【正文】 計(jì)。為了保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，在對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按最壞的情況設(shè)計(jì)。(1) 注意元器件的電氣性能 元器件的電氣性能是指元器件所能承受的電壓、電流、功率等。在使用時(shí)不能超額工作。 對(duì)于電阻，除了要清楚阻值以外，還要注意誤差和功率。 對(duì)于電容，在多數(shù)情況下，將電容值改變10%100%，對(duì)電路沒有嚴(yán)重影響（濾波器和RC和LC等電路除外）。但應(yīng)注意電容的耐壓值，所選用的電容的耐壓值一定要高于系統(tǒng)中的電壓值，以避免電容器擊穿。另外，斷開電源后，電容上積累的電荷不會(huì)馬上消失。一般要在電容器的引出線與公共線或地線之間并接1KΩ左右的電阻，為電容器提供一條泄放回路。 對(duì)于CMOS數(shù)字集成電路，輸入信號(hào)的幅值應(yīng)處于地與電源之間，應(yīng)盡量避免輸入緩慢上升或下降的信號(hào)，以免產(chǎn)生額外的功耗，通常上升時(shí)間以15μS之內(nèi)為宜。未采用的引腳輸入端必須和電源或地相連，否則易于出現(xiàn)異?，F(xiàn)象或發(fā)生過流損壞。輸出端不許短路，尤其不能與電源和地短路。對(duì)CMOS集成電路焊接時(shí)，應(yīng)先切斷電源，利用余熱進(jìn)行焊接。對(duì)于使用最多的TTL集成電路，電源電壓不應(yīng)超過5177。，否則容易造成芯片損壞，或使芯片處于不正常的工作狀態(tài)。輸入信號(hào)的幅值應(yīng)處于地與電源之間，固定的高電平應(yīng)接在電源上，固定的低電平應(yīng)接在地上。(2) 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境條件對(duì)硬件參數(shù)的影響 由于環(huán)境因素的影響，不少測(cè)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)情況雖然良好，但在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行就頻繁出現(xiàn)故障。具體表現(xiàn)為：① 溫度：元件溫度過高或過低，都將增加其失效率。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按元器件熱參數(shù)的上下界，采用降限使用。同時(shí)應(yīng)適當(dāng)采取一定的降溫或升溫措施，以減少故障。② 干擾：在測(cè)控系統(tǒng)中，各種電磁干擾都可能耦合到控制系統(tǒng)中，也可能竄入計(jì)算機(jī)中，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采用各種有效的抗干擾措施。③ 電源：由于電源本身的波動(dòng)以及各種干擾經(jīng)電源進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)影響嚴(yán)重。在設(shè)計(jì)時(shí)必須采取相應(yīng)的措施。系統(tǒng)供電電源的容量應(yīng)大于負(fù)載的最大值，并應(yīng)留有足夠的余量。④ 空氣：在有些現(xiàn)場(chǎng)，空氣質(zhì)量很差。其中濕度很大，有時(shí)還有各種腐蝕氣體等。這些對(duì)電路元器件以及集成電路引腳都有較大影響，必須予以足夠的重視。(3) 考慮組裝工藝 在硬件設(shè)計(jì)中，組裝工藝直接影響硬件系統(tǒng)的可靠性。有時(shí)由于工藝上的原因引起的故障很難定位排除。例如，一個(gè)焊點(diǎn)出現(xiàn)虛焊時(shí)，必將導(dǎo)致這個(gè)系統(tǒng)在工作過程中時(shí)隱時(shí)患，出現(xiàn)工作不正常的現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)應(yīng)引起足夠的重視和考慮。(4) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)，是硬件可靠性設(shè)計(jì)的后期階段。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)注意元器件及設(shè)備的安裝方式，其次是控制工作環(huán)境條件，如通風(fēng)，除濕，防塵等。(5) 冗余設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)可以在元件級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)上進(jìn)行。但是冗余設(shè)計(jì)必須增加硬件，增加成本。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)權(quán)衡利弊關(guān)系。常用的措施是采用若干設(shè)備并聯(lián)，當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)中至少有一個(gè)裝置工作正常時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)即維持正常工作。在并聯(lián)系統(tǒng)中，如果所有設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，則稱之為熱備份；如果只有一個(gè)設(shè)備運(yùn)行，其它設(shè)備不工作，則稱之為冷備份。[514] 提高軟件系統(tǒng)可靠性的措施有哪些？