可靠性分析課程論文概要

可靠性分析一可靠性概念產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力叫產(chǎn)品的“可靠性”。通俗地說，產(chǎn)品故障出的少，就是可靠性高?？煽啃缘母怕识攘拷锌煽慷?，用R(t)表示。設N個產(chǎn)品從時刻“0”開始工作，到時刻t失效的總個數(shù)為n(t)，當N足夠大時R(t)≈[N－n(t)]/N=N(t)/N這里邊重點是產(chǎn)品、規(guī)定條件、規(guī)定時間、規(guī)定功能。產(chǎn)品：硬件（汽車、電視機等）、流程性材料（水泥、燃油、煤氣等）、軟件（程序、記錄等）、服務（理發(fā)、導游等）。規(guī)定條件：主要指自然、人文等環(huán)境。規(guī)定時間：指時間段或某一時刻。規(guī)定功能：產(chǎn)品所應達到的能力和效果。我們這里講到的產(chǎn)品可靠性通俗說就是我們研制生產(chǎn)的設備或系統(tǒng)在用戶所處的環(huán)境中使用時實現(xiàn)其應有的技戰(zhàn)術(shù)性能的能力。產(chǎn)品的可靠性變化一般都有一定的規(guī)律,其特征曲線如圖1所示,由于其形狀象浴盆,通常稱之為“浴盆曲線”。在實驗和設計初期,由于產(chǎn)品設計制造中的錯誤、軟件不完善以及元器件篩選不夠等原因而造成早期失效率高;通過修正設計、改進工藝、老化元器件、以及整機試驗等,使產(chǎn)品進入穩(wěn)定的偶然失效期;使用一段時間后,由于器件耗損、整機老化以及維護等原因,產(chǎn)品進入了耗損失效期。這就是可靠性特征曲線逞“浴盆曲線”型的原因。在國際上，可靠性起源于第二次世界大戰(zhàn)，1944年納粹德國用V-2火箭襲擊倫敦，有80枚火箭在起飛臺上爆炸，還有一些掉進英吉利海峽。由此德國提出并運用了串聯(lián)模型得出火箭系統(tǒng)可靠度，成為第一個運用系統(tǒng)可靠性理論的飛行器。當時美國海軍統(tǒng)計，運往遠東的航空無線電設備有60％不能工作。電子設備在規(guī)定使用期內(nèi)僅有30％的時間能有效工作。在此期間，因可靠性問題損失的飛機2.1萬架，是被擊落飛機的1.5倍。由此引起人們對可靠性問題的認識，通過大量現(xiàn)場調(diào)查和故障分析，采取對策，誕生了可靠性這門學科。上述例子充分證明了裝備可靠性的重要。因此現(xiàn)代武器裝備既要重視性能，又不能輕視可靠性。要獲得裝備的高可靠性，目前通用的做法是采用工程化的方法進行設計和管理。下面我們介紹一下可靠性工程方法的一些基本內(nèi)容。也是目前我們工作中常用到的內(nèi)容。二常用的可靠性工程技術(shù)指標2.1常用參數(shù)實際工作中我們常遇到的表征電子系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性的工程技術(shù)。2.2定義2.2.1可用性產(chǎn)品在任一隨機時刻需要和開始執(zhí)行任務時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度。可用性的概率度量叫“可用度”，用“A”表示?？捎眯悦枋隽嗽谝蟮耐獠抠Y源得到保證的前提下，產(chǎn)品在規(guī)定的條件下及隨機規(guī)定的時刻處于可執(zhí)行規(guī)定任務的能力。2.2.2固有可用度僅與工作時間和修復性維修時間有關(guān)的一種可用性參數(shù)。其度量方法為：產(chǎn)品的平均故障間隔時間和平均故障間隔時間、平均修復時間的和之比。2.2.3使用可用度它是與能工作時間和不能工作時間有關(guān)的一種可用性參數(shù)。其度量方法為：產(chǎn)品的能工作時間與能工作時間、不能工作時間的和之比。2.2.4MTBF它是在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品處于規(guī)定狀態(tài)的總數(shù)與這段時間內(nèi)故障總數(shù)之比。