計算機控制技術(shù)與應(yīng)用-CH06

計算機控制技術(shù)與應(yīng)用-CH06第一頁，共58頁。6.1可靠性與抗干擾技術(shù)的基本概念6.1.1可靠性的概念6.1.2電磁兼容性6.1.3噪聲的分類和耦合方式6.1.4控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計的基本途徑2第二頁，共58頁。6.1.1.可靠性可靠性（Reliability）定義控制系統(tǒng)的可靠性通常是指在一定條件下，在規(guī)定時間段完成規(guī)定功能的能力。要素條件時間功能可靠性條件功能時間3第三頁，共58頁。6.1.1.可靠性條件環(huán)境條件、工作條件、操作和維護條件時間可靠性的基本參量和度量可靠度、失效率、平均故障間隔時間（MTBF：MeanTimeBetweenFailures）平均維護時間（MTTR：MeanTimetoRepair）等。功能任務(wù)目標和性能指標4第四頁，共58頁。6.1.1.可靠性2.錯誤（Error）和故障（Failure）錯誤（Error）瞬時性的、功能上出現(xiàn)偏差的異常狀態(tài);錯誤不經(jīng)停機修理也可恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；故障（Failure）固定性的、功能部件其必要操作能力消失的異常狀態(tài);故障只有通過修理才能恢復(fù)到正常狀態(tài)。5第五頁，共58頁。6.1.1.可靠性對待錯誤的態(tài)度錯誤的發(fā)生是難免，但并不可怕?？膳碌氖前l(fā)生了錯誤，系統(tǒng)仍一無所知。錯誤的自動檢測、糾正和指示，對控制系統(tǒng)來說非常重要。對待故障的態(tài)度合理設(shè)計結(jié)構(gòu)，選擇優(yōu)質(zhì)部件，減少故障發(fā)生；對可以預(yù)見的故障，應(yīng)定期檢查或更換關(guān)鍵元件和部件對不可避免的故障，應(yīng)盡快恢復(fù)系統(tǒng)正常工作。態(tài)度6第六頁，共58頁。6.1.1.可靠性故障分類早期故障由于元器件質(zhì)量差，軟件、硬件設(shè)計欠完善等原因所造成的;耗損故障由于元器件使用壽命已到所致。偶發(fā)故障通常發(fā)生于早期故障和耗損故障之間;是隨機發(fā)生的、難以預(yù)見。先天不足？年老體衰？意外事故？7第七頁，共58頁。6.1.2.電磁兼容性EMC電磁兼容性的概念電磁兼容性（EMC：ElectromagneticCompatibility）并非指電與磁之間的兼容，而是指在不損害信號所含信息的條件下，信號和干擾能夠共存的程度。國際電工委員會(IEC)對EMC的定義是：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。8第八頁，共58頁。觀念6.1.2.電磁兼容性EMC傳統(tǒng)的觀念控制系統(tǒng)為保證其正常工作，必須有較強的抗電磁干擾能力，但往往忽略了其本身的許多部件也是產(chǎn)生電磁干擾的發(fā)射源。文明的觀念潔身設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁騷擾，不應(yīng)對周圍設(shè)備造成不能承受的干擾，也不應(yīng)對周圍環(huán)境造成不能承受的“污染”；自保設(shè)備或系統(tǒng)對來自周圍環(huán)境中的電磁干擾，應(yīng)具有足夠的抗御能力。9第九頁，共58頁。6.1.2.電磁兼容性EMC電磁兼容標準CE認證歐共體成員國關(guān)于EMC法律性指令（89／336／EEC指令）要求所有投放市場的電工電子產(chǎn)品，均要求進行EMC認證。認證合格后，貼上CE標志。FCC認證美國聯(lián)邦通信委員會（FederalcommunicationsCommission，簡稱FCC）頒布了一系列有關(guān)EMC的法規(guī)，并進行這方面的管理，對于通信發(fā)射機、接收機、電視機、計算機、各種醫(yī)療設(shè)備均有相應(yīng)的法律要求。