航天器精度测量系统可靠性探讨

航天器精度测量系统可靠性探讨（通用11篇）

航天器精度测量系统可靠性探讨 篇1

航天器精度测量系统可靠性探讨

文章简要介绍了现代测量技术的发展,对航天器精度测量中的可靠性问题进行了初步探讨,给出了精度测量系统的可靠性框图及数学模型,并对精度测量工作过程进行了故障模式,影响及危害性分析,最后对测量系统的不确定度进行了分析.

作 者：刘建新 王伟 仝志民 作者单位：刘建新,王伟(北京卫星环境工程研究所,北京,100094)

仝志民(哈尔滨工业大学自动化测试与控制系,哈尔滨,150001)

刊 名：航天器环境工程 ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING年，卷(期)：25(2)分类号：V465 N945.17关键词：航天器 精度测量 可靠性 不确定度

航天器精度测量系统可靠性探讨 篇2

目前,在航天测控系统中测距方式主要有侧音测距和伪码测距。侧音测距由于采用一系列不同频率的测距音来解决距离模糊和测距精度的矛盾,接收机中必须配备大量高精度、高稳定度的窄带滤波器,使接收系统复杂化、成本高。随着扩频技术的发展,伪码测距方式以其较长的无模糊距离和较高的测量精度的显著优势,已经在航天测控中得到广泛应用。

伪码测距的原理和实现与侧音测距不同,从而在测量误差分析上产生较大变化,值得重新探讨和分析。

1 伪码测距误差基本理论

无线电测距在飞行器测控中占有重要位置。测距系统的发射机发射测距信号,接收机接收并恢复受到噪声干扰、时间延迟的测距信号回波,从中提取收发信号时延τ,从而确定目标与地面站之间的距离R=cτ/2。伪码测距通过确定相关函数峰值位置来确定时延估值,具有测量精度高和无模糊测量距离大的优点,已经广泛应用于卫星测距和深空测距中。

无线电测量设备的噪声和各种不稳定因素使测量值和真值之间存在一定的偏差,这个偏差叫做测量误差。测量误差主要包括粗差、系统误差和随机误差。

系统误差是测量误差中的稳定分量,一般可用解析模型来描述,它反映了测量值的正确度。引起系统误差的因素主要有:测量设备的零值分离不准、测量站的地理位置测量不准、外界温度变化、电波传播的不同路径以及大气对电波折射等引起的测量误差。理论上可以通过一定的处理把系统误差扣除掉,但实际存在不能摸清变化规律的部分,因此不能完全扣除。

随机误差是测量中不可预测的偏差,随机误差通常相关性小,它不能用解析函数来描述,必须通过概率的方法来研究,代表测量值的离散程度。引起测距随机误差的主要因素有:接收机内部噪声电路参数变化、主振相位抖动、工业与天电干扰、量化误差、机械装置测不准及测量条件变化等引起的误差。

2 星地测距系统的误差分析

航天测控系统中的伪码测距原理如图1所示。地面测量设备发射的上行伪码测距信号被星载接收机同步并转发,地面接收、解调并解扩下行测距信号,提取测距信息进行星地距离解算。系统中测距误差来源主要为星地测量设备引入的误差、电波大气折射误差以及由测量原理引入的误差。其中,星地测量设备引入的误差占主要部分。误差来源主要为星地测量设备引入的误差、电波大气折射误差以及由测量原理引入的误差。其中,星地测量设备引入的误差占主要部分。

2.1 地面设备引入的误差

扩频测控系统中,信号相位测量误差是最主要的误差。测距设备中的放大器、滤波器、AGC 部分、伪码跟踪环、频率源以及调制器,都会引起信号相位的测量误差。在各误差源中,码环估值误差为主要因素。码环估值误差与由于热噪声影响而产生的跟踪抖动、时钟频率不稳定以及相位测量量化误差有关。实际情况中,卫星运动将产生动态误差。现有测控设备基本采用二阶环,不能忽略航天器多普勒变化率引入的相位抖动,故其动态误差需考虑[1]。下面对设备引入的测距误差进行分析。

2.1.1 发射信号的相位噪声

已调发射信号的相位噪声、杂散干扰及发射链路其他因素产生测距伪码相位抖动,从而产生了测距伪码频率抖动,引入测距随机误差为:σR=2RSR。式中,SR为测距伪码频率的瞬时稳定度,可以直接从发射信号的相位噪声包络计算获得。当SR=2.8×10-11,R=45 000 km时,σR=0.002 5 m。