軟件可靠性的定義是：軟件按規(guī)定的條件，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行而不發(fā)生故障的能力。為了保證軟件的可靠性，應(yīng)在軟件壽命周期的各個(gè)階段千方百計(jì)地減少缺陷。具體如下： (1)需求分析階段：主要措施是，全面理解用戶的使用要求、使用條件和軟件功能，在全面分析和與用戶充分交換意見的基礎(chǔ)上，制訂出軟件的技術(shù)規(guī)格書。該規(guī)格書要說明測(cè)試軟件的方法，有完整的軟件技術(shù)要求，用語要準(zhǔn)確和規(guī)范。 (2)設(shè)計(jì)階段：要把軟件的技術(shù)要求轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)方案?？刹扇〉姆椒ㄓ校鹤皂斚蛳略O(shè)計(jì)、采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)評(píng)審、（標(biāo)準(zhǔn)）模塊化設(shè)計(jì)、制訂和貫徹軟件可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。(3) 編碼階段：編碼就是把設(shè)計(jì)方案變成計(jì)算機(jī)語言，也就是所謂的編程序。編碼產(chǎn)生的缺陷也是軟件缺陷的一個(gè)主要來源。常見的編碼缺陷有：鍵入錯(cuò)代碼、原始數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤（含單位不一致等）、用了被零除這類不正確表達(dá)式等。應(yīng)在編碼過程中盡可能早地查出缺陷并予以改正。 (4) 檢驗(yàn)階段：檢驗(yàn)階段主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)軟件中的缺陷，并加以清除。這個(gè)階段對(duì)于保證軟件的可靠性是很關(guān)鍵的。為了查找缺陷，首先要對(duì)軟件進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)調(diào)試。需檢查源程序的結(jié)構(gòu)、方法和過程間的接口是否有誤，運(yùn)行時(shí)是否存在不必要的功能，檢查“要求”、“數(shù)據(jù)”、“結(jié)果”和“內(nèi)部程序工作狀態(tài)”對(duì)應(yīng)關(guān)系是否正確。軟件的測(cè)試按模塊測(cè)試、整體測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試的次序依次進(jìn)行，最終確認(rèn)軟件的全部功能能否正確而完全地實(shí)現(xiàn)。 (5) 維護(hù)階段：軟件交付使用后，要對(duì)使用中發(fā)現(xiàn)的殘存缺陷進(jìn)行糾正。同時(shí)，由于軟件的運(yùn)行環(huán)境和調(diào)試時(shí)不盡相同，也需對(duì)軟件進(jìn)行必要的修改、補(bǔ)充和完善。此時(shí)用戶也可能提出一些新的要求。此外，還應(yīng)經(jīng)常研究出錯(cuò)的記錄，前后對(duì)照和分析，弄清楚軟件是否存在某種隱患。軟件的可靠性設(shè)計(jì)方法(1) 數(shù)字濾波 數(shù)字濾波(Digital Filter) 是通過軟件計(jì)算的方式完成對(duì)信號(hào)的濾波，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，復(fù)用性好，允許自行定義分割點(diǎn)頻率，修改方便，可實(shí)現(xiàn)超低頻濾波。 常用的軟件濾波方法： 平均值濾波：把n次采樣結(jié)果的算術(shù)平均值作為輸出，也可以根據(jù)需要改變采樣值的權(quán)，形成加權(quán)平均值濾波。適用于對(duì)具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，缺點(diǎn)是速度慢。 中值濾波：把M次連續(xù)采樣值進(jìn)行排序，取其中位值作為濾波器的輸出。這種方法對(duì)變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有良好的濾波效果，能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，缺點(diǎn)是對(duì)快速變化的參數(shù)不宜。 　　 平滑濾波：把連續(xù)取n個(gè)采樣值看成一個(gè)序列，序列的長(zhǎng)度固定不變，采取先進(jìn)先出原則，把隊(duì)列中的n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算并輸出。平滑濾波對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的測(cè)控系統(tǒng)，缺點(diǎn)是靈敏度低，對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合。限幅濾波：根據(jù)采樣周期和真實(shí)信號(hào)的正常變化率確定相鄰兩次采樣的最大可能差值Δ，將本次采樣和上次采樣的差值小于等于Δ的信號(hào)認(rèn)為是有效信號(hào)，大于Δ的信號(hào)作為噪聲處理，放棄本次測(cè)量值，采用上次測(cè)量值代替本次值。優(yōu)點(diǎn)是能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，缺點(diǎn)是無法抑制周期性的干擾，平滑度差。 