、高温试验、低温试验、潮湿试验、腐蚀试验、防尘试验、机械试验(包括振动、碰撞、自由跌落与加速度试验)、雷击试验、防爆试验和电磁干扰试验等二、软件可靠性设计（一）软件的可靠性模型▲时间模型•可靠性增长模型•公理模型软件故障数软件模型▲数据模型如果10iY如果)()(iieFeF)()('iieFeFnnPRnR)1()(11nieEi,,2,1:)()(:'jjjieeFeFEeeE且EEeP/1EEePR/1111niiiPYP11)(（二）提高软件可靠性的方法认真地进行规范设计可靠的程序设计方法包括递归程序设计和结构化程序设计等技术程序验证技术包括程序正确性证明、程序的自动证明和程序测试技术提高软件设计人员的素质消除干扰有平滑滤波、脉冲宽度识别、设置软件陷阱等方法增加试运行时间补充材料：软件的抗干扰设计常用的软件抗干扰技术有软件陷阱、时间冗余、指令冗余、空间冗余、容错技术、设置特征标志和软件数字滤波等（1）实时数据采集系统的软件抗干扰采用软件数字滤波。常用的方法有以下几种：①算术平均值法：对一点数据连续采样多次（可取3～5次），以平均值作为该点的采样结果。这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。②比较舍取法：对每个采样点连续采样几次，根据所采样数据的变化规律，确定取舍办法来剔除偏差数据。例如，“采三取二”，即对每个采样点连续采样三次，取两次相同数据作为采样结果。③中值法：对一个采样点连续采集多个信号，并对这些采样值进行比较，取中值作为该点的采样结果。④一阶递推数字滤波法：利用软件完成RC低通滤波器的算法。其公式为：Yn=QXn+（1－Q）Yn－1其中：Q——数字滤波器时间常数；Xn——第n次采样时的滤波器的输入；Yn－1——第n－1次采样时的滤波器的输出。Yn——第n次采样时的滤波器的输出。注意：选取何种方法必须根据信号的变化规律予以确定。（2）开关量控制系统的软件抗干扰可采取软件冗余、设置当前输出状态寄存单元、设置自检程序等软件抗干扰措施。（3）．程序运行失常的软件对策程序运行失常：当系统受到干扰侵害，致使程序计数器PC值改变，造成程序的无序运行，甚至进入死循环。程序运行失常的软件对策：发现失常状态后，及时引导系统恢复原始状态。可采用以下方法：（1）程序监视定时器（Watchdag，WDT）技术程序监视定时器（也称为“看门狗”）的作用：通过不断监视程序每周期的运行事件是否超过正常状态下所需要的时间，从而判断程序是否进入了“死循环”，并对进入“死循环”的程序作出系统复位处理。“看门狗”技术：可由硬件、软件或软硬结合实现。①硬件“看门狗”可以很好地解决主程序陷入死循环的故障，但是，严重的干扰有时会出现中断关闭故障使系统无法定时“喂狗”，无法探测到这种故障，硬件“看门狗”电路失效。89S51看门狗功能的使用方法在ATMEL的89S51系列的89S51与89C51功能相同。指令兼容。HEX程序无需任何转换可以直接使用。89S51只比89C51增加了一个看门狗功能。89S51的其它功能可以参见89C51的资料。看门狗具体使用方法如下：在程序初始化中向看门狗寄存器（WDTRST地址是0A6H）中先写入01EH，再写入0E1H。即可激活看门狗。Org0000LjmpbeginBegin:Mov0A6H,#01EH;先送1EMov0A6H,#0E1H;后送E1；在程序初始化中激活看门狗。…………For:……Mov0A6H,#01EH;先送1EMov0A6H,#0E1H;后送E1;喂狗指令……Ljmpfor注意事项：1．89S51的看门狗必须由程序激活后才开始工作。所以必须保证CPU有可靠的上电复位。否则看门狗也无法工作。2．看门狗使用的是CPU的晶振。在晶振停振的时候看门狗也无效。3．89S51只有14位计数器。在16383个机器周期内必须至少喂狗一次。而且这个时间是固定的，无法更改。当晶振为12M时每16个毫秒需喂狗一次。还可以利用定时器把看门狗的喂狗时间延长几秒至几分钟。②软件“看门狗”可以保证对中断关闭故障的发现和处理，但若单片机的死循环发生在某个高优先级的中断服务程序中，软件“看门狗”也无法完成其作用。