硬件系統(tǒng)高可靠性設(shè)計(jì)

1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路原理如圖1所示，在具體設(shè)計(jì)中，每個(gè)部分都應(yīng)考慮抗干擾問(wèn)題，以最大限度地減小干擾對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響，確保系統(tǒng)具有足夠高的可靠性。

圖1 智能控制器硬件電路原理框圖

①DSP部分

本控制器以TI公司的TMS320F2812（以下簡(jiǎn)稱(chēng)F2812）為核心，它是一款專(zhuān)用于控制的高性能、多功能、高性?xún)r(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片。F2812部分的電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮如下問(wèn)題：
● 電源上電次序。F2812為低電壓、多電源DSP，必須滿(mǎn)足I/O電源先于CPU內(nèi)核電源上電的次序，且兩者上電時(shí)間差不能太長(zhǎng)（一般不超過(guò)1s），否則會(huì)影響器件的使用壽命甚至損壞器件。本文采用TPS75733KTT和TPS76801Q電源芯片設(shè)計(jì)電源模塊，滿(mǎn)足了上述上電次序的特殊要求。
● 系統(tǒng)時(shí)鐘。F2812要求輸入時(shí)鐘信號(hào)電平為1.9V（此時(shí)主頻最高可達(dá)150MHz）或1.8V（此時(shí)最高主頻為135MHz），而普通晶振的輸出電平為5V或3.3V，因此不能直接采用晶振設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘。為提高系統(tǒng)整體工作的穩(wěn)定性和可靠性，本設(shè)計(jì)采用一個(gè)晶體和兩個(gè)電容與F2812片內(nèi)時(shí)鐘模塊構(gòu)成振蕩電路，滿(mǎn)足了時(shí)鐘要求。
● 未用輸入/輸出引腳的處理。未用輸入引腳不能懸空不接，對(duì)于關(guān)鍵的控制輸入引腳（如Ready和Hold等），應(yīng)固定接為高電平或低電平，非關(guān)鍵的輸入引腳應(yīng)將其上拉或下拉為固定電平；未用的輸出引腳可懸空不接。

②電源部分

本設(shè)計(jì)針對(duì)直流側(cè)采取了如下措施：
● 電源按內(nèi)部和外部?jī)深?lèi)單獨(dú)分開(kāi)供電，并采取隔離、濾波及接地等技術(shù)措施。內(nèi)部電源負(fù)責(zé)F2812核心系統(tǒng)供電，并設(shè)有電壓監(jiān)視器，用于電源異常保護(hù)；而外部電源只與外部接口聯(lián)系。
● 模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)，分別采用獨(dú)立的電源供電。
● 對(duì)整流后的直流電壓采取了二級(jí)穩(wěn)壓方式，以保證前級(jí)穩(wěn)壓器受影響后仍能輸出規(guī)定的電壓。

③輸入輸出通道部分

輸入輸出通道與過(guò)程相連，是過(guò)程干擾進(jìn)入DSP系統(tǒng)的主要通道，也是DSP系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。輸入輸出通道抗干擾設(shè)計(jì)主要采取隔離措施，這樣可大大提高過(guò)程通道上的信噪比。

④通信部分
F2812芯片具有兩個(gè)串行通信接口，可根據(jù)具體需要自由配置成標(biāo)準(zhǔn)串口RS-232或RS-485。本設(shè)計(jì)采用RS-232，且為了提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，選用了高抗干擾性驅(qū)動(dòng)芯片MAX3160，并采用高速光耦進(jìn)行隔離。

2 PCB電路板設(shè)計(jì)與制作

目前，電子設(shè)備普遍采用PCB電路板進(jìn)行裝配。隨著集成電路及相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB上的元器件密度越來(lái)越高，PCB設(shè)計(jì)與制作的質(zhì)量對(duì)DSP系統(tǒng)可靠性的影響也越來(lái)越大。因此，在設(shè)計(jì)和制作PCB的時(shí)候，不僅要考慮元器件和線(xiàn)路的布置，還應(yīng)符合相關(guān)的抗干擾設(shè)計(jì)規(guī)則。

