基于DSP的高可靠性嵌入式硬件系统设计研究

2016-01-29马文超

科学中国人 2016年29期

关键词：模拟量嵌入式电源

李　静，胡　超，马文超

济南汇智电力科技有限公司

基于DSP的高可靠性嵌入式硬件系统设计研究

李静，胡超，马文超

济南汇智电力科技有限公司

随着社会的快速发展，电子通讯技术得到了显著的提高，人们的生活方式因电子通讯技术的原因发生了巨大的变化。嵌入式技术是一种新型的通讯技术，其具有良好的抗干扰作用，为此，在电子通讯技术发展工程中，开展DSP的高可靠性嵌入式硬件系统进行探究十分必要。本文对DSP系统进行阐述，并探讨DSP的高可靠性嵌入式硬件系统设计要点。

DSP；嵌入式；硬件系统；设计

1.前言

现如今人们的生活已经离不开电子设备，电子通讯技术成为了人们生活中不可或缺的一部分，但是，在电子设备使用过程中，难免会受到干扰，尤其是工业控制现场嵌入式系统常常因受到电磁干扰的因素无法顺利开展工作，需要重视DSP的高可靠性嵌入式硬件系统设计研究，才能解决根本问题。

2.DSP系统分析

所谓的DSP技术就是人们常说的数字信号处理技术，数字信号处理问题无处不在，信息科学已渗透到所有现代自然科学和社会科学领域，该技术从诞生以来一直得到广泛使用，DSP技术主要使用在通讯领域中，在通讯领域中使用该技术，主要是采用DSP芯片、单片机等来体现该技术。DSP系统之所以能够得到广泛使用，主要原因在于其具有精度高、集成与接口简单方便、容易编程等特点，为此，在使用过程中得到了人们的认可［1］。DSP技术于20世纪60年代诞生，随着计算机技术的快速发展，DSP技术也取得了很大突破，在过去，DSP技术已经在通信领域中得到广泛使用，随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展，加之从60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。现如今，在数学等各领域中也得到使用，可见，该技术已经渗入到人们生活中的方方面面，对其进行深入研究具有重大意义［2］。

3.嵌入式硬件系统设计要点分析

3.1系统受干扰设计方法

嵌入式硬件系统可能受到的干扰主要来源于电源与电路，电源干扰尤为严重，电源线上可能存在的干扰有雷感应接电流、感应加热的高频感应以及无线电干扰等，已经对系统造成严重的影响。电源可能受到的干扰可以分为两类，一类是电源自身所造成的干扰（内部电源），另外一类是电路耦合的干扰（外部电源），为了避免受到干扰，内部电源可采用设置电压监视器的方式，将其作为核心系统电源，采用硬件、软件两者相互结合的方法进行电源的保护工作。而外部电源主要有24V、5V，与外部接口作用即可解决干扰问题，但是需要注意的是PCB的布局必须正确，对输出波、两路电源接地方式等，均一一做周全的考虑。电路的干扰主要有两种，即来自接口电路的干扰、来自通信电路的干扰。由于智能设备的借口对A/D、D/A转换精度等造成直接的影响，输入通道是干扰的主要通道，为此对其要给予高度重视。要达到抗感染的效果，最直接的方法就是讲电源系统切断，或者是切断传输通道，实现抗干扰一般情况下使用光电耦合器将过程通道、现场公用电线中断，实现抗干扰能力主要是光电耦合器，其具有良好的抗干扰能力［3］。

3.2印刷电路板的设计

对于DSP系统而言，印刷电路板至关重要，对DSP系统的可靠性具有直接的影响力，为此，开展PCB设计工作时，要将电能性列为重点考虑对象。在布线工作上，将可能的将高速线缩短，把小信号器件、功率信号器件一一分开，把存在密切关系的连线元器件整理集中放置，并对元器件布局、线路干扰等各种问题进行研究。由于噪声会产生电磁干扰，为此针对这一问题，需要采取消除低频干扰的措施。开展PCB滤波设计工作时，可以采用增加旁路电容滤波的方式来消除低频干扰，排除低频干扰的同时，也要考虑排除高频干扰，可采用在电源、地的引脚处布置旁路电容器的方式来消除高频干扰。退耦电容的摆放方式直接赢得到退藕的效果，若是摆放正确则可降低电源噪声［4］。为此，进行退耦电容摆放时正确的方式是将其摆放在接近电源管脚的地方，地线、电源走线两者之间所构成的面积尽量缩小。电容最佳状态是容性，但是，只有在谐振频率大于系统频率的情况下，才可表现为容性，反之则表现为感性。

3.3模拟量输入、输出通道设计要点

隔离采集信号要成功进入到DSP模拟量输入通道当中，需要满足一定的要求，即要达到DSP所需要的电压基本要求。将模拟信号4-20mA转化形成电压信号，但是所转化的电压信号大小不可超过3V，模拟量再使用脉冲宽度调制输出。在日常的电器控制中，常常采用低压器件进行强电流、高电压的模拟量控制工作，但是，采用方式是存在一个弊端就是会致使强电流、高电压流入到低压见当中，致使低压件被烧毁。为了保证设备能够正常运行，需要使用光耦实现隔离。在模拟量输入电路中，需要采用光电隔离技术，这样才能够保证精度、稳定性，并且，需要把稳压管要把运放的电源输入端连接到稳压管的两端部位，这样可以减少一组电源，但是，需要同时采用两个运放才能够达到相关要求［5］。模拟输出电路与输入电路存在很大的相似性，需要采用隔离、滤波才能够转化得到符合要求的电流。在数字量输入输出通道设计中，主要注意的是，输入电流需要经过光隔离才能够对光电耦合器不造成损害，为此，需要在光耦的输出端口布置一个二极管，避免出现反接现象，为了避免受到电磁波的感染，输出电路设计中，需要在光电隔离保护的前提下增加电压、电流等保护。