第六章 微机系统的可靠性设计 浙江大学光电系 王晓萍
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第六章 微机系统的可靠性设计 浙江大学光电系 王晓萍. 第六章 微机系统的可靠性设计. 6.1 随机误差处理方法 6.1.1 限幅滤波 6.1.2 中位值滤波 6.1.3 算术平均滤波 6.1.4 去极值平均滤波 6.1.5 移动平均滤波（递推平均滤波） 6.1.6 加权平均滤波 6.1.7 低通滤波 6.1.8 复合滤波. 6.2 硬件抗干扰技术 6.2.1 电源的抗干扰措施 6.2.2 输入输出通道的抗干扰 6.2.3 接地系统 6.2.4 数字电路抗干扰 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
第六章 微机系统的可靠性设计浙江大学光电系
王晓萍
第六章 微机系统的可靠性设计6.1 随机误差处理方法 6.1.1 限幅滤波 6.1.2 中位值滤波 6.1.3 算术平均滤波 6.1.4 去极值平均滤波 6.1.5 移动平均滤波（递推平均滤波） 6.1.6 加权平均滤波 6.1.7 低通滤波 6.1.8 复合滤波
6.2 硬件抗干扰技术 6.2.1 电源的抗干扰措施 6.2.2 输入输出通道的抗干扰 6.2.3 接地系统 6.2.4 数字电路抗干扰6.3 软件抗干扰技术 6.3.1 数字量输入输出的软件抗干扰 6.3.2 程序执行过程中的软件抗干扰
6.1 随机误差处理方法 因随机干扰引入的误差称为随机误差。随机误差没有规律，不可预测，但当测量次
数足够多时，总体服从统计规律，大多数服从正态分布。 采用数字滤波方法可以有效地抑制信号中的干扰成分，消除随机误差。 数字滤波是通过一定的计算程序，对采集的数据进行某种处理，从而消除或减弱干
扰噪声的影响，提高测量的可靠性和精度。 数字滤波的优点： （ 1 ）节省硬件成本：软件实现的滤波程序可用于多处和许多通道，大大节省硬件
成本。 （ 2 ）可靠稳定：软件滤波不需要阻抗匹配，没有硬件故障。 （ 3 ）功能强：数字滤波可以对频率很高或很低的信号进行滤波，这是模拟滤波器
难以实现的。数字滤波的滤波手段有很多种，而模拟滤波只局限于频率滤波，即利用干扰与信号的频率差异进行滤波。
（ 4 ）方便灵活：只要改变软件滤波程序的参数，即可方便地改变滤波功能。
6.1.1 限幅滤波
对于随机脉冲干扰，或测量信号的严重失真，可以采用限幅滤波。 基本方法：比较相邻（ n 和 n-1 时刻）的两个采样值 yn和 yn-1 ；根据经
验确定两次采样允许的最大偏差△ y 。 若： |yn－ yn-1 | >△y ，认为发生了随机干扰，剔除 yn，用 yn-1 代替 yn。
反之，认为本次采样值有效。 关键问题：△ y的确定；与信号的变化速度有关。 通常按照信号可能的最大变化速度 Vmax及采样周期 T 来决定。
TVy max
6.1.2 中位值滤波
中位值滤波是对某一被测参数连续采样 n次（一般 n取奇数），然后把 n 次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。
中位值滤波有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等脉冲干扰。
适用于缓慢信号，如温度、液位等； 对于流量、压力等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤
波。
6.1.3 算术平均滤波 算术平均滤波思路：按输入的 N个采样数据，寻找这样一个 y，使 y
与各采样值之间的偏差的平方和最小，即使
由一元函数求极值的原理，可得
算术平均滤波适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。 算术平均滤波法对信号的平滑程度完全取决于 N 。当 N 较大时，平滑
度高，但灵敏度低；当 N 较小时，平滑度低，但灵敏度高。 对于缓变信号如流量，常取 N=12 ； 对于交快速变化的信号， N不能取大，如压力取 N=4 。
N
iixyE
1
2)(min
n
IixN
y1
1
6.1.4 去极值平均滤波
算术平均滤波对抑制随机干扰效果较好，但对脉冲干扰的抑制能力弱，明显的脉冲干扰会使平均值远离实际值。而中位值滤波对脉冲干扰的抑制却非常有效，因而可以将两者结合起来形成去极值平均滤波。