2.1.2 接收信号的相位噪声

接收机本振频率抖动、杂散干扰和信道其他因素产生接收信号的附加相位噪声,从而产生了测距伪码频率抖动,引入测距随机误差与发射信号的分析方法相同,取σR=0.004 5 m。

2.1.3 上行链路信号的群时延误差

在相位调制测距系统中,调制波群信号通过上行链路,由于温度、时间、工作频率及电平等因素的影响,将产生调制测距伪码相位漂移误差。影响群时延特性的设备主要包括高功放、滤波器等。调相器引起的相位抖动和漂移将产生基带信号相位变化,调相器后的滤波器受温度影响引起相位漂移。对于宽带扩频测控系统,上行链路的群时延产生的测距漂移误差可以控制在0.15 m。

2.1.4 下行链路信号的群时延误差

在相位调制测距系统中,调制波群信号通过下行链路,由于温度、时间、工作频率及多普勒频移等因素的影响,将产生调制测距伪码相位漂移误差。影响群时延特性的设备主要包括低噪声放大器和滤波器等。对于宽带扩频测控系统,下行链路的群时延产生的测距漂移误差可以控制在0.3 m。

2.1.5 电平动态误差

接收电平变化时,AGC控制网络将引入伪码相位漂移。电平动态引起的零值误差小于0.8 m。

2.1.6 采样时钟抖动引入的测距误差

采样时钟抖动在伪码数据中表征为附加的噪声,而且码跟踪环带宽很窄,故采样时钟抖动噪声可近似为零均值高斯白噪声。设采样时钟抖动方差为σundefined,则采样噪声Ni的方差为[2]:

undefined。 (1)

式中,A为码片幅度;b为A/D采样位数;fi为中频。式中的第1项主要是量化台阶带来的噪声,第2项是纯粹采样时钟抖动带来的噪声。

采样时钟抖动伪码测距精度的影响体现为采样时钟抖动噪声对伪码跟踪环性能的影响。采样时钟抖动带来的环路定时抖动可表示为:

undefined。 (2)

对测距精度的影响为:

undefined。 (3)

式中,undefined,码片波形为方波时,P′0=2。

当伪码速率为1 Mcps、采样频率为10 MHz、采样位数为8位、码跟踪环带宽为20 Hz、中频为70 MHz、采样时钟抖动均方误差为10-11时,σR=0.000 67 m。

2.1.7 伪码跟踪环路引入的误差

伪码跟踪采用包络相关延迟锁定环路,如图2所示[3]。码环估值误差与由于热噪声影响而产生的跟踪抖动、时钟频率不稳定及相位测量量化误差有关。

(1) 系统钟频率不稳定引入的误差

任何一种频率信号源输出的频率都存在不稳定性。频率源的相位噪声是指各种随机噪声造成的瞬时频率或相位起伏。时域内的频率稳定度一般采用阿伦方差来定义。系统钟频率抖动使跟踪环中本地伪码码钟相位抖动。对于二阶环,码钟的相位抖动估算为[1]:

undefined。 (4)

式中,σγ(τ)为采样间隔为τ的阿伦方差;fc为载波频率。

对于码速率为Rc的扩频伪码,引入的时延抖动为undefined。对测距精度的影响为undefined。

当环路带宽为20 Hz、阿伦方差undefined、载波频率为2.3 GHz、伪码速率为1 Mcps时,σR=0.006 9 m。

(2) 相位测量量化误差

直接数字频率合成器可以认为是数控振荡器加上D/A变换和滤波器组合而成的,信号输出质量更高。直接数字频率合成器的最小频率分辨率为:

undefined。 (5)

式中,N为频率控制字的位数。当N=32时,相位测量量化误差为4×10-5 m。

(3) 热噪声引入的均方根跟踪抖动

在工程实际中,延迟锁定环不可避免地受到噪声的干扰。噪声的来源主要有2类:一类是随输入信号一同进入环路的输入噪声和谐波干扰;另一类为跟踪环内部器件产生的自噪声。噪声和干扰的作用势必会降低跟踪环路的性能,使环路的输出相位产生抖动。下面在忽略码环自噪声的情况下,仅考虑输入高斯白噪声的影响。噪声是环路在跟踪过程达到稳态后,本地伪码对接收伪码存在相位误差。