③利用软硬结合的“看门狗”组合可以克服单一“看门狗”功能的缺陷，从而实现对故障的全方位监控。（2）设置软件陷阱软件陷阱：指将捕获的“跑飞”程序引向复位入口地址0000H的指令。设置方法：①在EPROM中，非程序区设置软件陷阱，软件陷阱一般1KB空间有2～3个就可以进行有效拦截。指令如下：NOPNOPLJMP0000H②在未使用的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。指令如下：NOPNOPRETI（3）指令冗余技术指令冗余：在程序的关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写，称为指令冗余。作用：可将“跑飞”程序纳入正轨。设置方法：通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使程序“跑飞”到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当做操作数执行，程序自动纳入正轨。此外，对系统流向起重要作用的指令（如RET，RETI，LCALL，LJMP，JC等指令）之前也可插入两条NOP指令，确保这些重要指令的执行。第三节智能仪器干扰源分析一、干扰与噪声①噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常工作才形成干扰。②噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。③干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。二、分类干扰的类型机械干扰（振动、冲击）热干扰（温度变化）光干扰（半导体的本征激发）湿度干扰化学干扰（化学腐蚀）电和磁干扰（最为普遍和严重）射线辐射干扰电磁干扰的分类从噪声产生的来源分类1)固有噪声源2)人为噪声源3)自然噪声源和放电噪声从干扰的表现形式分类1)规则干扰2)不规则干扰3)随机干扰从干扰出现的区域分类1)内部干扰2)外部干扰从干扰对电路作用的形式分类1)差模干扰2)共模干扰3)共模干扰抑制比三、噪声形成干扰作用的三要素噪声源耦合通道接收电路噪声源形成干扰必需同时具备三个要素，即噪声源、有对噪声敏感的接收电路和两者之间的耦合通道。三要素之间联系如下图所示。四、噪声的耦合方式◆电容性耦合～ZiCmENUNABnimimNEZCjZCjU1NimNEZCjU◆互感耦合NNMIjUUNMIN◆共阻抗耦合•电源内阻抗的共阻抗耦合•公共地线的耦合•信号输出电路的相互干扰◆漏电耦合NimiNEZRZUUN～RmENBAZi◆传导耦合◆辐射电磁场耦合传导耦合是指经导线检拾到噪声，再经它传输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。大功率的高频电气设备，广播、电视、通信发射台等，不断地向外发射电磁波。智能仪器若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路就形成干扰。第四节抑制电磁干扰的主要技术及应用一、抑制电磁干扰的基本方法o消除或抑制噪声源从根本上消除或减小干扰o破坏干扰的耦合通道o消除接收电路对干扰的敏感性o采用软件抑制干扰二、抑制电磁干扰的基本措施1、屏蔽：静电屏蔽；电磁屏蔽；低频磁屏蔽★静电屏蔽+Q+Q+QAAABB★电磁屏蔽ieΦeΦN★低频磁屏蔽2、接地★接地的目的与作用●保证人身和设备安全的需要●抑制干扰的需要★地线的种类●安全地线●信号源地线●信号地线●负载地线●屏蔽层地线★各种地线的处理原则●低频电路的一点接地原则●高频电路的多点接地原则●强电地线与信号地线分开设置●模拟信号地线与数字信号地分开设置★接地方法●埋设铜板●接地棒●网状(辐射状)地线3、浮置又称浮空、浮接，是指智能仪器的输入信号的公共线(即模拟信号地)不接机壳或大地，测量放大器与机壳或大地之间无直接联系。浮置的目的在于阻断干扰电流的通路。显示测量RHRLRS0.1ΩRC0.1ΩEcm1k1k～C1C2C34、对称电路RS1RS2US2US1RL1RL2UN2UN1IN2IN1ULIS5、隔