基于DSP的智能控制器高可靠性分析与设计

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