電梯串行通訊系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

　　3.1.2 共模干擾

　　共模干擾是由于微處理器、放大器地和信號(hào)源地之間的電位差而產(chǎn)生的干擾，也稱為縱向干擾或共態(tài)干擾。

　　在平衡傳輸中，對(duì)于采用差動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)的接收單元而言，共模干擾不起作用；但是在不平衡傳輸結(jié)構(gòu)中，共模干擾將會(huì)轉(zhuǎn)為差模干擾而對(duì)接收單元造成影響，而且不平衡程度越大，影響就越嚴(yán)重[1]。

　　共模干擾的抑制措施主要有如下3種：變壓器隔離、光電隔離和浮地屏蔽。變壓器隔離就是利用變壓器將模擬信號(hào)電路與數(shù)字信號(hào)電路隔離開(kāi)來(lái)。光電隔離是利用光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電路系統(tǒng)間的隔離。浮地屏蔽是采用浮地隔離式放大器來(lái)抑制共模干擾電壓。相比較而言,光電隔離體積小,成本低,實(shí)現(xiàn)比較容易,應(yīng)用廣泛。例如，在采用CANBUS網(wǎng)絡(luò)的電梯串行通訊系統(tǒng)中，CAN控制器PCA82C200與CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250之間加接了高速光耦芯片 6N137來(lái)實(shí)現(xiàn)光電隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力.

　　信號(hào)從6N137的輸入端引腳輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳送到光敏二極管，反向偏置的光敏管經(jīng)光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流—電壓轉(zhuǎn)換后送到與門(mén)的有關(guān)輸入端，與門(mén)的另一個(gè)輸入端為使能端。當(dāng)使能端為高電平時(shí)，與門(mén)輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當(dāng)輸出信號(hào)電源小于觸發(fā)閥值且使能端為低時(shí)，輸出高電平，但這個(gè)邏輯高是極電集開(kāi)路的，可針對(duì)接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。這樣就實(shí)現(xiàn)了CAN總線和CAN控制器之間的隔離，避免了CAN總線上的通訊干擾影響CAN控制器的工作。

　　3.1.3 長(zhǎng)線傳輸干擾

　　信號(hào)在長(zhǎng)線傳輸中會(huì)遇到3個(gè)問(wèn)題：一是長(zhǎng)線傳輸易受到外界干擾，二是具有信號(hào)延時(shí)，三是高速變化的信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。采用終端或始端阻抗匹配，可以消除長(zhǎng)線傳輸中的波反射或把它抑制到最低限度，采用雙絞線作為信號(hào)線可以部分抑制外界信號(hào)干擾。

　　3.2 接地技術(shù)

接地是抗干擾措施中的關(guān)鍵步驟，因此對(duì)接地必須慎重處理。下面針對(duì)電梯串行通訊系統(tǒng)的特點(diǎn)并結(jié)合筆者的個(gè)人體會(huì)，給出一些接地方法。

　　3.2.1 電路板內(nèi)的信號(hào)地

　　電路板內(nèi)的信號(hào)地分為如下兩種情況：

　?。?）對(duì)于采用了諸如模擬放大器、模擬開(kāi)關(guān)、D/A轉(zhuǎn)換器等高精度模擬器件的電路板，接地必須嚴(yán)格要求。主要有：所有模擬器件（包括可能的輸入/輸出）的接地端必須單點(diǎn)并聯(lián)接地，各地線應(yīng)盡量放寬，絕對(duì)避免串聯(lián)接地形成的環(huán)路。

　?。?）對(duì)于純數(shù)字電路的電路板，各器件可以允許多點(diǎn)接地，但地線應(yīng)盡可能粗，并盡量減少串聯(lián)接地的情況。尤其對(duì)于高頻信號(hào)器件，電路中應(yīng)采用大面積直接接地，以減少電路間的相互影響。

　　3.2.2 模擬量輸入信號(hào)與屏蔽的接地

　?。?）如果信號(hào)源不接地，差分放大電路端接地，則屏蔽體應(yīng)在放大器端接地，且接地應(yīng)保證從放大器到大地的電阻小于1W。（2）如果信號(hào)源端須接地，差分放大器端不接地，則屏蔽體應(yīng)在信號(hào)源接地。（3）如果信號(hào)源端與差分放大電路端都必須接地，則對(duì)信號(hào)必須采用變壓器或光電隔離等措施，且屏蔽體在信號(hào)源端接地。（4）如果可以選擇在信號(hào)源端或放大電路端接地，則可將信號(hào)線與屏蔽層在信號(hào)源處接地。

4 串行通訊系統(tǒng)軟件的可靠性設(shè)計(jì)

　　4.1 利用軟件提高系統(tǒng)可靠性

　　電梯串行通訊系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，因此系統(tǒng)的可靠性也分硬件可靠性和軟件可靠性兩個(gè)方面。通過(guò)提高元器件的質(zhì)量，采用冗余設(shè)計(jì)，進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，增設(shè)抗干擾裝置等措施，能夠提高硬件的可靠性。但是，要讓整個(gè)系統(tǒng)得到理想的可靠性上述措施還顯不夠，還要利用軟件來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。利用軟件提高系統(tǒng)可靠性的措施主要有下面幾種。

　　4.1.1 設(shè)置自檢程序

　　系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后先對(duì)硬件進(jìn)行自檢，如硬件有故障，系統(tǒng)則停止運(yùn)行并報(bào)警。另外，各節(jié)點(diǎn)微處理器內(nèi)部設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志，程序運(yùn)行時(shí)不斷查詢這些狀態(tài)標(biāo)志，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。