10第十頁，共58頁。6.1.2.電磁兼容性EMCEMC的4要素（產(chǎn)生干擾的必要條件）噪聲的發(fā)生（即有噪聲源的存在）噪聲的接收（即有受擾體的存在）噪聲的傳播（即有耦合途徑的存在）以及上述三者在時間上的一致性。11第十一頁，共58頁。6.1.3噪聲的分類和耦合方式1.噪聲分類(1).按噪聲產(chǎn)生的位置分類按噪聲產(chǎn)生的位置可分內(nèi)部噪聲和外部噪聲。(2).按噪聲產(chǎn)生的原因分類噪聲產(chǎn)生的原因非常多，按其分類有熱噪聲、接觸噪聲、放電噪聲、高頻振蕩噪聲、感應(yīng)噪聲、反射噪聲、浪涌噪聲、輻射噪聲等。(3).按噪聲傳導(dǎo)模式分類按噪聲傳導(dǎo)模式可分為常模噪聲和共模噪聲。常模噪聲又稱差動噪聲、串模噪聲、橫向噪聲、線間感應(yīng)噪聲或?qū)ΨQ噪聲等.(4).按噪聲波形分類典型的噪聲波形有連續(xù)的正弦波、偶發(fā)的脈沖波、周期性的脈沖波.12第十二頁，共58頁。6.1.3噪聲的分類和耦合方式常模噪聲常模噪聲又稱差動噪聲、串模噪聲、橫向噪聲、線間感應(yīng)噪聲和對稱噪聲等；常模噪聲與有用信號串在一起，較難清除;當噪聲的頻率范圍與有用信號相差較大時，可采用濾波方法來抑制。13第十三頁，共58頁。6.1.3噪聲的分類和耦合方式共模噪聲共模噪聲又稱地感應(yīng)噪聲、縱向噪聲或不對稱噪聲。抑制共模噪聲的方法較多，如隔離、屏蔽、接地等。14第十四頁，共58頁。6.1.3噪聲的分類和耦合方式2.噪聲的耦合方式(1).公共阻抗耦合(2).直接耦合15第十五頁，共58頁。6.1.3噪聲的分類和耦合方式2.噪聲的耦合方式(3).電容耦合(4).電磁感應(yīng)耦合16第十六頁，共58頁。6.1.3噪聲的分類和耦合方式2.噪聲的耦合方式(5).漏電耦合(6).輻射耦合17第十七頁，共58頁。6.1.4.控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計的基本途徑1.提高元器件和部件的可靠性2.合理設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.采用抗干擾技術(shù)被動措施4.采用可靠性技術(shù)主動措施18第十八頁，共58頁。6.2硬件的可靠性與抗干擾技術(shù)6.2.1元器件與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.2.2濾波與去耦電路6.2.3隔離與屏蔽技術(shù)6.2.4電源干擾的抑制與接地技術(shù)6.2.5停電保護和熱插拔技術(shù)6.2.6Watchdog技術(shù)6.2.7印制板的抗干擾措施19第十九頁，共58頁。6.2.1.元器件與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.提高元器件和部件的可靠性查明機理，分析原因；掌握性能，合理選用；建立模型，有效篩選；加強集成，減少分立。2.合理設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解系統(tǒng)功能、干擾連接系統(tǒng)維護、更換20第二十頁，共58頁。6.2.2.濾波與去耦電路1.濾波電路(1).抑制信號處理電路中干擾的濾波電路RC低通濾波器21第二十一頁，共58頁。6.2.2.濾波與去耦電路1.濾波電路(1).抑制信號處理電路中干擾的濾波電路濾波器的對稱結(jié)構(gòu)雙T濾波器22第二十二頁，共58頁。6.2.2.濾波與去耦電路1.濾波電路(1).抑制信號處理電路中干擾的濾波電路濾波器的串聯(lián)23第二十三頁，共58頁。6.2.2.濾波與去耦電路1.濾波電路(2).抑制電源高頻干擾的濾波電路。24第二十四頁，共58頁。6.2.2.濾波與去耦電路1.濾波電路(2).