①PCB布局

PCB布局非常重要，它不僅決定電路板的視覺(jué)效果及自動(dòng)布線(xiàn)的布通率，更重要的是會(huì)影響儀器的整體性能，所以，布局時(shí)必須綜合考慮，并遵循一定的規(guī)則，具體包括：
● PCB板的幾何尺寸應(yīng)合適，尺寸過(guò)大會(huì)增加線(xiàn)路阻抗，降低抗噪聲能力，尺寸過(guò)小則影響散熱，且相鄰線(xiàn)條易受干擾；
● 應(yīng)將元件及信號(hào)合理分區(qū)，將強(qiáng)、弱信號(hào)分開(kāi)，數(shù)字與模擬信號(hào)分開(kāi)，干擾源與敏感元件分開(kāi)；
● 盡可能按信號(hào)流程布置各功能模塊的位置，使信號(hào)方向一致；
● 以每個(gè)功能模塊的核心元件為中心進(jìn)行元器件布局，且應(yīng)考慮元器件排列及焊接，不能太密；

②PCB布線(xiàn)

在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，布線(xiàn)工作的技巧性很強(qiáng)，是非常重要的一步。布線(xiàn)時(shí)應(yīng)遵循如下規(guī)則：
● 相鄰兩層的布線(xiàn)方向應(yīng)盡量垂直，必要時(shí)可加地線(xiàn)隔離；
● 地線(xiàn)和電源線(xiàn)應(yīng)盡量加粗，以減小壓降和降低耦合噪聲；
● 數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，布線(xiàn)時(shí)，應(yīng)盡量將模擬器件遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)線(xiàn)，并用地線(xiàn)把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離；
● 整個(gè)PCB板對(duì)外只有一個(gè)地線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，而在PCB板內(nèi)部，數(shù)字地和模擬地則是分開(kāi)的，通?？蓪?shù)字地和模擬地在D/A轉(zhuǎn)換器的模擬地引腳處連在一起；

③電源線(xiàn)設(shè)計(jì)

解決干擾問(wèn)題的辦法是將電源部分的器件單獨(dú)放在一起，然后用正反兩條較粗的地線(xiàn)與其他部分完全隔離，再在電源器件附近放置旁路電容和去耦電容，以最大限度地減少輸出電源線(xiàn)上的干擾。另外，應(yīng)根據(jù)電流的大小，盡量加寬電源線(xiàn)，并盡可能使電源線(xiàn)和地線(xiàn)的走向與數(shù)據(jù)傳輸方向一致，以提高系統(tǒng)的抗噪聲能力。

④地線(xiàn)設(shè)計(jì)

電子系統(tǒng)的噪聲和干擾與其接地方式有密切的關(guān)系，良好的接地往往可解決大部分干擾問(wèn)題。

對(duì)于低頻電路，布線(xiàn)和元器件間的電感影響比較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響會(huì)較大，此時(shí)應(yīng)采用一點(diǎn)接地方式，以盡可能減小地線(xiàn)上的電位差；而對(duì)于高頻電路，地線(xiàn)阻抗會(huì)變得很大，此時(shí)縮短地線(xiàn)長(zhǎng)度，以減小地線(xiàn)阻抗就成為關(guān)鍵問(wèn)題，所以應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地方式。此外，應(yīng)盡量加粗接地線(xiàn)，以減小地線(xiàn)電阻，否則，會(huì)由于接地電位變化而導(dǎo)致信號(hào)電平不穩(wěn)，進(jìn)而降低抗噪聲能力。

⑤濾波電容設(shè)計(jì)

