【正文】 計。為了保證整個系統(tǒng)的可靠性，在對電路系統(tǒng)進行設計時，應按最壞的情況設計。(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。在使用時不能超額工作。 對于電阻，除了要清楚阻值以外，還要注意誤差和功率。 對于電容，在多數情況下，將電容值改變10%100%，對電路沒有嚴重影響（濾波器和RC和LC等電路除外）。但應注意電容的耐壓值，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。 對于CMOS數字集成電路，輸入信號的幅值應處于地與電源之間，應盡量避免輸入緩慢上升或下降的信號，以免產生額外的功耗，通常上升時間以15μS之內為宜。未采用的引腳輸入端必須和電源或地相連，否則易于出現異?，F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CMOS集成電路焊接時，應先切斷電源，利用余熱進行焊接。對于使用最多的TTL集成電路，電源電壓不應超過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)。輸入信號的幅值應處于地與電源之間，固定的高電平應接在電源上，固定的低電平應接在地上。(2) 設計時應考慮環(huán)境條件對硬件參數的影響 由于環(huán)境因素的影響，不少測控系統(tǒng)實驗情況雖然良好，但在現場長期運行就頻繁出現故障。具體表現為：① 溫度：元件溫度過高或過低，都將增加其失效率。在進行系統(tǒng)設計時，應按元器件熱參數的上下界，采用降限使用。同時應適當采取一定的降溫或升溫措施，以減少故障。② 干擾：在測控系統(tǒng)中，各種電磁干擾都可能耦合到控制系統(tǒng)中，也可能竄入計算機中，在設計時應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以及各種干擾經電源進入系統(tǒng)，對測控系統(tǒng)影響嚴重。在設計時必須采取相應的措施。系統(tǒng)供電電源的容量應大于負載的最大值，并應留有足夠的余量。④ 空氣：在有些現場，空氣質量很差。其中濕度很大，有時還有各種腐蝕氣體等。這些對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 在硬件設計中，組裝工藝直接影響硬件系統(tǒng)的可靠性。有時由于工藝上的原因引起的故障很難定位排除。例如，一個焊點出現虛焊時，必將導致這個系統(tǒng)在工作過程中時隱時患，出現工作不正常的現象。在設計印制電路板時應引起足夠的重視和考慮。(4) 優(yōu)化結構設計 結構可靠性設計，是硬件可靠性設計的后期階段。在結構設計時，首先應注意元器件及設備的安裝方式，其次是控制工作環(huán)境條件，如通風，除濕，防塵等。(5) 冗余設計 硬件系統(tǒng)的冗余設計可以在元件級、子系統(tǒng)級、系統(tǒng)級上進行。但是冗余設計必須增加硬件，增加成本。因此在設計時應仔細權衡利弊關系。常用的措施是采用若干設備并聯，當并聯系統(tǒng)中至少有一個裝置工作正常時，整個系統(tǒng)即維持正常工作。在并聯系統(tǒng)中，如果所有設備同時運行，則稱之為熱備份；如果只有一個設備運行，其它設備不工作，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)定的時間內運行而不發(fā)生故障的能力。為了保證軟件的可靠性，應在軟件壽命周期的各個階段千方百計地減少缺陷。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上，制訂出軟件的技術規(guī)格書。該規(guī)格書要說明測試軟件的方法，有完整的軟件技術要求，用語要準確和規(guī)范。 (2)設計階段：要把軟件的技術要求轉換成設計方案。可采取的方法有：自頂向下設計、采用結構化程序設計、容錯設計、設計評審、（標準）模塊化設計、制訂和貫徹軟件可靠性設計準則。(3) 編碼階段：編碼就是把設計方案變成計算機語言，也就是所謂的編程序。編碼產生的缺陷也是軟件缺陷的一個主要來源。常見的編碼缺陷有：鍵入錯代碼、原始數據輸入錯誤（含單位不一致等）、用了被零除這類不正確表達式等。應在編碼過程中盡可能早地查出缺陷并予以改正。 (4) 檢驗階段：檢驗階段主要任務是發(fā)現軟件中的缺陷，并加以清除。這個階段對于保證軟件的可靠性是很關鍵的。為了查找缺陷，首先要對軟件進行靜、動態(tài)調試。需檢查源程序的結構、方法和過程間的接口是否有誤，運行時是否存在不必要的功能，檢查“要求”、“數據”、“結果”和“內部程序工作狀態(tài)”對應關系是否正確。軟件的測試按模塊測試、整體測試和系統(tǒng)測試的次序依次進行，最終確認軟件的全部功能能否正確而完全地實現。 (5) 維護階段：軟件交付使用后，要對使用中發(fā)現的殘存缺陷進行糾正。