去极值平均滤波：连续采样 N 次，去掉一个最大值，去掉一个最小值，再求余下 N-2 个采样值的平均值。
6.1.5 移动平均滤波（递推平均滤波） 算术平均滤波需要连续采样若干次后，才能获得一个有效的数据，速度
较慢；可采用移动平均滤波。 移动平均滤波 : 在 RAM 中建立一个数据缓冲区，依次存放 N 次采样数
据，每采进一个新数据，就将最早采集的数据去掉，再求出当前 RAM
缓冲区中的 N 个数据的算术平均值。因此每采样一次，就可得到一个平均值，大大加快数据处理的能力。
移动（递推）平均滤波算法的数学表达式为：
yn为第 n次采样值经滤波后的输出； 与算术平均滤波相同，递推平均滤波法不适用于脉冲干扰比较严重的场
合，而适用于高频振荡的系统，能有效抑制周期性的随机干扰。
1
0
1 N
iinn x
Ny
6.1.6 加权平均滤波 在算术平均滤波和递推平均滤波中， N 次采样值的输出结果中的权重是
均等的，即 1/N 。 这种滤波算法，对于时变信号会引入滞后。 N越大，滞后越严重。为了增加新采样数据在递推平均中的权重，以提高系统的响应速度，可采用加权递推平均滤波算法，即不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近现时刻的数据，权取得越大。 N项加权递推平均滤波算法为：
式中， C0 ， C1 ，…， CN-1 为常数，且满足如下条件：
1
0
1 N
iinin xC
Ny
0
1
110
110
N
N
CCC
CCC
6.1.7 低通滤波（一阶惯性滤波）
差分方程为：
yn为第 n次采样值经滤波后输出。 xn为未经滤波的第 n次采样值； yn－ 1为第 n－ 1次输出； 取不同的 a、 b ，可得到不同的滤波特性。
1 nnn byaxy
6.1.8 复合滤波
在实际应用中，所面临的随机扰动往往不是单一的，既有脉冲干扰，又有随机干扰。因此，常把前面所介绍的两种以上的方法结合起来使用，形成复合滤波。
例如，防脉冲扰动平均值滤波算法：先用去极值滤波算法滤掉采样值中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行递推平均滤波或加权平均滤波等。
6.2 硬件的抗干扰技术
6.2.1 电源的抗干扰措施 6.2.2 输入输出通道的抗干扰 6.2.3 接地系统 6.2.4 数字电路抗干扰
6.2.1 电源的抗干扰措施 供电电源的波动，谐波分量，大设备产生的尖峰电压等是始终存在的，
为了防止或减少从电源系统引入干扰，可采用以下措施： 1.交流稳压器：
2.隔离变压器：高频噪声主要是通过初、次级之间的寄生电容耦合。隔离变压器在初级和次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以减少耦合。
6.2.1 电源的抗干扰措施 3. 低通滤波器：电源系统的干扰源大部分是高次谐波，因此可设计 50HZ 的低通滤波器。一般用 LC 滤波。
4. 采用分散独立功能块供电：在每个系统功能模块上用一片或几片“稳压块”，形成独立的供电系统。
在每块模块的电源引入处，并接一个 100F 或以上的大电容和 0.01～ 0.1F 的瓷片电容，防止板与板之间的干扰。
电源部分主要采用隔离、滤波技术。
6.2.2 输入输出通道的抗干扰
开关量输入输出通道和模拟量输入输出通道，都是引入干扰的渠道。为了保证输入、输出传输的可靠性，主要的措施有光电耦合隔离、双绞线传输和长线的电流传输等。
1. 光电隔离：将前向、后向通道与主机部分的联系切断，能有效的防止干扰从过程通道进入主机。
光耦的主要优点是能有效的抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而提高信躁比。
Vcc
V ＋
V+
VCC
光电耦合器
光电耦合器的隔离作用
6.2.2 输入输出通道的抗干扰
2.双绞线传输：在长线传输中，双绞线是较常用的一种传输线。双绞线能使各个小环路的电磁互感干扰相互抵消。
3.长线的电流传输： 长线传输时，用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗
干扰能力。
6.2.3 接地系统 微机系统中地线结构大致有机壳地（屏蔽地）、数字地、模