设输入噪声是带限零均值高斯白噪声,其双边功率谱密度是N0/2。当无数据调制时,噪声对回路的影响最严重。此时,噪声在环路中引入的均方根跟踪抖动为[3]:

undefined。 (6)

式中,ρL为回路带宽内的信噪比;ρIF为中频带宽内的信噪比。

undefined,undefined。

式中,BL为跟踪回路的单边等效噪声带宽;Bn为中频滤波器的单边等效噪声带宽,取值为2倍的信息速率。

当环路带宽为20 Hz、信息速率为1 kps、信号噪声功率普密度比S/N0=37 dBHz、载波频率为2.3 GHz、伪码速率为1 Mcps时,undefined。

(4) 码跟踪环的动态性能

伪码跟踪环能够跟踪由于星地相对运动而产生的伪码相位偏移。由于多普勒频移的影响,观测区间上的伪码相位在附近展开时可表示为[4]:

undefined。 (7)

式(7)表示多普勒分量对伪码相位不同的影响。采用理想一阶、二阶、三阶码跟踪环能以一定的稳态误差跟踪输入信号的速度、加速度、加速度变化率分量。当环路滤波器使整个二阶伪码跟踪环路的动态响应达到最佳时,

undefined。 (8)

式中,Rc为伪码速率;f为载波频率。

当环路带宽为20 Hz、载波频率为2.3 GHz、伪码速率为1 Mcps、undefined时,ΔR=6.1×10-7m,可忽略不计。

2.1.8 频率源稳定度引入的误差

测距系统通过测量收发伪码相位差实现距离测量。频率源的短期不稳定性带来伪码相位噪声,引入的测距误差为:

undefined。 (9)

式中,undefined为伪码频率短期均方根频率稳定度因子;R为距离。

测距中伪码频率的长期不稳定度造成的误差是偏置型误差:

undefined。 (10)

式中,undefined为伪码频率长期均方根频率稳定度因子;R为距离。 对于稳定度因子为10-11的伪码时钟,频率源稳定度引入的误差很小。

2.1.9 校零残差

由于校零过程不完善以及校零设备的漂移误差,将产生设备零值扣不准引起的测距误差。在扩频体制下,校零残差可控制在1 m内。

2.2 电波大气折射误差

大气层中的对流层和电离层电波传播有显著的影响。电波在对流层中传播时,传播路径会发生弯曲,传播速度异于真空光速,从而产生电波的大气折射效应。电离层中含有大量的电子和离子,对电波传播也有影响,会引起测距群时延误差。对于电波大气折射误差需要通过采用模型法修正来降低它对无线电测距精度的影响。

2.3 星上设备引入的误差

星上设备与地面设备引入的测距误差基本相同。对于相干测距方式,星上应答机只是对测距伪码进行跟踪和转发,不用进行相位测量,所以没有跟踪环相位测量量化误差这一误差项;但对于非相干测距方式,星上存在相位测量量化误差。

3 结束语

综上可知,星地扩频伪码测距系统正常工作条件下,随机误差可控制在1 m、系统误差可控制在2 m。对于更高精度要求的轨道确定,还需深入分析伪码跟踪环路和AGC控制网络引入的测距误差以及设备校零残差,寻求更高测距精度的设备实现,并对大气折射误差建立更合适的修正模型。

参考文献

[1]唐军,谢澍霖,王卫星.航天扩频测控通信系统中伪码测距方法及精度分析[J].电讯技术,2006,(04):92-95.

[2]郁发新.采样时钟抖动为伪码测距精度的影响[J].传感技术学报,2007,20(5):1081-1084.

[3]田日才.扩频通信[M].北京:清华大学出版社,2007.

航天器精度测量系统可靠性探讨 篇3

【关键词】RTK；可靠性；测量精度

1.RTK技术的原理与应用

实时动态（RTK）差分定位原理是在基准站上设置GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测。根据基准站的已知三维坐标求出各观测值的校正值（坐标改正数、距离改正数或载波相位），并通过无线电通讯传输设备将校正值实时发送给各流动站，流动站将接收的GPS卫星信号与基准站传来的校正值进行差分计算，从而实时高精度地解算流动站的三维坐标。其工作原理它的系统由GPS接收设备，无线电通讯设备，电子手簿，蓄电池，基站和流动站天线及连线配套设备组成。目前，双频GPS接收机使用RTK技术，在10km范围内，实时定位精度可达到厘米级，已广泛应用于地形测量、地籍测量及各种工程测量等碎部点的数据采集及工程放样中。实时动态差分定位是GPS技术发展的一个新突破，它即克服了常规测量要求点间通视，费工费时而且点位精度不均匀，同时又避免了GPS静态及快速静态定位需要进行后处理。如果采取适当的测量措施，使其满足一、二级控制测量精度要求，将大大减轻测量作业的劳动强度，提高作业效率。

