電梯串行通訊系統可靠性設計

　　3.1.2 共模干擾

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

　　在平衡傳輸中，對于采用差動(dòng)輸入結構的接收單元而言，共模干擾不起作用；但是在不平衡傳輸結構中，共模干擾將會(huì )轉為差模干擾而對接收單元造成影響，而且不平衡程度越大，影響就越嚴重[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電路與數字信號電路隔離開(kāi)來(lái)。光電隔離是利用光電耦合器來(lái)實(shí)現兩個(gè)電路系統間的隔離。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)現比較容易,應用廣泛。例如，在采用CANBUS網(wǎng)絡(luò )的電梯串行通訊系統中，CAN控制器PCA82C200與CAN驅動(dòng)器PCA82C250之間加接了高速光耦芯片 6N137來(lái)實(shí)現光電隔離，以提高系統的抗干擾能力.

　　信號從6N137的輸入端引腳輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內光通道傳送到光敏二極管，反向偏置的光敏管經(jīng)光照后導通，經(jīng)電流—電壓轉換后送到與門(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。當輸出信號電源小于觸發(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，可針對接收電路加上拉電阻或電壓調整電路。這樣就實(shí)現了CAN總線(xiàn)和CAN控制器之間的隔離，避免了CAN總線(xiàn)上的通訊干擾影響CAN控制器的工作。

　　3.1.3 長(cháng)線(xiàn)傳輸干擾

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

　　3.2 接地技術(shù)

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

　　3.2.1 電路板內的信號地

　　電路板內的信號地分為如下兩種情況：

　?。?）對于采用了諸如模擬放大器、模擬開(kāi)關(guān)、D/A轉換器等高精度模擬器件的電路板，接地必須嚴格要求。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(xiàn)應盡量放寬，絕對避免串聯(lián)接地形成的環(huán)路。

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

　　3.2.2 模擬量輸入信號與屏蔽的接地

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

4 串行通訊系統軟件的可靠性設計

　　4.1 利用軟件提高系統可靠性

　　電梯串行通訊系統是由硬件和軟件組成的，因此系統的可靠性也分硬件可靠性和軟件可靠性?xún)蓚€(gè)方面。通過(guò)提高元器件的質(zhì)量，采用冗余設計，進(jìn)行預防性維護，增設抗干擾裝置等措施，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)一步提高系統的可靠性。利用軟件提高系統可靠性的措施主要有下面幾種。

　　4.1.1 設置自檢程序

　　系統開(kāi)機后先對硬件進(jìn)行自檢，如硬件有故障，系統則停止運行并報警。另外，各節點(diǎn)微處理器內部設置狀態(tài)標志，程序運行時(shí)不斷查詢(xún)這些狀態(tài)標志，及時(shí)發(fā)現并糾正錯誤，以保證系統運行的高可靠性。

　　4.1.2 指令冗余法

　　微處理器受干擾后，往往會(huì )把操作數當操作碼來(lái)執行，使程序的正確執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；當程序彈飛到某條雙字節指令上時(shí)，有可能落到其操作數上，從而繼續出錯；當程序彈飛到3字節指令上時(shí)，因它有2個(gè)操作數，出錯的幾率更大。

　　因此編程時(shí)應盡量多采用單字節指令，并在關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節指令（NOP），或將有效單字節指令重復書(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，但在絕大多數情況下，微處理器還不至于忙到不能多執行幾條指令的程度。

　　4.1.3 設置軟件陷阱

　　在非程序區設置一些陷阱程序。正常運行時(shí)不會(huì )進(jìn)入非程序區，當程序彈飛時(shí)就可能遇到這些陷阱，在陷阱處強令程序進(jìn)入初始狀態(tài)，避免出現“死機”現象。例如對于MC5-51系列單片機，可利用“LJMP #0000H”和“JB bit,aa”指令，在非程序區反復用 0200000002000000……H填滿(mǎn)。這樣不論程序計數器PC失控后指向哪一字節，最后都能讓程序回到復位狀態(tài)。

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

　　WATCHDOG可這樣設置：本身獨立工作，基本不依賴(lài)于CPU，CPU在1個(gè)固定的時(shí)間間隔內和該系統打1次交道，以表明系統工作正常并封鎖復位信號。當CPU陷入死循環(huán)后，則因超過(guò)規定的時(shí)間間隔而啟動(dòng)復位信號使系統復位。此外，前面介紹的監視跟蹤定時(shí)器也屬于一種WATCHDOG。

　　4.1.5 輸入輸出信號的抗干擾技術(shù)

　　電梯串行通訊系統的輸入干擾主要來(lái)自于各層呼梯按鈕和轎內操縱按鈕，由于干擾信號一般為持續時(shí)間很短的尖脈沖，因此在滿(mǎn)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），等輸入信號穩定后再進(jìn)行取樣并輸入微處理器，即可消除輸入干擾。因為干擾是隨機的，所以對于輸出干擾，編程時(shí)可以采取重復輸出的辦法加以克服。即在數據或控制信號輸出后，以最短的周期重復輸出原來(lái)的信息，這樣當電梯控制系統接受到一個(gè)被干擾錯誤信息后，還未來(lái)得及作出有效的反應，錯誤信息就已被糾正。當然，如果對電梯控制系統的所有輸出信號都進(jìn)行重復輸出的話(huà)，難免會(huì )降低電梯控制系統的效率，但是，對于一些關(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，采用重復輸出將可大大提高電梯控制系統的可靠性和安全性。

　　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，因此應采取措施，提高軟件的可靠性。

　　4.2.1 程序分段和層次結構

　　在進(jìn)行程序結構設計時(shí)，將程序分成若干具有獨立功能的子程序塊。各子程序可單獨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)行調整而不影響其它程序塊。這些各自獨立的程序塊在連接時(shí)，盡量減少程序之間的依賴(lài)關(guān)系，按層次排列，而各程序塊具有獨立功能，結構簡(jiǎn)單，易于修改和擴充，故障少。

　　例如，對于CANBUS通訊程序，就可分成下面3個(gè)模塊進(jìn)行設計和調試。①PCA82C200發(fā)送接收數據時(shí)能否產(chǎn)生中斷。調試時(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行設定的命令。這牽涉到設定命令的具體情況，需分情況作出相應的判斷。③通訊程序錯誤處理能力和解決總線(xiàn)沖突能力的測試。這可以通過(guò)故意設置通訊錯誤和頻繁通訊來(lái)檢驗。

　　4.2.2 提高程序的可測試性設計

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