同時，由于軟件的運行環(huán)境和調試時不盡相同，也需對軟件進行必要的修改、補充和完善。此時用戶也可能提出一些新的要求。此外，還應經常研究出錯的記錄，前后對照和分析，弄清楚軟件是否存在某種隱患。軟件的可靠性設計方法(1) 數字濾波 數字濾波(Digital Filter) 是通過軟件計算的方式完成對信號的濾波，具有更強的適應性，復用性好，允許自行定義分割點頻率，修改方便，可實現超低頻濾波。 常用的軟件濾波方法： 平均值濾波：把n次采樣結果的算術平均值作為輸出，也可以根據需要改變采樣值的權，形成加權平均值濾波。適用于對具有隨機干擾的信號進行濾波，缺點是速度慢。 中值濾波：把M次連續(xù)采樣值進行排序，取其中位值作為濾波器的輸出。這種方法對變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果，能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，缺點是對快速變化的參數不宜。 　　 平滑濾波：把連續(xù)取n個采樣值看成一個序列，序列的長度固定不變，采取先進先出原則，把隊列中的n個數據進行算術平均運算并輸出。平滑濾波對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控系統(tǒng)，缺點是靈敏度低，對偶然出現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重的場合。限幅濾波：根據采樣周期和真實信號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的信號認為是有效信號，大于Δ的信號作為噪聲處理，放棄本次測量值，采用上次測量值代替本次值。優(yōu)點是能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，缺點是無法抑制周期性的干擾，平滑度差。 卡爾曼濾波：1960年，美國數學家卡爾曼(R. Kalman)提出了一種數學方法，可以把隨機出現的干擾“濾”掉，使監(jiān)測的數據和真實值達到最佳吻合，這便是著名的卡爾曼濾波?？柭鼮V波器是一個最優(yōu)化自回歸數據處理算法（optimal recursive data processing algorithm），對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。它的廣泛應用已經超過30年，包括機器人導航，控制，傳感器數據融合甚至在軍事方面的雷達系統(tǒng)以及導彈追蹤等等。近年來更被應用于計算機圖像處理，例如頭臉識別，圖像分割，圖像邊緣檢測等等。卡爾曼濾波技術現在已推廣到包括地震監(jiān)測和經濟趨勢的監(jiān)控等諸多領域。2) 指令冗余 在關鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或將有效單字節(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)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當作操作數執(zhí)行，程序自動納入正軌。此外，對系統(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 當亂飛程序進入非程序區(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，再進行出錯處理。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復位入口地址的指令。 通常在非程序區(qū)填入絕對跳轉指令作為軟件陷阱。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、中斷服務程序中、地址空間的最后一條，當亂飛程序落到此處，即可自動入軌。 考慮到程序存貯器的容量，軟件陷阱一般1K空間有23個就可以進行有效攔截。 4) 軟件“看門狗”技術 “看門狗”技術可由硬件實現，也可由軟件實現。在工業(yè)應用中，嚴重的干擾有時會破壞中斷方式控制字，關閉中斷。則系統(tǒng)無法定時“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) 容錯設計、光電系統(tǒng)的主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)，直接檢測系統(tǒng)與相干檢測系統(tǒng)各有何特點？主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng) 主動系統(tǒng)與被動系統(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，被測信息通過調制的方法加載到光載波上去，然后用光電接收系統(tǒng)進行檢測。