基于DSP的智能控制器高可靠性分析与设计

硬件系统高可靠性设计

1 硬件电路设计

硬件电路原理如图1所示，在具体设计中，每个部分都应考虑抗干扰问题，以最大限度地减小干扰对整个系统性能的影响，确保系统具有足够高的可靠性。

图1 智能控制器硬件电路原理框图

①DSP部分

本控制器以TI公司的TMS320F2812（以下简称F2812）为核心，它是一款专用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。F2812部分的电路设计重点考虑如下问题：
● 电源上电次序。F2812为低电压、多电源DSP，必须满足I/O电源先于CPU内核电源上电的次序，且两者上电时间差不能太长（一般不超过1s），否则会影响器件的使用寿命甚至损坏器件。本文采用TPS75733KTT和TPS76801Q电源芯片设计电源模块，满足了上述上电次序的特殊要求。
● 系统时钟。F2812要求输入时钟信号电平为1.9V（此时主频最高可达150MHz）或1.8V（此时最高主频为135MHz），而普通晶振的输出电平为5V或3.3V，因此不能直接采用晶振设计系统时钟。为提高系统整体工作的稳定性和可靠性，本设计采用一个晶体和两个电容与F2812片内时钟模块构成振荡电路，满足了时钟要求。
● 未用输入/输出引脚的处理。未用输入引脚不能悬空不接，对于关键的控制输入引脚（如Ready和Hold等），应固定接为高电平或低电平，非关键的输入引脚应将其上拉或下拉为固定电平；未用的输出引脚可悬空不接。

②电源部分

本设计针对直流侧采取了如下措施：
● 电源按内部和外部两类单独分开供电，并采取隔离、滤波及接地等技术措施。内部电源负责F2812核心系统供电，并设有电压监视器，用于电源异常保护；而外部电源只与外部接口联系。
● 模拟电源和数字电源分开，分别采用独立的电源供电。
● 对整流后的直流电压采取了二级稳压方式，以保证前级稳压器受影响后仍能输出规定的电压。

③输入输出通道部分

输入输出通道与过程相连，是过程干扰进入DSP系统的主要通道，也是DSP系统抗干扰设计的重要内容之一。输入输出通道抗干扰设计主要采取隔离措施，这样可大大提高过程通道上的信噪比。

④通信部分
F2812芯片具有两个串行通信接口，可根据具体需要自由配置成标准串口RS-232或RS-485。本设计采用RS-232，且为了提高整个系统的抗干扰能力，选用了高抗干扰性驱动芯片MAX3160，并采用高速光耦进行隔离。

2 PCB电路板设计与制作

目前，电子设备普遍采用PCB电路板进行装配。随着集成电路及相关技术的飞速发展，PCB上的元器件密度越来越高，PCB设计与制作的质量对DSP系统可靠性的影响也越来越大。因此，在设计和制作PCB的时候，不仅要考虑元器件和线路的布置，还应符合相关的抗干扰设计规则。

①PCB布局

PCB布局非常重要，它不仅决定电路板的视觉效果及自动布线的布通率，更重要的是会影响仪器的整体性能，所以，布局时必须综合考虑，并遵循一定的规则，具体包括：
● PCB板的几何尺寸应合适，尺寸过大会增加线路阻抗，降低抗噪声能力，尺寸过小则影响散热，且相邻线条易受干扰；
● 应将元件及信号合理分区，将强、弱信号分开，数字与模拟信号分开，干扰源与敏感元件分开；
● 尽可能按信号流程布置各功能模块的位置，使信号方向一致；
● 以每个功能模块的核心元件为中心进行元器件布局，且应考虑元器件排列及焊接，不能太密；

②PCB布线

在PCB设计过程中，布线工作的技巧性很强，是非常重要的一步。布线时应遵循如下规则：
● 相邻两层的布线方向应尽量垂直，必要时可加地线隔离；
● 地线和电源线应尽量加粗，以减小压降和降低耦合噪声；
● 数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，布线时，应尽量将模拟器件远离数字信号线，并用地线把数字区与模拟区隔离；
● 整个PCB板对外只有一个地线节点，而在PCB板内部，数字地和模拟地则是分开的，通常可将数字地和模拟地在D/A转换器的模拟地引脚处连在一起；