2.RTK定位精度及可靠性因素分析

RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，主要有以下几个因素。

2.1初始整周模糊度(初始化)

在RTK测量的作业模式中，OTF法（即on the fly,属运动中解算整周模糊度，即在流动站运动状态通过观测至少5个历元，按一定算法求出整周模糊度之差）已有多种算法，是一种有前途的方法。

在OTF解算未知的模糊值时，至少需要有5颗共同卫星，卫星数越多，解算模糊值时的速度越快，越可靠。研究表明，卫星数增加太多对提高RTK点位精度不显著，但可提高观测成果的可靠性。

2.2基准站与流动站间的数据传输

由于RTK技术是在两台GPS接收机间加一套无线电通讯系统来完成，在流动站完成初始化后，将基准站传送来的载波观测信号和流动站接收到的载波观测信号进行差分处理，实时求解出两点间的基线值，进而由基准站的坐标求得流动站的WGS-84坐标，通过坐标转换，即可实时求得流动站的坐标并给出其点位精度。因此，基准站和流动站的观测质量好坏以及无线电信号传播质量好坏对定位精度影响很大，主要包括卫星星数、大气状况等。

2.3GPS的测量误差

对流层和电离层都会对GPS信号传播造成影响，基线越长，影响越大。当基线较短时，其影响能够模拟，残差可通过观测值的差分处理得到削弱或消除。环境对RTK影响的主要因素有地形、基准站与流动站之间的障碍物、覆盖物、多路径效应误差、电波干扰等。观测方案和观测者的操作对RTK结果的质量和可靠性影响也很大，如：基准站位置的选择、校正点的选取、对中误差、天线姿态、观测次数等。

3.RTK精度可靠性试验方法

3.1用静态测量结果进行试验

作为RTK测量起算数据的高级控制网,一般用GPS静态获得,具有很高的可靠性。为检核坐标转换参数、已已知点纳入到测量链中的方式进行检查,这是一种十分有效的方法,可在任何情况下时使用。即在布测控制网时用静态GPS或全站仪多测出一些控制点，批量作业前用RTK测出这些控制点的坐标进行比较检核，发现问题即采取措施改正。

3.2双基站或多基站试验检测

在测区内同时建立两个以上基准站,每个基准站采用不同的頻率发送改正数据,流动站用变频开关选择性地分别接收每个基准站的改正数据,从而得到两个以上解算结果,比较这些结果就可检验其质量状况。这种方法的变通是在不同时段两次架站,但缺点是工作效率较低,所以使用不多。

为保证RTK测量精度的可靠,在同一地区,可以建立多个固定的基准站点,并统一求解转换参数和基准站点的WGS-84坐标。在RTK测量过程中,对同一待测点,用不同基准站点分别测量坐标,在限差范围内求均值。有条件的单位或地区,即具有多套相同型号GPS-RTK仪器的单位或地区,可分别同时在多个基准站点架基准站,同一台流动站只需改变每个基准站发射电台的频道,就可分别测出对应不同基准站的同一点的坐标,不但起检验的作用,而且能提高RTK精度。

3.3不同时段测量试验

对于缺少其他检验条件的待测点,还可以用同一基准站在不同时段(如隔几天)测量,若结果不同,则必有一个是错误的,需再次测量;若结果在限差范围内,则说明测量值正确,可取中数。

3.4测前测后的控制点检验

为保证RTK测量的可靠性,建议在每个基准站点附近设立几个检验控制点,每次RTK作业前,在架好基准站，流动站初始化后,就测试检验控制点,以判断卫星信号的正测试检验控制点,再次检测卫星信号的正常情况,来判断前面所测点位的可靠性。有条件的话,在作业中,检测一下附近控制点,可随时判断卫星信号的正常情况。特别注意,在同一地区若有相同型号的GPS接收机,如果转换参数不同,容易发生在公共频道(或相同频道)接收了其他单位参考站发出的数据链而导致测量数据错误。因此,有必要对本单位的GPS接收机设置特殊的识别码,以防止接收错误的数据链,同时加强对控制点或相关地物点的检测判断。