拟地等。正确接地是仪器系统抑制干扰的一个重要方面。在设计中若能把接地和屏蔽正确地结合起来使用，可解决大部分干扰问题。
1．单点接地和多点接地选择：一般高频电路应就近多点接地，因为工作频率 >10MHZ 时，地线阻抗变得很大（因为地线上具有电感），降低地线阻抗，可采用多点接地方式。
对于低频信号应一点接地，这时电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而屏蔽线采用一点接地。
6.2.3 接地系统 2. 数字、模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使他们尽量分开，两者的地线不要相混，分别与各自的电源地线相连。要尽量加大线性电路地接地面积。
3. 功率地同信号地不能共用。流过功率地的电流较大，会有数 mv 电压，会严重干扰微弱信号电路。因此信号地与功率地分开。
4.屏蔽地（或机壳地）：一般接大地，可以解决分布电容、辐射干扰、磁感应等干扰。
5. 接地线应尽量加粗。若接地用线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使信号电平不稳，抗噪声性能变坏。地线尽量宽些，一般在 2～ 3
mm 以上。 6. 接地线构成闭环路。根据经验，将接地电路做成闭路可以有效地提高
抗干扰能力。
6.2.4 数字电路抗干扰 1. 去耦电容配置 数字集成电路在输出状态翻转时，其工作电流的变化很大。对于有的数
字集成块（图腾柱输出结构的 TTL 电路），在状态转化约 15ns 的瞬间，约有 30mA左右的冲击电流输出，冲击电流是宽度为 15ns 的三角波。因此含有十分高的频率成分，它在印制线的阻抗上产生尖峰噪声电压。随着制板密度的提高和集成电路集成度的提高，一块板上可能会有几十个门电路同时翻转，因此这种冲击电流会很大，这就会引起电源电压的不稳定。
因为这种电流变化的时间只有 15ns ， 很大。对于这种电流变化， 稳压电源是难以稳定调节的。一般稳压电源的稳压能力只取决于误差放
大器的性能，其频率特性只达 10KHZ 。
di
dt
、 、… . 是同一时间内集成电路输出从 0到 1 变化时，在总地线返回线上流过的冲击电流，从而产生尖峰噪声电压。
对于集成电路开关工作时产生的电流突变，可以在集成电路附近加接旁路电容将其抑制。
1i 2i ni
Vcc
6.2.4 数字电路抗干扰
6.2.4 数字电路抗干扰
在电路中加上适当的旁路电容，频率成分很高的冲击电流被旁路电容吸收，形成一个小环路，因此尖峰电流对整个回路的影响被大大减少。一般在一个集成块旁接一个 0.01uF～ 0.1uF
的电容，称去耦电容。
Vcc
6.2.4 数字电路抗干扰
2. 合理布线 印刷电路板大小要适中，过大时，印刷线变长，阻抗增加，抗噪
声能力下降，成本也变高。线路板过小，则散热不好，同时易受邻近线条干扰。
器件布置方面，应把相互有关的器件尽量放的近些，能获得较好的抗干扰效果。时钟发生器，晶振和 CPU 的时钟等均是电路板的干扰源，要尽量远离其他电路，就近连接到相关电路。
开关量信号、大电流信号应尽量远离计算机逻辑电路，对于大系统分模板设计。
6.3 软件的抗干扰技术
6.3.1 数字量输入输出的软件抗干扰 硬件抗干扰措施的目的是尽可能切断干扰进入仪器的通道，
是十分必要的。但是由于干扰存在的随机性，尤其是在恶劣环境下工作的仪表，尽管采用了硬件抗干扰措施，并不能将各种干扰拒之门外。这时就应该发挥智能仪器中单片机在软件编程方面的灵活性，采用各种软件抗干扰措施，与硬件措施相结合，提高仪器的可靠性。
6.3.1 数字量输入输出的软件抗干扰
1. 数字量输入通道中的软件抗干扰：对开关量信号，进行若干次采样，其结果应该完全一致，否则认为有干扰。例如以一定的时间间隔采样 3 次或 5 次，结果相等，认为采集成功，否则认为采集不成功，或少数服从多数，取多数次的值为结果。
2. 模拟量输入通道中的软件抗干扰：进行多次 A/D转换，得到一组数据，对这一组数据再进行各种数字滤波处理，最后得到一个可信度较高的结果值。
3. 数字量输出通道的软件抗干扰：单片机输出一个数字信号（或一个数值给 D/A 器件），由于外部干扰的作用有可能使输出装置得到一个被改变了的错误数据，从而使输出装置发生误动作。这时可以重复输出同一数据，重复周期尽量短，防止误动作的产生。
6.3.2 程序执行过程中的软件抗干扰 当干扰信号作用到了 CPU ，则 CPU就不能正常执行程序，从而引起仪
