硬件系統高可靠性設計
1 硬件電路設計
硬件電路原理如圖1所示,在具體設計中,每個部分都應考慮抗干擾問題,以最大限度地減小干擾對整個系統性能的影響,確保系統具有足夠高的可靠性。
?、?a target="_blank">DSP部分
本控制器以TI公司的TMS320F2812(以下簡稱F2812)為核心,它是一款專用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片。F2812部分的電路設計重點考慮如下問題:
● 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內核電源上電的次序,且兩者上電時間差不能太長(一般不超過1s),否則會影響器件的使用壽命甚至損壞器件。本文采用TPS75733KTT和TPS76801Q電源芯片設計電源模塊,滿足了上述上電次序的特殊要求。
● 系統時鐘。F2812要求輸入時鐘信號電平為1.9V(此時主頻最高可達150MHz)或1.8V(此時最高主頻為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計系統時鐘。為提高系統整體工作的穩定性和可靠性,本設計采用一個晶體和兩個電容與F2812片內時鐘模塊構成振蕩電路,滿足了時鐘要求。
● 未用輸入/輸出引腳的處理。未用輸入引腳不能懸空不接,對于關鍵的控制輸入引腳(如Ready和Hold等),應固定接為高電平或低電平,非關鍵的輸入引腳應將其上拉或下拉為固定電平;未用的輸出引腳可懸空不接。
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本設計針對直流側采取了如下措施:
● 電源按內部和外部兩類單獨分開供電,并采取隔離、濾波及接地等技術措施。內部電源負責F2812核心系統供電,并設有電壓監視器,用于電源異常保護;而外部電源只與外部接口聯系。
● 對整流后的直流電壓采取了二級穩壓方式,以保證前級穩壓器受影響后仍能輸出規定的電壓。
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輸入輸出通道與過程相連,是過程干擾進入DSP系統的主要通道,也是DSP系統抗干擾設計的重要內容之一。輸入輸出通道抗干擾設計主要采取隔離措施,這樣可大大提高過程通道上的信噪比。
?、?a target="_blank">通信部分
F2812芯片具有兩個串行通信接口,可根據具體需要自由配置成標準串口RS-232或RS-485。本設計采用RS-232,且為了提高整個系統的抗干擾能力,選用了高抗干擾性驅動芯片MAX3160,并采用高速光耦進行隔離。
2 PCB電路板設計與制作
目前,電子設備普遍采用PCB電路板進行裝配。隨著集成電路及相關技術的飛速發展,PCB上的元器件密度越來越高,PCB設計與制作的質量對DSP系統可靠性的影響也越來越大。因此,在設計和制作PCB的時候,不僅要考慮元器件和線路的布置,還應符合相關的抗干擾設計規則。
?、貾CB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布線的布通率,更重要的是會影響儀器的整體性能,所以,布局時必須綜合考慮,并遵循一定的規則,具體包括:
● PCB板的幾何尺寸應合適,尺寸過大會增加線路阻抗,降低抗噪聲能力,尺寸過小則影響散熱,且相鄰線條易受干擾;
● 應將元件及信號合理分區,將強、弱信號分開,數字與模擬信號分開,干擾源與敏感元件分開;
● 盡可能按信號流程布置各功能模塊的位置,使信號方向一致;
● 以每個功能模塊的核心元件為中心進行元器件布局,且應考慮元器件排列及焊接,不能太密;
?、赑CB布線
在PCB設計過程中,布線工作的技巧性很強,是非常重要的一步。布線時應遵循如下規則:
● 相鄰兩層的布線方向應盡量垂直,必要時可加地線隔離;
● 地線和電源線應盡量加粗,以減小壓降和降低耦合噪聲;
● 數字電路的頻率高,模擬電路的敏感度強,布線時,應盡量將模擬器件遠離數字信號線,并用地線把數字區與模擬區隔離;
● 整個PCB板對外只有一個地線節點,而在PCB板內部,數字地和模擬地則是分開的,通??蓪底值睾湍M地在D/A轉換器的模擬地引腳處連在一起;
③電源線設計
解決干擾問題的辦法是將電源部分的器件單獨放在一起,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,應根據電流的大小,盡量加寬電源線,并盡可能使電源線和地線的走向與數據傳輸方向一致,以提高系統的抗噪聲能力。
④地線設計
電子系統的噪聲和干擾與其接地方式有密切的關系,良好的接地往往可解決大部分干擾問題。
對于低頻電路,布線和元器件間的電感影響比較小,而接地電路形成的環流對干擾影響會較大,此時應采用一點接地方式,以盡可能減小地線上的電位差;而對于高頻電路,地線阻抗會變得很大,此時縮短地線長度,以減小地線阻抗就成為關鍵問題,所以應采用就近多點接地方式。此外,應盡量加粗接地線,以減小地線電阻,否則,會由于接地電位變化而導致信號電平不穩,進而降低抗噪聲能力。
?、轂V波電容設計
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。而對于高頻干擾信號,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做高頻濾波,它可等效為一個電阻和一個電感的串聯,其高頻時的交流阻抗很大,而直流阻抗卻很?。ń咏?Ω),這樣,高頻干擾信號就被吸收,并以熱量形式消耗。
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