卡爾曼濾波：1960年，美國(guó)數(shù)學(xué)家卡爾曼(R. Kalman)提出了一種數(shù)學(xué)方法，可以把隨機(jī)出現(xiàn)的干擾“濾”掉，使監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和真實(shí)值達(dá)到最佳吻合，這便是著名的卡爾曼濾波。卡爾曼濾波器是一個(gè)最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法（optimal recursive data processing algorithm），對(duì)于大部分的問題是最優(yōu)的、效率最高的甚至是最有用的算法。它的廣泛應(yīng)用已經(jīng)超過30年，包括機(jī)器人導(dǎo)航，控制，傳感器數(shù)據(jù)融合甚至在軍事方面的雷達(dá)系統(tǒng)以及導(dǎo)彈追蹤等等。近年來更被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖像處理，例如頭臉識(shí)別，圖像分割，圖像邊緣檢測(cè)等等?？柭鼮V波技術(shù)現(xiàn)在已推廣到包括地震監(jiān)測(cè)和經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)的監(jiān)控等諸多領(lǐng)域。2) 指令冗余 在關(guān)鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫稱為指令冗余。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個(gè)字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動(dòng)納入正軌。此外，對(duì)系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP，也可將亂飛程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行。(3) 軟件陷阱 當(dāng)亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進(jìn)行出錯(cuò)處理。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復(fù)位入口地址的指令。 通常在非程序區(qū)填入絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令作為軟件陷阱。陷阱位置的安排，通常是在程序中未使用的地址空間、用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元、中斷服務(wù)程序中、地址空間的最后一條，當(dāng)亂飛程序落到此處，即可自動(dòng)入軌。 考慮到程序存貯器的容量，軟件陷阱一般1K空間有23個(gè)就可以進(jìn)行有效攔截。 4) 軟件“看門狗”技術(shù) “看門狗”技術(shù)可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時(shí)會(huì)破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷。則系統(tǒng)無法定時(shí)“喂狗”，硬件看門狗電路失效。而軟件看門狗可有效地解決這類問題。(5) 容錯(cuò)設(shè)計(jì)、光電系統(tǒng)的主動(dòng)系統(tǒng)與被動(dòng)系統(tǒng)，直接檢測(cè)系統(tǒng)與相干檢測(cè)系統(tǒng)各有何特點(diǎn)？主動(dòng)系統(tǒng)與被動(dòng)系統(tǒng) 主動(dòng)系統(tǒng)與被動(dòng)系統(tǒng)是指攜帶信息的光源（光煤介）是人為制造的還是自然輻射的。 主動(dòng)光電系統(tǒng)： 光電系統(tǒng)的照明是人工光源，如白熾燈、激光器等，被測(cè)信息通過調(diào)制的方法加載到光載波上去，然后用光電接收系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。被動(dòng)光電系統(tǒng) : 光電系統(tǒng)的照明光源是自然光（如太陽光）或者用不是為光電系統(tǒng)特殊設(shè)計(jì)的光源來攜帶光信息。按照光電系統(tǒng)中光電檢測(cè)是直接檢測(cè)光功率還是檢測(cè)光的振幅、頻率和相位則分為直接檢測(cè)系統(tǒng)和相干檢測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)系統(tǒng)： 不論是用相干光源還是非相干光源來攜帶光信息，檢測(cè)器件只直接檢測(cè)光強(qiáng)度。 相干檢測(cè)系統(tǒng)： 采用相干光源利用光波的振幅、頻率、相位來攜帶信息，光電檢測(cè)不是直接檢測(cè)光強(qiáng)而是檢測(cè)干涉條紋的振幅、頻率或相位。、說明光電系統(tǒng)的光電特性、光譜特性、光電靈敏度特性及頻率響應(yīng)特性的含義。光電特性 光電系統(tǒng)的光電特性即該系統(tǒng)輸入、輸出特性又稱為靜特性，其輸入量一般是光通量 或光照度E，輸出量一般是電壓或電流。若輸入量是光通量 ，輸出量是電壓，則其光電特性即為曲線 。若光電系統(tǒng)的光學(xué)變換是線性的，則系統(tǒng)的光電特性主要取決于光電探測(cè)器的光電特性。 任何一個(gè)光電測(cè)量系統(tǒng)希望其靜特性線性范圍大，以獲得較大的測(cè)量范圍，也希望其特性曲線的斜率大，以獲得較高的靈敏度。