在嵌入式系統開發中，確保系統穩定性和抗幹擾能力至關重要，尤其在高精確度測量或惡劣環境下。本文將探討如何從硬體和軟體層面設計穩定可靠的嵌入式系統，並介紹相關的測試標準和預測分析方法。硬體設計方面，著重於訊號線路規劃、電源隔離和濾波等技術，以降低電磁幹擾的影響。軟體設計則涵蓋容錯架構、資料去異值處理、冗餘判斷和動態閾值調整等策略，以提升系統的容錯能力和適應性。此外，韌體設計也至關重要，包含 Watchdog、Heap/Stack 檢查、OTA 降級備援等機制，以確保系統在各種情況下都能穩定執行。
穩定性與抗幹擾設計原則
在真實環境中，高精密儀器的長期運作需要穩定性設計原則和電磁幹擾（EMI）對應策略。系統穩定性不僅取決於硬體品質，亦依賴數學演算法對於環境變化、電氣雜訊和突發事件的抑制能力。抗幹擾設計則涉及訊號線路規劃、電源隔離和軟體容錯架構。
穩定性需求定義與測試標準
在精密量測中，穩定性是指系統在長期、連續或多變環境下仍維持量測結果一致的能力。測試指標包括重複性誤差、長期漂移誤差、隨溫度漂移、雜訊底限和訊號抖動。常用測試方法包括重複放置固定砝碼、將裝置置於不同溫度環境下進行漂移量測和長期執行紀錄重量波動幅度。
測試指標詳細解釋
- 重複性誤差：指系統在相同條件下多次測量的結果之間的差異。
- 長期漂移誤差：指系統在長期運作中測量結果的變化。
- 隨溫度漂移：指系統在不同溫度下測量結果的變化。
- 雜訊底限：指系統在理想條件下仍存在的最小雜訊。
- 訊號抖動：指系統的訊號在短時間內的快速變化。
EMI 電磁幹擾來源與數學建模
常見的幹擾來源包括電源雜訊、馬達啟動電流尖峰和無線模組發射瞬間幹擾。數學建模可以幫助我們瞭解和預測這些幹擾的影響。
幹擾來源詳細解釋
- 電源雜訊：指電源供應器的開關頻率幹擾。
- 馬達啟動電流尖峰：指馬達啟動時的高電流尖峰。
- 無線模組發射瞬間幹擾：指無線模組發射訊號時的瞬間幹擾。
訊號線路規劃與電源隔離
訊號線路規劃和電源隔離是抗幹擾設計的重要部分。透過合理的線路規劃和電源隔離，可以有效地減少電磁幹擾的影響。
訊號線路規劃
- 將訊號線路遠離幹擾源。
- 使用遮蔽線或同軸線減少電磁幹擾。
- 避免訊號線路交叉或平行。
電源隔離
- 使用電源隔離器或變壓器隔離電源。
- 避免電源線路交叉或平行。
- 使用電源濾波器減少電源雜訊。
軟體容錯架構
軟體容錯架構是指系統在發生錯誤或故障時的還原和修復機制。透過設計合理的軟體容錯架構，可以有效地提高系統的可靠性和穩定性。
軟體容錯架構設計
- 設計錯誤檢測和報警機制。
- 實作自動修復和還原機制。
- 使用冗餘和備份機制提高系統可靠性。
硬體層抗幹擾設計與軟體抗幹擾策略
在設計電子系統時，抗幹擾設計是一個非常重要的方面。電子系統在執行過程中可能會受到各種幹擾的影響，包括電磁幹擾（EMI）、射頻幹擾（RFI）等。這些幹擾可能會對系統的正常執行產生影響，甚至導致系統失敗。因此，設計師需要採取有效的措施來減少或消除這些幹擾。
硬體層抗幹擾設計
硬體層抗幹擾設計是指在電子系統的硬體設計中採取的措施，以減少或消除幹擾。以下是幾種常見的硬體層抗幹擾設計方法：
- 佈線隔離：感測器訊號線與數位訊號須垂直走線，避免平行感應。這樣可以減少兩個線路之間的電磁幹擾。
- 濾波電容：在ADC與感測器間加裝濾波電容，可以過濾掉高頻的幹擾訊號。
- TVS管與RC緩衝保護數位I/O：TVS管可以保護數位I/O免受過電壓的影響，RC緩衝可以減少數位I/O的電磁幹擾。
- 分割槽電源隔離：類比電路與數位電路使用LDO隔離，可以減少兩個電路之間的電磁幹擾。
- 接地設計：數位地與模擬地單點連線於MCU GND，可以減少兩個電路之間的電磁幹擾。
軟體抗幹擾策略
軟體抗幹擾策略是指在電子系統的軟體設計中採取的措施，以減少或消除幹擾。以下是幾種常見的軟體抗幹擾策略：
- 資料去異值處理（Outlier Rejection）：設定Z-Score > 3的資料為異常，排除該筆資料。這樣可以減少資料中的異常值對系統的影響。
- 多重冗餘判斷：權重、條碼、影像辨識三者結果須一致才執行下一步。這樣可以增加系統的可靠性，減少誤判的可能性。