器系统工作混乱（程序“跑飞”）或死机。 1、指令冗余：程序“跑飞”后，往往将一些操作数当作指令码来执行。
“指令冗余”是在一些关键的地方，插入一些空操作指令 NOP 。 通常是在改变程序流向的指令前面插入两条 NOP指令。 如 跳转指令 LJMP ， SJMP ， RET 之前 但是“指令冗余”使“跑飞”的程序恢复正常是有条件的，首先“跑飞”的程序必须仍在程序区，其次必须执行到设置的冗余指令。如果“跑飞”的程序落到非程序区（如 EPROM 中未用完的空间或某些数据表格等），或在执行到冗余指令之前已经形成了死循环，则“指令冗余”就无能为力了，这时可使用软件陷阱。
6.3.2 程序执行过程中的软件抗干扰 2、软件陷阱：软件陷阱是一条引导指令，强行将程序指针引向一个指定的地址，在指定地址处有专门处理错误的程序，或将程序重新拉回到主程序开始处。
软件陷阱： NOP NOP NOP NOP LJMP ERR LJMP MAIN “软件陷阱”一般安排在： （ 1 ）未使用的中断向量区：未用的中断区一般安排“软件陷阱”，以便能捕获到错误的中断。
（ 2 ）未使用的大片 EPROM空间：后面未用的空间，一般内容为 FFH （未写内容）， FFH 是 MOV R7, A 的操作码。
故在这段区域内每隔一段地址设一个陷阱，就能捕捉到“跑飞”到这里的程序。 如 89C52 中的 8KROM ，从 1800H开始没有应用程序。 ORG 1800H ORG 1A00H ORG 1FFBH NOP NOP NOP NOP NOP NOP LJMP ERR LJMP ERR LJMP ERR
6.3.2 程序执行过程中的软件抗干扰
（ 3 ）表格：表格有两种即数据表格和散转表格。 由于表格的内容与检索值存在一一对应的关系，在表格
中间安排陷阱会破坏其连续性和对应关系，因此只能在表格的最后安排陷阱。
（ 4 ）程序区：在程序区的断点外，正常的程序执行到断点处就不再往下执行了，如果在这些地方设置陷阱就可被有效地捕获“跑飞”的程序。如在 SJMP、 LJMP 等后面加陷阱。
6.3.2 程序执行过程中的软件抗干扰
3、程序运行监视系统（看门狗WATCHDOG ） 如果“跑飞”的程序落到一个临时构成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱都将无能为力。如果能够对 CPU 进行自动复位，就能使系统恢复正常。
因此就要设计一种模仿人工监视的“程序运行监视器”，通常称 “看门狗” (WATCHDOG) 来完成这一任务。
WATCHDOG 的特征： （ 1 ）本身能独立工作，基本上不依赖于 CPU 。 CPU 以固定的时间间隔与它打一次交道，表明整个系统“目前尚属正常”。
（ 2 ）当 CPU落入死循环（即不再与之打交道时），能及时产生复位信号，复位整个系统。
所以看门狗由硬件电器和软件二部分结合完成。
6.3.2 程序执行过程中的软件抗干扰
RESET
CLK=32K
6.3.2 程序执行过程中的软件抗干扰
16 进制计数器对振荡电路发出的脉冲进行计数，当计到 214 个时，Q14端输出高电平。从 CLR端清 0 ，到 Q14 输出变高的时间为：
如果每隔小于 0.512S ，从 P1.7 输出一个正脉冲使 4020 复位，这样始终不会输出高电平。
如果程序跑飞，在 0.512S 时间内，不喂开门狗，则输出变高，通过微分电路在 RESET端产生高电平复位信号，复位系统。
14 14 12 * 2 * 0.512
32000iT S
6.3.2 程序执行过程中的软件抗干扰 4. 数据备份 对于仪器的重要数据，可以存放在几个互不相关的存储单元，建立
数据备份。通常建立双重数据备份，即将一个数据存放在三个不同区域的存储单元中。在取数据使用时（一般在重新上电的初始化时）进行三取二，以得到正确得数据。
5. 自诊断程序 加入一些自诊断程序，可以定时执行，以检查系统数据是否正确。如 RAM自检，显示自检等；对于测量数据可以与其上限比较，在范围以内认为正确，否则为有误等。
6. 睡眠抗干扰（低功耗设计） 单片机有空闲工作方式和掉电工作方式，在这些方式下，单片机
功耗低，对外部的变化不灵敏（中断，串行口，定时器连续工作，各寄存器，内 RAM ，各引脚保持原来状态不变）。空闲方式需要中断或复位能够“唤醒”；掉电方式只能通过复位才能退出。