第7章 控制系统的可靠性

CPU发出复位脉冲，使CPU可靠复位，程序从
0000地址开始执行。CPU正常工作时，必须在小 于看门狗复位时间间隔内定时向MAX1232第7脚 发负脉冲。
(2)掉电保护 在单片机控制系统中，当电源电压下降到一定
数值后，掉电保护电路将向CPU申请中断，在中断
服务程序中将重要参数和现场数据保护起来，外围 电路失电后，启用CPU备用电源维持CPU和RAM 的供电，当供电电源正常后，单片机恢复现场继续 工作。
(3) 用压敏电阻器吸收电网过电压
压敏电阻具有稳压管似的非线性特性。在无过 电压时，只有微安级的漏电流；有过电压时，以急 剧增长的放电流形式吸收过电压，响应速度为纳秒 级。过电压后又能恢复到微安级的漏电流，从而具 有很好的抑制过电压的性能。
(4)交流电源滤波
对付电网中的尖峰脉冲干扰，最有效的措施是
共模干扰的抑制方法：
1）变压器隔离
2）光电隔离
3）浮地屏蔽
4）采用仪表放大器提高共模抑制比
1）变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电
路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开， 以使共模干扰电压Vcm不成回路，从而抑制了 共模干扰。
被测信号Vs经放大后，首先通过调制器变换成 交流信号，经隔离变压器B传输到副边，然后用解 调器再将它变换为直流信号Vs2，再对Vs2进行A/D 变换。
4）采用仪表放大器提高共模抑制比
仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、
漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共 模干扰与有用信号的器件。
3.电源抗扰技术 (1)交流稳压电源装置 (2)不间断供电电源
(3) 浪涌电压吸收器
(4)交流电源滤波
(5)电源变压器屏蔽
(6)整流后的干扰抑制
(1)交流稳压电源装置
用时应在额定值以下留有一定的裕量。
二、冗余技术
常用的冗余系统．按其结构可分为并联系统、 备用系统和表决系统三种。 1．并联系统
对于有N个并联装置组成系统来说，只有当N 个装置全部失效时，系统才不能工作。
2．备用系统
S1，S2，…，SN为工作单元 D1，D2……，DN为每个单元上的失效检测器 K为转换器。 在备用系统中，仅有一个单元在工作，其余 各单元处于准备状态。一旦工作单元出现故障，失 效检测器发出信号，通过转换器K投入一个备用单 元，整个系统继续运行。
进行低通滤波，尖峰脉冲可用一个近似的三角波f(t)
来代表。其中A为干扰波形的最大值，τ为干扰的作 用时间，对f(t)进行付氏变换：
F ( j ) f (t ) e dt
jt
经计算得：
A sin 4 F ( j ) 2 2
(4) 软件陷阱 我们经常听到“程序跑飞”的说法，这实际
上是CPU受到干扰后误把操作数当作操作码，陷
入了死循环。所谓软件陷阱，就是用一条引导指
令，强行捕获跑飞的程序，将其引向一个固定的 地址，通常是0000，即让单片机复位，程序从头 开始执行。
2.过程通道抗扰技术 (1)串模干扰及其抑制方法 串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声 串模干扰一般由分 布电容的净电耦合、 长线传输互感、空 间电磁场的磁场耦 合、50Hz的工频干 扰等引起。 图中Vs为被测信号，Vcm为干扰噪声，两者之 和作为输入信号。串模干扰也称为常态干扰。
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7.2 硬件系统的可靠性技术
一、筛选元件 二、冗余技术 三、抗扰技术
一、筛选元件
1.元件的故障规律 统计规律表明，元件的失效曲线是一个“浴盆 曲线”
（1）初始失效期 故障随时间增加而减少，原因是 元器件的质量先天缺陷，及时更换不好的元器件，
可排除早期故障。
（2）偶然失效期 这个时期故障率较低，而且与时 间无关。 （3）损耗失效期 故障明显增加，原因是元器件的 老化和磨损。
Mห้องสมุดไป่ตู้BF A 100 % MTBF MTTR
二、可靠性设计原则
1．简化方案
系统的失效率是其所有组成元件失效率的
总和，避免一个元件失效的最好办法是在系统 中省去这个元件。所以只要能满足系统的性能 和功能指标，就应尽可能地简化系统结构。 2．避免片面追求高性能指标和过多的功能 过高的性能指标和过多的功能势必导致系 统复杂化，从而使用更多的元器件，直接降低
了系统的可靠性。
3．合理划分软硬件功能 能够方便地用软件完成的功能尽量不要使用
硬件，当然要考虑到CPU时间资源的允许。
4．防热设计 统计得知，半导体器件的结温每升高10℃， 它的失效率会提高一倍。另外随着温度的升高， 电路的绝缘电阻相应下降，大气中的腐蚀性气体 腐蚀金属的速度也会加快。所以防热设计是影响 系统工作稳定性及可靠性的主要因素之一。
图中：t1、t2……tn为系统正常工作时间 Tl、T2……Tk为维护时间
主要衡量指标：
1. 故障率λ（失效率）
失效次数 k λ n 总工作时间
i 1
ti