4.试验分析

从上述那些问题可以看出

4.1应用GPSRTK实时定位技术进行城市低等级平面控制测量，平面点位精度一般优于±5cm，其高效率、灵活、误差不积累、厘米级的高精度越来越受到测绘人员的青睐。在满足CJJ/T73—2010相应技术要求下，可代替相应等级的常规导线测量。

4.2与静态、快速静态GPS测量相比较，RTK无足够的几何检核条件，笔者认为不宜用来作首级控制。在使用RTK布设加密控制点时要加强检核，若代替一、二级点时可以采取在不同的基准站上分别独立施测或设立双基站的方式施测，取中数使用，这样不但避免了粗差，而且使点位精度得到提高。

4.3RTK定位的数据处理主要是基准站和流动站间的单基线处理，而基准站和流动站的观测数据质量及无线电信号的传播质量对定位精度的影响极大。因此，把基准站设立在要进行RTK测量区域的较高点上，提高基准站和流动站天线的架设高度。基准站与流动站应同步锁定5颗以上的卫星，且PDOP值应小于6。

4.4RTK测点必须在求取WGS-84坐标到地方坐标系转换参数的高级控制点的范围内，同时尽量均匀分布，最高、最低点也尽可能选点。点校正应选择4个（含4个）以上精度较高、分布均匀的控制点进行，对校正值较差的控制点应舍弃。

5.结束

综上所述，应用RTK技术进行平面控制测量是可行的，主要得益于RTK自身定位理论的优良性，并在作业时注意基准站位置的选择、控制流动站到基准站之间的距离、为求转换参数（点校正）而选择具有控制和代表测区范围及高度的数量足够的公共点。这样，RTK完全可以满足低等级控制测量，且各点间不存在误差积累。RTK测量与GPS静态测量相比，较易出错，必须进行质量控制，尤其在控制测量中更要进行内部和外部的可靠检验。■

【参考文献】

［１］徐绍铨等.GPS测量原理及应用.[M].武汉大学出版社.2003.

［２］李本玉,高伟,胡晓.GPS实时动态定位技术的发展与应用研究[J]．矿山测量，2009.

航天器精度测量系统可靠性探讨 篇4

提高测量精度的措施方法分析与探讨

测量的精确度是价格和计量诚信建设的.基础,也是社会信用系统不可缺少的重要组成部分之一,我们整顿和规范市场价格秩序,必须提高贸易结算使用的计量器具的测量精度,从而规范经营者的行为.本文通过对影响测量精确度因素的研究,找出提高测量精确度的有效措施,为维护良好市场秩序.

作 者：何水茂 作者单位：厦门市质量技术监督局计量所,福建,厦门,361004刊 名：中国科技博览英文刊名：ZHONGGUO BAOZHUANG KEJI BOLAN年，卷(期)：“”(20)分类号：P21关键词：测量精确 计量器具 市场秩序

航天器精度测量系统可靠性探讨 篇5

GPS RTK在地籍测量中的可靠性探讨

GPS RTK测量需要足够的卫星数和稳定的电台信号,而在城镇地籍测量中,这两个条件常常不能得到很好的满足.RTK的观测,计算,检核及误差处理高度集成,不能通过对中间过程进行控制来提高观测结果的可靠性.本文通过对工程实例的`数据分析,探讨了RTK测量粗差产生的原因,提出了提高可靠性的措施.

作 者：吕建涛 徐晓艳 作者单位：云南能源职业技术学院,云南,曲靖,655001刊 名：科技资讯英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：“”(22)分类号：P618.11关键词：RTK 可靠性 粗差

航天器精度测量系统可靠性探讨 篇6

液位测量技术应用广泛，常用的测量方法有浮子法、电容法、超声波法等。其中，电容式液位传感器由于其动态响应好、稳定性强等优点，常被应用于航空航天领域，其测量原理是通过检测液体中两个电极间的电容值来获取液位信息。

随着航天运载器推进技术的发展，低温液体推进剂由于其无毒、无污染的优点被各国广泛使用。航天运载器升空过程中对低温液体推进剂的监测和测量的手段很多，电容式液位测量法是最常用的方法之一。为了保证液位测量结果的准确性，需定期对所使用的液位传感器进行校准。本文围绕航天运载器低温液位校准技术展开研究，针对电容式液位传感器设计了一种测量范围为 0～2 m 的液位校准装置，该装置能模拟低温工作环境，其基本原理是采用比较法实现对电容式液位传感器的校准。低温液位校准装置工作原理与结构