被動光電系統(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)特殊設計的光源來攜帶光信息。按照光電系統(tǒng)中光電檢測是直接檢測光功率還是檢測光的振幅、頻率和相位則分為直接檢測系統(tǒng)和相干檢測系統(tǒng)直接檢測系統(tǒng)： 不論是用相干光源還是非相干光源來攜帶光信息，檢測器件只直接檢測光強度。 相干檢測系統(tǒng)： 采用相干光源利用光波的振幅、頻率、相位來攜帶信息，光電檢測不是直接檢測光強而是檢測干涉條紋的振幅、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)的光學變換是線性的，則系統(tǒng)的光電特性主要取決于光電探測器的光電特性。 任何一個光電測量系統(tǒng)希望其靜特性線性范圍大，以獲得較大的測量范圍，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)中光載波信號的能量來源是光源或輻射源，輻射能量由光源經測試目標、光學系統(tǒng)和傳輸介質被光電檢測器接收。為了提高光能的利用效率，要求檢測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。 光譜響應率又稱光電靈敏度，它是光電系統(tǒng)的光電檢測器件的輸出（電壓V或電流I）與入射光通量之比當入射光照是以一定頻率變動的交換光信息時，光照頻率的變化將會引起光電器件響應率的變化。一般地，響應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？光譜匹配是指光學系統(tǒng)的光譜特性與光電檢測器件的光譜靈敏度特性相匹配。在光電系統(tǒng)設計中，光譜匹配的核心是光源的光譜峰值波長應與光電檢測器件對光譜的靈敏波長相一致。通常是先根據光電系統(tǒng)的功能要求確定光源，然后再根據光源的峰值波長選用與之光譜匹配的光電檢測器件。 功率匹配是指盡量最佳的使用光功率，它包含如下三個方面的內容：，同時又盡量使入射光照射到全部光敏面上以充分利用光能，實現入射光與光電檢測器件的空間匹配。阻抗匹配 由于光電檢測器件是光電檢測電路的信號源，因此兩者之間應具有良好的阻抗匹配，以獲得最佳的電信號輸出，在進行光電檢測電路設計時應根據光電檢測器件的伏安特性選擇最佳工作點，還應根據光電檢測器件和光信息的頻率特性進行光電檢測電路的動態(tài)設計，以保證光電系統(tǒng)達到最佳的信號檢測能力。、光電系統(tǒng)設計要考慮哪些重要原則？一、匹配原則 光電系統(tǒng)的核心是光學變換與光電變換，因而光電系統(tǒng)的光學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。三、共光路原則 在光電系統(tǒng)中為了實現精密測量和減小共模干擾，經常采用差動測量系統(tǒng)，以實現被測量與標準量的比較、光電系統(tǒng)常用光源有哪幾種，選擇他們應考慮哪些問題？光電測量中的常用光源 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、簡單、可靠、壽命比較長，得到廣泛的應用。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： 1）發(fā)光效率高，比白熾燈高2～10倍，可節(jié)省能源。 2）結構緊湊，耐震、耐沖擊。 3）壽命長，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，而水銀熒光燈為復色。 由于以上特點氣體放電光源經常被用于工程照明和光電測量之中。 半導體發(fā)光器件 在電場的作用下使半導體的電子與空穴復合而發(fā)光的器件稱為半導體發(fā)光器件，又稱為注入式場致發(fā)光光源，通常稱為LED。 激光光源 激光又稱為受激發(fā)射光，能激發(fā)出激光并能實現激光的持續(xù)發(fā)射的器件稱為激光器。、直接檢測光電系統(tǒng)的輸出光電流、光功率、信噪比的表達式及其物理意義。直接檢測是將待測的光信號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有關。
若入射光波的振幅為 ，那么入射光功率 ，光電檢測器件的輸出光電流為直接檢測屬于非相干檢測，它的噪聲有：信號光功率引起的噪聲，背景光功率引起的噪聲，光電器件內阻引起的熱噪聲和光電器件暗電流引起的噪聲。、如何提高直接檢測光電系統(tǒng)的穩(wěn)定性？影響光功率直接檢測光電系統(tǒng)精度的主要誤差因素是照明光源發(fā)光強度的不穩(wěn)定和噪聲影響，下面對這兩個問題加以分析。對于光通量直接測量來說，穩(wěn)定的光照是極為重要的。 穩(wěn)定