即单位工作时间内发生故障的次数
2．维护率μ
维护次数 k μ k 总维护时间
i 1
T i
单位维护时间内修复的次数
3．平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)
1）如果串模干扰频率比被测信号频率高，
则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；
如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高 通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频 率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。 一般串模干扰均比被测信号变化快，故常用
二级阻容低通滤波网络作为模／数转换器的输入
滤波器，
信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高
回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完
成模／数转换或采取隔离和屏蔽等措施。
(2)共模干扰及其抑制方法 共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公
有的干扰电压。这种干扰可能是直流电压，也可
能是交流电压，其幅值可达几伏甚至更高。共模 干扰也称为共态干扰。
(a) 为是直流共模干扰； (b) 为一对信号线，处于同样的空间交流电磁场中， 在两条线上感应出同样的交流干扰； (c) 为信号源地与通道地之间电位差引起的共模干 扰。
2）光电隔离
由于靠光传送信号，所以切断了电路之间地 线的联系。光电隔离前后两部分电路应分别采用 两组独立的电源。与变压器隔离相比，光电隔离 实现起来比较容易，成本低，体积也小。因此在
计算机控制系统中光电隔离得到了广泛的应用。
3）浮地屏蔽
利用屏蔽使输入信号的模拟地浮空，从而达 到抑制共模干扰的目的。图7-13 a中 Zf、Zg是浮 离地、内屏蔽和外屏蔽之间的绝缘等效阻抗，Rg 是信号传输线屏蔽层两端的等效电阻，信号源内 阻抗很小，忽略不计。图7-13 b是该系统的等效 电路，可知，共模干扰经两级分压作用于信号输 入 端 ， 只 要 保 证 Zg>>Rg,Zf>>(R2+Z2)， Zf>>(R1+Z1)，共模干扰的干扰作用就能被抑制 到极小的程度。
(3) 睡眠抗扰 单片机控制系统中，CPU常处于软件延时等待， 循环检测等状态，这段时间内CPU并没有做什么工 作，但却很容易受到随机干扰，这时可以通过执行 睡眠指令让CPU进入睡眠状态，有工作时再通过中 断系统来唤醒它，干完工作后再进入睡眠状态。大 多数CPU可以有50%—95%的时间用于睡眠，从而 使受干扰的机会大大降低。
(2) 共模干扰及其抑制方法
3. 电源抗扰技术 4. 接地技术
1. CPU抗扰技术 (1) 自动复位 采用Watchdog(称为看门狗)来实现故障时自 动复位的功能。
如MAX1232芯片有三种复位时间间隔，当
TD引脚接地时复位时间间隔为150ms，当TD引
脚悬空时复位时间间隔为600ms，当TD引脚接 Vcc时复位时间间隔为1.2s。MAX1232复位脉冲 宽度大于250ms，当由于某种干扰使CPU陷入死 循环时，时间超过复位间隔，MAX1232会自动向
第七章 计算机控制系统的可靠性
7.1 计算机控制系统的可靠性概述 7.2 硬件可靠性技术特点 7.3 软件可靠性技术
7.1 计算机控制系统的可靠性概述
计算机控制系统的可靠性是指在规定条件下， 在规定的时间内完成规定功能的能力，它和技术 性能同是控制系统的两个重要方面 。
一、可靠性的基本概念
设系统投入运行后，如下图所示：
5. 可靠度
定义为在规定时间内、规定条件下完成规 定功能的成功率，是个统计量。设有N个相同的 控制系统，在同样的条件下开始工作，到达规 定的时间后，有S个未发生故障，则可靠度记为 R：
S R N
6．可利用率（有效度） 把MTBF与MTTR综合起来得到一个指标可利
用率A(Availability,ratio)，它们的关系如下所示：
此电路可使50Hz的串模干扰信号衰减600倍左 右。
2）当串模干扰源为尖峰型时，采用积分式A ／D转换器较好，因积分型A／D转换器是对输入
信号的平均值进行转换，所以对尖峰干扰有抑制
能力。如果干扰是周期性的，则取积分周期等于 串模干扰信号周期的整数倍，对串模干扰的抑制 效果更好。 3）当串模干扰主要为电磁感应时，对被测
供电电源不直接接入控制系统，而在它们之 间加入一台交流稳压电源装置，该装置有自动调 整稳定交流供电电压的作用，使控制系统供电电 压的波动减小到最低限度。
(2)不间断供电电源
为了满足电网暂时停电时控制系统仍能运行 的要求，可用“不间断供电电源”UPS(Un— interrupted Power System)的装置来代替上面的交 流稳压电源来供电。
2. 正确使用元件 （1）元器件的老化 从电子产品失效率曲线可知，元器件稳定运 行是在偶然失效期，所以要对元器件进行老化， 提前通过初始失效期，例如对74系列芯片，以8h