本文设计的应用于电容式低温液位传感器的校准装置的工作原理是：在地面模拟航天运载器升空过程中液位的变化，根据相对运动原理，保持液位不变，通过校准装置带动电容式液位传感器上下移动，采用比较校准装置的测量结果与被校电容式液位传感器的测量结果的方式，来实现校准目的，并且可采用更高精度的双频激光干涉仪对所设计的校准装置进行校准，而双频激光干涉仪可送至国防科技工业一级计量站或省级计量测试机构校准，从而可将电容式液位传感器的测量结果溯源至中国长度计量基准，建立航天运载器所使用的电容式液位传感器的完整溯源链，以保证测量结果的准确可靠。低温液位校准装置的误差分析

为了实现电容式液位传感器的校准，根据计量学理论，将低温液位校准装置的测量精度设计为被校电容式液位传感器测量精度的 1/3～1/10，故所设计的低温液位校准装置的最大允许误差设计为 0.6 mm。为此必须对该校准装置测量过程中的误差源进行分析。在测量过程中，误差源主要来自测量装置误差、环境误差、方法误差和人员误差 4 个方面，具体表现为标准量误差、阿贝误差、热变形误差等。

2.1 标准量误差

低温液位校准装置通过测量光栅、伺服电机、导轨和滚珠丝杠组成闭环控制系统，实现连接杆的精确定位，所得测量信号被测量光栅读取，因此标准量测量光栅的示值误差11?(x)及连接杆定位误差12?(x)成为该校准装置的标准量误差的主要来源。

2.2 阿贝误差

低温液位校准装置的升降机构通过连接杆同时带动测量光栅的指示光栅和电容式液位传感器，测量光栅的标尺光栅粘贴在升降机构的立柱上，因此校准电容式液位传感器时的测量中心线不与基准测量光栅的运动轨迹共线，测量过程中由于连接杆上下移动，从而使连接杆摆动而产生阿贝误差。低温液位校准装置的精度设计

3.1 等作用原则的初步精度设计

根据上述对低温液位校准装置的误差来源、机械结构及所设计的具体精度要求的分析，对低温液位校准装置的精度进行设计。

3.2 标准量误差设计

标准量误差来源主要是测量光栅的示值误差和瞄准误差。根据选用的测量光栅的测量精度，取测量光栅的示值误差11?(x)?31.5 10 mm??，且可应用高精度的双频激光干涉仪对测量光栅进行校准。测量过程通过连接杆移动实现，则连接杆定位误差12?(x)可控制在21.0 10 mm??。因此，标准量的误差较小，可以将其精度要求适量提高。

3.3 阿贝误差设计

低温液位校准装置的升降机构通过连接杆同时带动测量光栅的指示光栅和电容式液位传感器，测量光栅的标尺光栅安装在升降机构的立柱上，因此校准电容式液位传感器时的测量中心线与基准测量光栅的运动轨迹不共线，测量过程中由于连接杆上下移动时发生摆动而产生阿贝误差。结 论

提高单片机系统可靠性方法探讨 篇7

单片机应用系统的可靠性是极为重要的，在影响单片机系统可靠性的诸多因素中,电源干扰可谓首屈一指。据统计,计算机应用的运行故障有90%以上是由电源噪声引起的。

1.1 交流电源干扰及其抑制

多数情况下,单片机运用系统都使用交流220 V、50 Hz的电源供电。在工业现场,生产负荷的经常变化,大型用电设备的启动与停止,往往要造成电源电压的波动,有时还会产生尖峰脉冲,这种高能尖峰脉冲的幅度约在50 000 V~4 000 V之间,持续时间为几个毫秒。它对计算机应用系统影响最大,能使系统的程序“跑飞”或使系统造成“死机”。因此,一方面要使系统尽量远离这些干扰源,另一方面要采用电源滤波器。这种滤波器是按频谱均衡原理设计的一种无源四端网络。为了提高系统供电的可靠性,还要采用交流稳压器,防止电源的过压和欠压。采用 1∶1隔离变压器,防止干扰通过初次级间的电容效应进入单片机供电系统。

1.2 直流电源抗干扰措施

1.2.1 采用高质量集成稳压电路单独供电

单片机应用系统中往往需要几种不同电压等级的直流电源。这时,可以采用相应的低纹波高质量集成稳压电路。每个稳压电路单独对电压过载进行保护,因此不会因某个电路出现故障使整个系统遭到破坏,而且也减少了公共阻抗的互相偶合,从而使供电系统的可靠性大大提高。

