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F2812）為核心，它是一款專用于控制的高性能、多功能、高性價(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)深悊为?dú)分開供電，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，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效果及自動(dòng)布線的布通率，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)增加線路阻抗，降低抗噪聲能力，尺寸過(guò)小則影響散熱，且相鄰線條易受干擾；

　　● 應(yīng)將元件及信號(hào)合理分區(qū)，將強(qiáng)、弱信號(hào)分開，數(shù)字與模擬信號(hào)分開，干擾源與敏感元件分開；

　　● 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

　　在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，布線工作的技巧性很強(qiáng)，是非常重要的一步。布線時(shí)應(yīng)遵循如下規(guī)則：

　　● 相鄰兩層的布線方向應(yīng)盡量垂直，必要時(shí)可加地線隔離；

　　● 地線和電源線應(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)，布線時(shí)，應(yīng)盡量將模擬器件遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)線，并用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離；

　　● 整個(gè)PCB板對(duì)外只有一個(gè)地線節(jié)點(diǎn)，而在PCB板內(nèi)部，數(shù)字地和模擬地則是分開的，通常可將數(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上的干擾。另外，應(yīng)根據(jù)電流的大小，盡量加寬電源線，并盡可能使電源線和地線的走向與數(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，以盡可能減小地線上的電位差；而對(duì)于高頻電路，地線阻抗會(huì)變得很大，此時(shí)縮短地線長(zhǎng)度，以減小地線阻抗就成為關(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，以減小地線電阻，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與地線之間，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和地線之間直接接入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。