- 短時平均法（Short-Term Averaging）：保留近5秒平均資料與變異程度，如波動過大則延後更新。這樣可以減少短時的幹擾對系統的影響。
- 動態閾值調整：根據背景雜訊環境自動調整感測範圍容許誤差（Adaptive Threshold）。這樣可以增加系統的適應性，減少背景雜訊對系統的影響。
韌體穩定性與當機保護設計
在設計韌體時，穩定性和當機保護是兩個非常重要的方面。為了確保系統的可靠性和穩定性，需要實施多種機制。
Watchdog Timer（WDT）
Watchdog Timer是一種用於監控系統主迴圈的機制，當系統主迴圈鎖死或無法正常執行時，Watchdog Timer會自動重啟系統，確保系統的穩定性和可靠性。
Heap/Stack 檢查機制
Heap/Stack 檢查機制是用於偵測記憶體溢位的機制，當系統的記憶體使用超過預設的限制時，會觸發這個機制，防止系統當機。
OTA 時的降級備援
在進行OTA（Over-the-Air）更新時，需要有一個降級備援機制，以防止更新失敗時系統無法正常執行。這個機制可以自動還原到上一版本，確保系統的穩定性。
MCU Exception 處理
對於MCU Exception（HardFault, NMI），需要建立自我註記與通報流程，當發生Exception時，系統會自動記錄和通報，方便後續的診斷和維護。
CRC 驗證
建議使用CRC（Cyclic Redundancy Check）驗證每次校正係數與設定表，確保資料的正確性和完整性。
穩定性模擬與預測分析
在設計韌體時，需要進行穩定性模擬與預測分析，以評估系統的穩定性和可靠性。可以使用以下數學方法進行穩定性預測：
馬可夫鏈（Markov Chain）建模
馬可夫鏈是一種用於建模系統狀態遷移的數學方法，可以用於評估系統的穩定性和可靠性。
蒙地卡羅模擬（Monte Carlo Simulation）
蒙地卡羅模擬是一種用於測試容忍範圍的數學方法，可以用於評估系統的穩定性和可靠性。
傅立葉頻譜分析（FFT）
傅立葉頻譜分析是一種用於評估主訊號與雜訊幹擾頻率的數學方法，可以用於評估系統的穩定性和可靠性。
Log Ring Buffer
在軟體架構中，需要建立log ring buffer，每秒記錄溫度、誤差、重啟次數、標準差等指標，供診斷和維護使用。
內容解密：
以上的內容解釋了韌體穩定性與當機保護設計的重要性，包括Watchdog Timer、Heap/Stack 檢查機制、OTA 時的降級備援、MCU Exception 處理、CRC 驗證等機制。同時，也介紹了穩定性模擬與預測分析的方法，包括馬可夫鏈、蒙地卡羅模擬、傅立葉頻譜分析等。
flowchart TD
A[韌體穩定性與當機保護設計] --> B[Watchdog Timer]
A --> C[Heap/Stack 檢查機制]
A --> D[OTA 時的降級備援]
A --> E[MCU Exception 處理]
A --> F[CRC 驗證]
A --> G[穩定性模擬與預測分析]
G --> H[馬可夫鏈]
G --> I[蒙地卡羅模擬]
G --> J[傅立葉頻譜分析]
圖表翻譯：
此圖表示了韌體穩定性與當機保護設計的流程，包括Watchdog Timer、Heap/Stack 檢查機制、OTA 時的降級備援、MCU Exception 處理、CRC 驗證等機制。同時，也表示了穩定性模擬與預測分析的方法，包括馬可夫鏈、蒙地卡羅模擬、傅立葉頻譜分析等。這些機制和方法可以用於評估系統的穩定性和可靠性。
從系統穩定性與抗幹擾設計的實務面來看，本文深入探討了硬體層的電路保護、訊號隔離與軟體層的容錯機制、資料處理策略。多重冗餘判斷、動態閾值調整等方法有效提升系統可靠性，而諸如 Z-Score 異值排除、短時平均法等則著重於資料的即時處理與穩定性控管。觀察產業趨勢，預見未來高精確度儀器將更仰賴 AI 驅動的預測性維護。結合馬可夫鏈模型、蒙地卡羅模擬，甚至深度學習演算法，可預測潛在的系統失效風險，並提前採取預防措施。對於追求極致穩定性的應用，玄貓建議匯入 Log Ring Buffer 機制，結合即時監控與資料分析，才能在問題發生時快速診斷並有效解決，從而最大化系統執行效率。
