《测控仪器设计(第2版)》课后习题答案_浦昭邦_王宝光(21)

硬件系统的冗余设计可以在元件级、子系统级、系统级上进行。但是冗余设计必须增加硬件，增加成本。因此在设计时应仔细权衡利弊关系。常用的措施是采用若干设备并联，当并联系统中至少有一个装置工作正常时，整个系统即维持正常工作。在并联系统中，如果所有设备同时运行，则称之为热备份；如果只有一个设备运行，其它设备不工作，则称之为冷备份。

软件可靠性的定义是：软件按规定的条件，在规定的时间内运行而不发生故障的能力。

为了保证软件的可靠性，应在软件寿命周期的各个阶段千方百计地减少缺陷。具体如下：

(1)需求分析阶段：主要措施是，全面理解用户的使用要求、使用条件和软件功能，在全面分析和与用户充分交换意见的基础上，制订出软件的技术规格书。该规格书要说明测试软件的方法，有完整的软件技术要求，用语要准确和规范。

(2)设计阶段：要把软件的技术要求转换成设计方案。可采取的方法有：自顶向下设计、采用结构化程序设计、容错设计、设计评审、（标准）模块化设计、制订和贯彻软件可靠性设计准则。

(3) 编码阶段：编码就是把设计方案变成计算机语言，也就是所谓的编程序。编码产生的缺陷也是软件缺陷的一个主要来源。常见的编码缺陷有：键入错代码、原始数据输入错误（含单位不一致等）、用了被零除这类不正确表达式等。应在编码过程中尽可能早地查出缺陷并予以改正。

(4) 检验阶段：检验阶段主要任务是发现软件中的缺陷，并加以清除。这个阶段对于保证软件的可靠性是很关键的。为了查找缺陷，首先要对软件进行静、动态调试。需检查源程序的结构、方法和过程间的接口是否有误，运行时是否存在不必要的功能，检查“要求”、“数据”、“结果”和“内部程序工作状态”对应关系是否正确。软件的测试按模块测试、整体测试和系统测试的次序依次进行，最终确认软件的全部功能能否正确而完全地实现。

(5) 维护阶段：软件交付使用后，要对使用中发现的残存缺陷进行纠正。同时，由于软件的运行环境和调试时不尽相同，也需对软件进行必要的修改、补充和完善。此时用户也可能提出一些新的要求。此外，还应经常研究出错的记录，前后对照和分析，弄清楚软件是否存在某种隐患。

软件的可靠性设计方法

(1) 数字滤波

数字滤波(Digital Filter) 是通过软件计算的方式完成对信号的滤波，具有更强的适应性，复用性好，允许自行定义分割点频率，修改方便，可实现超低频滤波。

常用的软件滤波方法：

平均值滤波：把n次采样结果的算术平均值作为输出，也可以根据需要改变采样值的权，形成加权平均值滤波。适用于对具有随机干扰的信号进行滤波，缺点是速度慢。

中值滤波：把M次连续采样值进行排序，取其中位值作为滤波器的输出。这种方法对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，缺点是对快速变化的参数不宜。 平滑滤波：把连续取n个采样值看成一个序列，序列的长度固定不变，采取先进先出原则，把队列中的n个数据进行算术平均运算并输出。平滑滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的测控系统，缺点是灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合。

限幅滤波：根据采样周期和真实信号的正常变化率确定相邻两次采样的最大可能差值Δ，将本次采样和上次采样的差值小于等于Δ的信号认为是有效信号，大于Δ的信号作为噪声处理，放弃本次测量值，采用上次测量值代替本次值。优点是能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，缺点是无法抑制周期性的干扰，平滑度差。

卡尔曼滤波：1960年，美国数学家卡尔曼(R. Kalman)提出了一种数学方法，可以把随机出现的干扰“滤”掉，使监测的数据和真实值达到最佳吻合，这便是著名的卡尔曼滤波。卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法（optimal recursive data processing algorithm），对于大部分的问题是最优的、效率最高的甚至是最有用的算法。它的广泛应用已经超过30年，包括机器人导航，控制，传感器数据融合甚至在军事方面

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