　　4.1.2 指令冗余法

　　微處理器受干擾后，往往會(huì)把操作數(shù)當(dāng)操作碼來(lái)執(zhí)行，使程序的正確執(zhí)行順序被打亂且亂飛，即程序彈飛。若程序彈飛到某條單字指令上，則可自動(dòng)納入正軌；當(dāng)程序彈飛到某條雙字節(jié)指令上時(shí)，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯(cuò)；當(dāng)程序彈飛到3字節(jié)指令上時(shí)，因它有2個(gè)操作數(shù)，出錯(cuò)的幾率更大。

　　因此編程時(shí)應(yīng)盡量多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)指令（NOP），或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)書(shū)寫(xiě)，這便是指令冗余。指令冗余無(wú)疑會(huì)降低微處理器的工作效率，但在絕大多數(shù)情況下，微處理器還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程度。

　　4.1.3 設(shè)置軟件陷阱

　　在非程序區(qū)設(shè)置一些陷阱程序。正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)進(jìn)入非程序區(qū)，當(dāng)程序彈飛時(shí)就可能遇到這些陷阱，在陷阱處強(qiáng)令程序進(jìn)入初始狀態(tài)，避免出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。例如對(duì)于MC5-51系列單片機(jī)，可利用“LJMP #0000H”和“JB bit,aa”指令，在非程序區(qū)反復(fù)用 0200000002000000……H填滿。這樣不論程序計(jì)數(shù)器PC失控后指向哪一字節(jié)，最后都能讓程序回到復(fù)位狀態(tài)。

　　4.1.4 看門(mén)狗定時(shí)復(fù)位技術(shù)（WATCHDOG）

　　WATCHDOG可這樣設(shè)置：本身獨(dú)立工作，基本不依賴于CPU，CPU在1個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)和該系統(tǒng)打1次交道，以表明系統(tǒng)工作正常并封鎖復(fù)位信號(hào)。當(dāng)CPU陷入死循環(huán)后，則因超過(guò)規(guī)定的時(shí)間間隔而啟動(dòng)復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位。此外，前面介紹的監(jiān)視跟蹤定時(shí)器也屬于一種WATCHDOG。

　　4.1.5 輸入輸出信號(hào)的抗干擾技術(shù)

　　電梯串行通訊系統(tǒng)的輸入干擾主要來(lái)自于各層呼梯按鈕和轎內(nèi)操縱按鈕，由于干擾信號(hào)一般為持續(xù)時(shí)間很短的尖脈沖，因此在滿足采樣要求的前提下，將采樣延時(shí)一定時(shí)間（一般50ms以上），等輸入信號(hào)穩(wěn)定后再進(jìn)行取樣并輸入微處理器，即可消除輸入干擾。因?yàn)楦蓴_是隨機(jī)的，所以對(duì)于輸出干擾，編程時(shí)可以采取重復(fù)輸出的辦法加以克服。即在數(shù)據(jù)或控制信號(hào)輸出后，以最短的周期重復(fù)輸出原來(lái)的信息，這樣當(dāng)電梯控制系統(tǒng)接受到一個(gè)被干擾錯(cuò)誤信息后，還未來(lái)得及作出有效的反應(yīng)，錯(cuò)誤信息就已被糾正。當(dāng)然，如果對(duì)電梯控制系統(tǒng)的所有輸出信號(hào)都進(jìn)行重復(fù)輸出的話，難免會(huì)降低電梯控制系統(tǒng)的效率，但是，對(duì)于一些關(guān)鍵的輸出，如起動(dòng)、開(kāi)閘、減速、平層、下閘、停車(chē)、開(kāi)關(guān)門(mén)等命令，采用重復(fù)輸出將可大大提高電梯控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。

　　4.2 提高軟件的可靠性

　　雖然利用軟件可提高系統(tǒng)的可靠性，但是由于種種原因，軟件本身也會(huì)發(fā)生故障，因此應(yīng)采取措施，提高軟件的可靠性。

　　4.2.1 程序分段和層次結(jié)構(gòu)

　　在進(jìn)行程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將程序分成若干具有獨(dú)立功能的子程序塊。各子程序可單獨(dú)也可和其它程序一起使用，各子程序之間通過(guò)一個(gè)固定的通訊區(qū)和一些指定的單元進(jìn)行通訊。每個(gè)程序塊能分別進(jìn)行調(diào)整而不影響其它程序塊。這些各自獨(dú)立的程序塊在連接時(shí)，盡量減少程序之間的依賴關(guān)系，按層次排列，而各程序塊具有獨(dú)立功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于修改和擴(kuò)充，故障少。

　　例如，對(duì)于CANBUS通訊程序，就可分成下面3個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。①PCA82C200發(fā)送接收數(shù)據(jù)時(shí)能否產(chǎn)生中斷。調(diào)試時(shí)通過(guò)仿真器讀取 PCA82C200中斷寄存器的中斷字即可。②通訊程序能否正常執(zhí)行設(shè)定的命令。這牽涉到設(shè)定命令的具體情況，需分情況作出相應(yīng)的判斷。③通訊程序錯(cuò)誤處理能力和解決總線沖突能力的測(cè)試。這可以通過(guò)故意設(shè)置通訊錯(cuò)誤和頻繁通訊來(lái)檢驗(yàn)。

　　4.2.2 提高程序的可測(cè)試性設(shè)計(jì)

　　軟件故障具有和硬件不同的特點(diǎn)，軟件故障往往是在設(shè)計(jì)階段，由人為錯(cuò)誤或者在運(yùn)行初期輸入程序時(shí)的操作錯(cuò)誤而引起。這種存在程序中的錯(cuò)誤，必須通過(guò)反復(fù)測(cè)試才能發(fā)現(xiàn)。因此，必須進(jìn)行提高軟件可測(cè)試性設(shè)計(jì)，使軟件便于測(cè)試。