1.2.2 采用直流开关电源

直流开关电源是一种脉宽调制型电源。它甩掉了传统的工频变压器,具有体积小、重量轻、效率高、电网电压范围宽、变化时不易输出过电压和欠电压的特点, 在计算机应用系统中应用非常广泛。这种电源一般都有几个独立的电压输出,如±5 V、±12 V、±24 V等,电网电压波动范围可达220 V的 10%至-20%,同时,直流开关电源还具有较好的初、次级隔离作用。

1.2.3 采用DC-DC变换器

如果系统供电电网波动较大,或者精度要求高,可以采用DC-DC变换器。DC-DC变换器的特点是输入电压范围大、输出电压稳定且可调整、效率高、体积小,有多种封装形式。在单片机应用系统中获得了广泛的应用。

2 地线干扰及其抑制

在计算机应用系统中,接地是一个非常重要的问题。接地问题处理的正确与否,将直接影响系统的正常工作。

2.1 一点接地和多点接地的应用

在低频电路中,布线和元件间的寄生电感影响不大,因而常采用一点接地,以减少地线造成的地环路。在高频电路中,布线和元件间的寄生电感及分布电容将造成各接地线间的偶合,影响比较突出,此时应采用多点接地。

通常频率小于1 MHz时,采用一点接地;频率高于10 MHz时,采用多点接地;频率处于1 MHz~10 MHz之间时,若采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20。否则,应采用多点接地。

2.2 数字地与模拟地的连接原则

数字地是指TTL或CMOS芯片、I/O接口电路芯片、CPU芯片等数字逻辑电路的接地端,以及A/D、D/A转换器的数字地。模拟地是指放大器、取样保持器和A/D、D/A中模拟信号的接地端。在单片机系统中,数字地和模拟地应分别接地。即使是一个芯片上有两种地也要分别接地,然后在一点处把两种地连接起来,否则,数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源,将会对模拟信号产生影响。

2.3 印刷电路板的地线分布原则

TTL、CMOS器件的接地线要呈辐射网状,避免环形;板上地线的宽度要根据通过的电流大小而定,最好不小于3 mm。在可能的情况下,地线尽量加宽;旁路电容的地线不要太长;功率地通过电流信号较大,地线应较宽,必须与小信号地分开。

2.4 信号电缆屏蔽层的接地

信号电缆可以采用双绞线和多芯线,又有屏蔽和无屏蔽两种情况。双绞线具有抑制电磁干扰的作用,屏蔽线具有抑制静电磁感应干扰的作用。

对于屏蔽线,屏蔽层最佳的接地点是在信号源测(一点接地)。

3 其他提高系统可靠性的方法

3.1 硬件抗干扰设计

(1)选择抗干扰性能强的CPU。单片机和单片机抗干扰能力是不一样的。如果你的产品是工作在干扰比较大的环境,可以选用抗干扰能力强的单片机。

(2)数字量的光电隔离。开关量信号实际上有不同的信号传输方式:①TTL电平;②RS232电平(非平衡信号);③RS485电平(平衡信号或者差分信号);④电流环路(有电流或者无电流)。

单片机的输入输出口线是最容易引进干扰的地方;对于不使用的I/O口线,需要使用电阻上拉到高电平,不可悬置。直接将开关量信号接到单片机的口线上, 是最不可取的设计;至少要加一个缓冲驱动的芯片隔离,而且这个芯片要跟CPU尽量近;在严重干扰的情况下,需要将所有的口线采用光耦光电隔离。光耦隔离就是采用电流环路传输,避免在长线传输的时候,在传输线上积累高压和感应信号,使得数据紊乱甚至损坏TTL接口芯片,或者干扰单片机的正常运行，

注意,采用光电隔离是为了信号使用电流环路传输,而不是使用TTL电平传输,这意味着,从CPU模块的角度看,开关量输出、驱动器件,如74LS244/245 /07…等等,在CPU模块这里,光耦在另外一块电路板处;开关量输入,光耦在CPU模块处,而驱动器件在另外一块电路板处;这样才能形成电流环路。数字信号的电流环路的电流一般在5 mA～10 mA,根据光耦的指标而定。在工业环境下与CPU模块相对独立的键盘,需要使用光耦光电隔离接入到系统中,否则极易损坏接口芯片。