選luF～l0uF的電容跨接在電路板入口處的電源線(xiàn)與地線(xiàn)之間，這樣能有效消除低頻干擾。而對(duì)于高頻干擾信號(hào)，可用0.01μF和0.1μF的電容放在電源和地的引腳旁，特別是要在每個(gè)集成電路芯片的電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間直接接入0.1μF的高頻電容。另外，也可采用鐵氧體磁珠來(lái)做高頻濾波，它可等效為一個(gè)電阻和一個(gè)電感的串聯(lián)，其高頻時(shí)的交流阻抗很大，而直流阻抗卻很小（接近于0Ω），這樣，高頻干擾信號(hào)就被吸收，并以熱量形式消耗。

3 空間抗干擾問(wèn)題

抗空間干擾的主要措施就是屏蔽。本設(shè)計(jì)采用常用的屏蔽的方法，即用低電阻材料作成屏蔽罩，把干擾源或易受干擾的部分包圍起來(lái)，這樣，既防止了干擾源向外施加干擾，也避免了易受干擾部分接收外來(lái)的干擾。
 
軟件系統(tǒng)高可靠性設(shè)計(jì)

1 軟件的抗干擾設(shè)計(jì)

除上述的硬件抗干擾措施之外，軟件上也應(yīng)做好抗干擾設(shè)計(jì)。
①看門(mén)狗中斷的應(yīng)用
在程序設(shè)計(jì)時(shí)，每隔一段程序插入一個(gè)看門(mén)狗計(jì)數(shù)器復(fù)位指令，這樣，在程序運(yùn)行過(guò)程中，如果進(jìn)入死循環(huán)或非法代碼區(qū)，就不能使計(jì)數(shù)器清零，當(dāng)該計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，就會(huì)使系統(tǒng)復(fù)位并重新運(yùn)行，此時(shí)如果干擾或故障已消除，則系統(tǒng)就從故障狀態(tài)恢復(fù)正常。
②假中斷處理
在程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)給每一個(gè)中斷都編寫(xiě)程序，在中斷服務(wù)程序中清除中斷標(biāo)志并使程序正常返回，這就保證了程序的穩(wěn)定運(yùn)行。
③指令冗余技術(shù)
對(duì)開(kāi)中斷關(guān)中斷、中斷初始化、系統(tǒng)寄存器初始化及定時(shí)器定時(shí)值設(shè)置等重要指令采取指令冗余技術(shù)，即多進(jìn)行一次重復(fù)寫(xiě)操作，以確保這些重要指令的正確執(zhí)行。

2 控制算法的可靠性問(wèn)題

本控制器的控制算法設(shè)計(jì)主要考慮以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是控制規(guī)則的準(zhǔn)確性問(wèn)題，通過(guò)對(duì)從白內(nèi)障手術(shù)專(zhuān)家那里獲得的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)的考證和分析，并結(jié)合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)情況，從中提取有代表性的數(shù)據(jù)作為編寫(xiě)控制規(guī)則的依據(jù)；二是控制器的完備性問(wèn)題，即對(duì)于任意的輸入，控制器都可給出合適的控制輸出，這主要取決于數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)方面，對(duì)于任意的輸入，總能找到一個(gè)模糊集合，使得該輸入對(duì)于該模糊集合的隸屬度值不小于某一正數(shù)ε（通?？扇ˇ艦?.5）；規(guī)則庫(kù)方面，應(yīng)避免出現(xiàn)因推理機(jī)搜索不到合適的控制結(jié)果而造成系統(tǒng)失控的現(xiàn)象，也即對(duì)于任意的輸入，應(yīng)確保至少有一條可適用的規(guī)則，且其適用度應(yīng)大于某一正數(shù)（可取0.5），同時(shí)，控制規(guī)則數(shù)不能太少，當(dāng)然也不宜太多，實(shí)際中，在滿(mǎn)足控制器完備性要求的情況下，應(yīng)盡量減少控制規(guī)則數(shù)目。