抑制電源高頻干擾的濾波電路。25第二十五頁，共58頁。6.2.2.濾波與去耦電路2.去耦電路許多信號處理電路，特別是數(shù)字電路在電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的尖峰電流;并在共用電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降，形成干擾信號。為抑制這種干擾，可采用去耦電路（decouplingcircuit），也稱退耦電路.去耦電路一方面提供或吸收電路尖峰電流的能量，濾去由此產(chǎn)生的高頻干擾，另一方面也可濾去電源中的交流紋波干擾。26第二十六頁，共58頁。6.2.2.濾波與去耦電路2.去耦電路27第二十七頁，共58頁。6.2.3.隔離與屏蔽技術(shù)1.隔離技術(shù)原理切斷噪聲源與受擾體之間電氣連接。目的抑制信號之間的干擾、電源之間的干擾，保證設(shè)備和操作人員的安全方式光電隔離繼電器隔離變壓器隔離布線隔離。28第二十八頁，共58頁。6.2.3.隔離與屏蔽技術(shù)(1)光電隔離主要用于信號的隔離29第二十九頁，共58頁。6.2.3.隔離與屏蔽技術(shù)(2)繼電器隔離有信號隔離、功率驅(qū)動、延時、鎖存等功能30第三十頁，共58頁。6.2.3.隔離與屏蔽技術(shù)(3)變壓器隔離可隔離直流信號，能對信號和電源進行隔離?？蓚鬏敻哳l多值電平信號，可用于通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。31第三十一頁，共58頁。6.2.3.隔離與屏蔽技術(shù)(4).布線隔離使小信號處理電路在空間距離上盡可能遠離噪聲源。但在有限的空間內(nèi)，有時難以靠布線來隔離，這時就需要使用屏蔽技術(shù)。32第三十二頁，共58頁。6.2.3.隔離與屏蔽技術(shù)2.屏蔽技術(shù)原理運用各種導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料，制造成各種殼體，切斷電場、磁場和電磁場以切斷通過空間的靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場耦合形成的電磁噪聲傳播途徑。方式電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁屏蔽33第三十三頁，共58頁。6.2.3.隔離與屏蔽技術(shù)電場屏蔽基于靜電屏蔽原理；使用導(dǎo)電的材料作屏蔽體磁場屏蔽類似于電場屏蔽使用導(dǎo)磁率高的材料作屏蔽體空心導(dǎo)體外部電力線內(nèi)部電力線內(nèi)部電力線空心導(dǎo)體空心導(dǎo)體34第三十四頁，共58頁。6.2.3.隔離與屏蔽技術(shù)電磁屏蔽電磁場屏蔽可采用電場或磁場屏蔽罩信號傳輸更多地是采用雙絞線綠白綠橙白橙藍白藍棕白棕綠導(dǎo)線1對雙絞線拉線護套護套綠4對雙絞線拉線35第三十五頁，共58頁。6.2.4.電源干擾的抑制與接地技術(shù)1.電源干擾的抑制(1).電源干擾的來源(2).電源干擾的耦合途徑(3).電源干擾的基本抑制方法(4).壓敏電阻器的應(yīng)用(5).瞬變電壓抑制器的應(yīng)用（TVS）36第三十六頁，共58頁。6.2.4.電源干擾的抑制與接地技術(shù)2.接地技術(shù)安全接地是指設(shè)備金屬外殼與地球大地相連，以保證設(shè)備和人身安全。信號接地是指信號回路與基準導(dǎo)體相連，基準導(dǎo)體又稱參考零電位、系統(tǒng)地，這種接地的目的是提供穩(wěn)定的參考基準電位，同時也對抗干擾有重要影響。屏蔽接地是為電纜、變壓器等屏蔽層提供接地，以抑制電場、磁場的干擾。37第三十七頁，共58頁。6.2.4.電源干擾的抑制與接地技術(shù)信號電路的一點接地和多點接地38第三十八頁，共58頁。6.2.5.停電保護和熱插拔技術(shù)1.停電保護(1).具有停電保護功能的數(shù)據(jù)存儲器(2).