(3)模拟量的光电隔离。模拟量隔离有2种方法,一种是,使用线性光耦,隔离模拟量;由于线性光耦的价格昂贵,并且线性区也很窄,不推荐使用。比较常用的办法是,选用SPI接口,或者3线接口的AD或者DA,把数据、时钟和使能信号,使用光耦隔离。这实际上是把模拟量的信号转换成串行的开关量的数据流传输。另一种是使用4 mA～20 mA的电流环路,但是4 mA～20 mA的芯片价格比较昂贵,而且电路也复杂。

(4)模拟量的通讯传输。使用一个CPU,把模拟量读入到CPU,再通过RS485接口把数据按照通讯协议,传输到主CPU模块;当然,也可以传输开关量信号等。实际上,这是一个分布式的测控网络的方法;多板的单片机测控系统经常使用这种方法。

(5)独立的“看门狗”。选用独立的“看门狗”作为系统复位信号产生;当系统跑飞时,由于没有“喂狗”,“看门狗”产生复位信号,使得系统可以最大限度地找回跑飞前的数据,尽可能重新开始平稳的运行。

(6)采用RS232电平传输。比如,机箱的面板显示,经常采用max7219,这时如果使用TTL电平,经常被干扰使得显示不正常;可以在发送端使用一片MAX232,将TTL电平转换成RS232电平,在面板显示电路板,选用一片MC1489,将RS232电平,转换TTL电平,加强驱动能力,就可以保证信号正确传输。

(7)采用RS422电平传输。同样,也可以在发送端,采用一片MAX485,将TTL电平转换成RS485电平,在接收端,选用一片MAX485,将RS485电平,转换TTL电平,就可以保证信号正确传输。

3.2 单片机软件抗干扰

在单片机软件程序的设计中,采用一些措施来提高单片机系统工作的可靠性。软件抗干扰研究的内容主要是:①消除模拟输入信号的噪声(如数字滤波技术);②程序运行混乱时使程序进入正轨的方法。这里针对后者提出几种有效的软件抗干扰方法。

3.2.1 指令冗余技术

单片机CPU取指令过程是先取操作码,再取操作数。当PC受干扰出现错误,程序便脱离正常轨道“乱飞”,当“乱飞”到某双字节指令,若取指令时刻落在操作数上,误将操作数当作操作码,程序将出错。若“飞”到了三字节指令,出错概率更大。在关键地方人为插入一些单字节指令,或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使“乱飞”程序飞到操作数上,由于空操作指令NOP的存在,避免了后面的指令被当作操作数执行,程序自动纳入正轨。此外,对系统流向起重要作用的指令如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP,也可将“乱飞”程序纳入正轨,确保这些重要指令的执行。

3.2.2 软件陷阱技术

当“乱飞”程序进入非程序区,冗余指令便无法起作用。通过设置软件陷阱,拦截“乱飞”程序,将其引向指定位置,再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的“乱飞”程序引向复位入口地址0000H的指令。

例如,对于8051单片机,通常在单片机程序存储器中非程序区填入以下指令作为软件陷阱:

NOP

NOP

LJMP0000H

在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放时,在对应的中断服务程序中设置软件陷阱,能及时捕获错误的中断。如某应用系统虽未用到外部中断1,外部中断1的中断服务程序可为如下形式:

NOP

NOP?

RETI

返回指令可用“RETI”,也可用“LJMP 0000H”。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可靠、完善,用“LJMP 0000H”作返回指令可直接进入故障诊断程序,尽早地处理故障并恢复程序的运行。考虑到程序存储器的容量,软件陷阱一般1K空间有2~3个就可以进行有效拦截。

3.2.3 软件“看门狗”技术

高精度时间间隔测量方法综述 篇8

高精度时间间隔测量方法综述

时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用,加何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题,在分析电子计数法测量原理与误差的基础上,重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法,这些方法都是对电子计数法的.原理误差进行测量,并且取得了非常好的效果;最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景.

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作 者：吴斌 薛婷 邾继贵 叶声华 WU Bin XUE Ting ZHU Ji-gui YE Sheng-hua 作者单位：天津大学,精密测试技术与仪器国家重点实验室,天津,300072刊 名：光电工程 ISTIC PKU英文刊名：OPTO-ELECTRONIC ENGINEERING年，卷(期)：32(12)分类号：V556关键词：通用摄像机标定 传感器标定 距离约束 目标函数

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