③电源线设计

解决干扰问题的办法是将电源部分的器件单独放在一起，然后用正反两条较粗的地线与其他部分完全隔离，再在电源器件附近放置旁路电容和去耦电容，以最大限度地减少输出电源线上的干扰。另外，应根据电流的大小，尽量加宽电源线，并尽可能使电源线和地线的走向与数据传输方向一致，以提高系统的抗噪声能力。

④地线设计

电子系统的噪声和干扰与其接地方式有密切的关系，良好的接地往往可解决大部分干扰问题。

对于低频电路，布线和元器件间的电感影响比较小，而接地电路形成的环流对干扰影响会较大，此时应采用一点接地方式，以尽可能减小地线上的电位差；而对于高频电路，地线阻抗会变得很大，此时缩短地线长度，以减小地线阻抗就成为关键问题，所以应采用就近多点接地方式。此外，应尽量加粗接地线，以减小地线电阻，否则，会由于接地电位变化而导致信号电平不稳，进而降低抗噪声能力。

⑤滤波电容设计

选luF～l0uF的电容跨接在电路板入口处的电源线与地线之间，这样能有效消除低频干扰。而对于高频干扰信号，可用0.01μF和0.1μF的电容放在电源和地的引脚旁，特别是要在每个集成电路芯片的电源线和地线之间直接接入0.1μF的高频电容。另外，也可采用铁氧体磁珠来做高频滤波，它可等效为一个电阻和一个电感的串联，其高频时的交流阻抗很大，而直流阻抗却很小（接近于0Ω），这样，高频干扰信号就被吸收，并以热量形式消耗。

3 空间抗干扰问题

抗空间干扰的主要措施就是屏蔽。本设计采用常用的屏蔽的方法，即用低电阻材料作成屏蔽罩，把干扰源或易受干扰的部分包围起来，这样，既防止了干扰源向外施加干扰，也避免了易受干扰部分接收外来的干扰。
 
软件系统高可靠性设计

1 软件的抗干扰设计

除上述的硬件抗干扰措施之外，软件上也应做好抗干扰设计。
①看门狗中断的应用
在程序设计时，每隔一段程序插入一个看门狗计数器复位指令，这样，在程序运行过程中，如果进入死循环或非法代码区，就不能使计数器清零，当该计数器溢出时，就会使系统复位并重新运行，此时如果干扰或故障已消除，则系统就从故障状态恢复正常。
②假中断处理
在程序设计时，应给每一个中断都编写程序，在中断服务程序中清除中断标志并使程序正常返回，这就保证了程序的稳定运行。
③指令冗余技术
对开中断关中断、中断初始化、系统寄存器初始化及定时器定时值设置等重要指令采取指令冗余技术，即多进行一次重复写操作，以确保这些重要指令的正确执行。

2 控制算法的可靠性问题

本控制器的控制算法设计主要考虑以下两个方面的内容：一是控制规则的准确性问题，通过对从白内障手术专家那里获得的手术经验数据进行反复的考证和分析，并结合相关的实验情况，从中提取有代表性的数据作为编写控制规则的依据；二是控制器的完备性问题，即对于任意的输入，控制器都可给出合适的控制输出，这主要取决于数据库和规则库。数据库方面，对于任意的输入，总能找到一个模糊集合，使得该输入对于该模糊集合的隶属度值不小于某一正数ε（通常可取ε为0.5）；规则库方面，应避免出现因推理机搜索不到合适的控制结果而造成系统失控的现象，也即对于任意的输入，应确保至少有一条可适用的规则，且其适用度应大于某一正数（可取0.5），同时，控制规则数不能太少，当然也不宜太多，实际中，在满足控制器完备性要求的情况下，应尽量减少控制规则数目。