光電系統(tǒng)中光載波信號(hào)的能量來源是光源或輻射源，輻射能量由光源經(jīng)測(cè)試目標(biāo)、光學(xué)系統(tǒng)和傳輸介質(zhì)被光電檢測(cè)器接收。為了提高光能的利用效率，要求檢測(cè)器件的光譜靈敏度分布和輻射源的輻射度分布及各傳輸環(huán)節(jié)的透過率分布相覆蓋。 光譜響應(yīng)率又稱光電靈敏度，它是光電系統(tǒng)的光電檢測(cè)器件的輸出（電壓V或電流I）與入射光通量之比當(dāng)入射光照是以一定頻率變動(dòng)的交換光信息時(shí)，光照頻率的變化將會(huì)引起光電器件響應(yīng)率的變化。一般地，響應(yīng)率隨光照頻率升高而降低、什么是光電系統(tǒng)的光譜匹配、功率匹配與阻抗匹配？光譜匹配是指光學(xué)系統(tǒng)的光譜特性與光電檢測(cè)器件的光譜靈敏度特性相匹配。在光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光譜匹配的核心是光源的光譜峰值波長(zhǎng)應(yīng)與光電檢測(cè)器件對(duì)光譜的靈敏波長(zhǎng)相一致。通常是先根據(jù)光電系統(tǒng)的功能要求確定光源，然后再根據(jù)光源的峰值波長(zhǎng)選用與之光譜匹配的光電檢測(cè)器件。 功率匹配是指盡量最佳的使用光功率，它包含如下三個(gè)方面的內(nèi)容：，同時(shí)又盡量使入射光照射到全部光敏面上以充分利用光能，實(shí)現(xiàn)入射光與光電檢測(cè)器件的空間匹配。阻抗匹配 由于光電檢測(cè)器件是光電檢測(cè)電路的信號(hào)源，因此兩者之間應(yīng)具有良好的阻抗匹配，以獲得最佳的電信號(hào)輸出，在進(jìn)行光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)光電檢測(cè)器件的伏安特性選擇最佳工作點(diǎn)，還應(yīng)根據(jù)光電檢測(cè)器件和光信息的頻率特性進(jìn)行光電檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，以保證光電系統(tǒng)達(dá)到最佳的信號(hào)檢測(cè)能力。、光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮哪些重要原則？一、匹配原則 光電系統(tǒng)的核心是光學(xué)變換與光電變換，因而光電系統(tǒng)的光學(xué)部分與電子部分的匹配是十分重要的。這些匹配包括光譜匹配、功率匹配和阻抗匹配。匹配的核心是如何正常選擇光電檢測(cè)器件。 二、干擾光最小原則 光電系統(tǒng)中的干擾光主要指雜散光、背景光和“回授光”。干擾光最小原則指干擾光對(duì)光電系統(tǒng)影響最小，以使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。三、共光路原則 在光電系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量和減小共模干擾，經(jīng)常采用差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量的比較、光電系統(tǒng)常用光源有哪幾種，選擇他們應(yīng)考慮哪些問題？光電測(cè)量中的常用光源 太陽光 太陽向地球輻射熱我們稱之為陽光。陽光是復(fù)色光，太陽光源是很好的平行光源。白熾燈 白熾燈靠燈泡中的鎢絲被加熱而發(fā)光，它發(fā)出連續(xù)光譜。發(fā)光特性穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、可靠、壽命比較長(zhǎng)，得到廣泛的應(yīng)用。氣體放電光源 利用氣體放電原理來發(fā)光的光源稱為氣體放電光源。 特點(diǎn)： 1）發(fā)光效率高，比白熾燈高2～10倍，可節(jié)省能源。 2）結(jié)構(gòu)緊湊，耐震、耐沖擊。 3）壽命長(zhǎng)，大約是白熾燈的2～10倍，可節(jié)省能源。 4）光色范圍大，如晉通高壓汞燈發(fā)光波長(zhǎng)大約為400～500nm，低壓汞燈則為紫外燈，鈉燈呈黃色（589 nm），氙燈近日色，而水銀熒光燈為復(fù)色。 由于以上特點(diǎn)氣體放電光源經(jīng)常被用于工程照明和光電測(cè)量之中。 半導(dǎo)體發(fā)光器件 在電場(chǎng)的作用下使半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合而發(fā)光的器件稱為半導(dǎo)體發(fā)光器件，又稱為注入式場(chǎng)致發(fā)光光源，通常稱為L(zhǎng)ED。 激光光源 激光又稱為受激發(fā)射光，能激發(fā)出激光并能實(shí)現(xiàn)激光的持續(xù)發(fā)射的器件稱為激光器。、直接檢測(cè)光電系統(tǒng)的輸出光電流、光功率、信噪比的表達(dá)式及其物理意義。直接檢測(cè)是將待測(cè)的光信號(hào)直接入射到光電器件的光敏面上，光電器件的輸出電流或電壓與入射光強(qiáng)有關(guān)。
若入射光波的振幅為 ，那么入射光功率 ，光電檢測(cè)器件的輸出光電流為直接檢測(cè)屬于非相干檢測(cè)，它的噪聲有：信號(hào)光功率引起的噪聲，背景光功率引起的噪聲，光電器件內(nèi)阻引起的熱噪聲和光電器件暗電流引起的噪聲。、如何提高直接檢測(cè)光電系統(tǒng)的穩(wěn)定性？影響光功率直接檢測(cè)光電系統(tǒng)精度的主要誤差因素是照明光源發(fā)光強(qiáng)度的不穩(wěn)定和噪聲影響，下面對(duì)這兩個(gè)問題加以分析。對(duì)于光通量直接測(cè)量來說，穩(wěn)定的光照是極為重要的。 穩(wěn)定