停電檢測電路2.熱插拔技術(shù)許多控制系統(tǒng)為維護和擴展需要，常采用背板加板卡結(jié)構(gòu)。主要解決如何抑制瞬態(tài)電流的問題。39第三十九頁，共58頁。6.2.5.停電保護和熱插拔技術(shù)熱插拔技術(shù)舉例40第四十頁，共58頁。6.2.6.Watchdog技術(shù)Watchdog提出原因CPU受到干擾時，會引起程序執(zhí)行的混亂，也可能使程序進入“死循環(huán)”。指令的冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，通常采用Watchdog技術(shù)（即程序監(jiān)視技術(shù)，俗稱“看門狗”技術(shù)），使程序脫離“死循環(huán)”。Watchdog常需要硬件與軟件的配合。41第四十一頁，共58頁。6.2.6.Watchdog技術(shù)Watchdog實例42第四十二頁，共58頁。6.2.7印制板的抗干擾措施1.電源和去耦電容2.存儲器布線3.匹配電阻4.接插件43第四十三頁，共58頁。6.3軟件的可靠性與抗干擾技術(shù)6.3.1存儲空間分配和程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計6.3.2數(shù)字濾波技術(shù)6.3.3數(shù)據(jù)的檢錯和糾錯6.3.4開機自檢與故障診斷44第四十四頁，共58頁。6.3.1.存儲空間分配和程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計1.硬復(fù)位和軟復(fù)位后者與前者的一個重要區(qū)別是否對一些專用的數(shù)據(jù)區(qū)進行初始化。2.軟件冗余和軟件陷阱3.程序存儲器中的數(shù)據(jù)隔離4.初始化的考慮45第四十五頁，共58頁。6.3.2.數(shù)字濾波技術(shù)1.基于程序邏輯判斷的方法(1).平均法①.基本算術(shù)平均法②.遞推平均濾波法③.遞推加權(quán)平均值濾波法④.抑制脈沖的算術(shù)平均法(2).比較法①.“3中取2法”②.限幅限速濾波法46第四十六頁，共58頁。6.3.2.數(shù)字濾波技術(shù)2.基于模擬濾波器的方法根據(jù)模擬濾波器的傳遞函數(shù)D(s)求出相應(yīng)的Z傳遞函數(shù)D(z)然后通過具體算法來實現(xiàn)。47第四十七頁，共58頁。6.3.3.數(shù)據(jù)的檢錯和糾錯原理數(shù)據(jù)冗余方法簡單技術(shù)少數(shù)服從多數(shù)編碼技術(shù)檢錯編碼糾錯編碼48第四十八頁，共58頁。6.3.4.開機自檢與故障診斷1.開機自檢(1).存儲器的讀寫功能。(2).輸入輸出口的讀寫功能。(3).設(shè)備和系統(tǒng)的自檢2.故障診斷錯誤描述錯誤位置49第四十九頁，共58頁。本章小結(jié)可靠性包含兩層含義：一是系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)盡可能減少錯誤和故障的發(fā)生；二是發(fā)生了錯誤和故障后能迅速進行維修，盡快恢復(fù)正常工作.電磁兼容性(EMC)的4個要素噪聲的發(fā)生、噪聲的接收、噪聲的傳播以及上述三者在時間上的一致性。50第五十頁，共58頁。本章小結(jié)噪聲的種類按噪聲產(chǎn)生的位置、原因、傳導(dǎo)模式以及波形多種分類方法。按傳導(dǎo)模式可分為串模噪聲和共模噪聲噪聲的耦合方式公共阻抗耦合、直接耦合、電容耦合、電磁感應(yīng)耦合、漏電耦合和輻射耦合等。51第五十一頁，共58頁。本章小結(jié)控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計的基本途徑提高元器件和部件的可靠性合理設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的抗干擾