它是可修復產(chǎn)品的一種基本參數(shù)。對于一批產(chǎn)品來說式中ti為第i個產(chǎn)品無故障工作時間，N為產(chǎn)品的數(shù)量。2.2.5故障率（λ）產(chǎn)品工作到t時刻后的單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。它是在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品的故障總數(shù)和壽命單位總數(shù)之比。它是可靠性的一種基本參數(shù)。設有N個產(chǎn)品，從t＝0時刻開始工作，到時刻t時的失效數(shù)為n(t)，即t時刻殘存產(chǎn)品數(shù)為N－n(t)，又若在（t+Δt）時間內(nèi)，有Δn(t)個產(chǎn)品失效。λ(t)=[n（t+Δt）－n(t)]/[N－n(t)]/Δt=Δn(t)/[N－n(t)]/Δt2.3相互關(guān)系Ai=MTBF/(MTBF+MTTR)A0=MTBF/(MTBF+MTTR+MLDT)其中MTTR為平均修復時間，MLDT為平均維修保障延誤時間。當MLDT=0時，A0=Ai，這就說明了合同參數(shù)與實際使用之間的差異，而說明這一點的目的，就是要指出我們在做設計時除了要考慮合同要求，還應該考慮客觀因素的影響，才能保證生產(chǎn)出來的產(chǎn)品真正滿足實際使用要求。三產(chǎn)品可靠性模型3.1建立可靠性模型的作用和意義(a)建立系統(tǒng)可靠性模型是可靠性工程重要工作項目，是可靠性保證大綱規(guī)定的必做的工作項目之一。(b)建立系統(tǒng)可靠性工作模型是可靠性指標與維修性指標分配和預測的基礎工作。(c)建立系統(tǒng)可靠性模型是可靠性分析、估算、評價的工具。(d)建立系統(tǒng)可靠性模型是對系統(tǒng)最佳方案權(quán)衡和優(yōu)化設計首先應完成的工作項目。(e)建立系統(tǒng)可靠性模型是進行可靠性設計重要措施之一。如冗余設計等。3.2建立可靠性模型的步驟3.2.1產(chǎn)品定義（1）確定產(chǎn)品的任務和工作模式。（2）規(guī)定產(chǎn)品及其分系統(tǒng)的性能參數(shù)及容許界限。（3）確定產(chǎn)品的物理界限及功能接口。（4）確定構(gòu)成任務失效的條件。（5）確定產(chǎn)品的壽命剖面和任務剖面。對于建立基本可靠性模型，一定要明白：產(chǎn)品組成和框圖結(jié)構(gòu)、壽命剖面。3.2.2確定產(chǎn)品可靠性框圖根據(jù)產(chǎn)品定義的結(jié)果，將產(chǎn)品組成部分按工作流程以框圖的形式類別表示出來。對于基本可靠性模型，框圖都是串聯(lián)的。如接收機框圖從工作原理講，本振只與混頻器相連，電源與所有電路都相連，這里不考慮這些。在此需要補充說明的是：特別是對于大型復雜的系統(tǒng)，隨著設計工作的從系統(tǒng)級向分系統(tǒng)級、設備級等等逐級展開，就要在各個設計級別繪制一系列的可靠性框圖，這些可靠性框圖是越畫越細，而且要有可追溯性。主要是便于預測工作由器件級向上開展，便于考慮模塊級備份和冗余。編制可靠性框圖應注意：(1)框圖的標題和任務。(2)方框的順序和標志。(3)列出未記入模型的單元。3.2.3確定計算產(chǎn)品可靠性的數(shù)學模型對于有m個單元所組成的系統(tǒng)來說，其可靠性數(shù)學模型可以表示為：當各單元的可靠度都符合指數(shù)規(guī)律時，可因而有以上述接收機為例，其可靠性數(shù)學模型為：當組成系統(tǒng)的分系統(tǒng)可靠度相同且服從指數(shù)分布時，λ為常數(shù)，則：目前講到的可靠性模型適用于壽命服從指數(shù)分布的電子設備，而機械零部件為次要成分，其失效率也低。對于目前生產(chǎn)的電子設備，可忽略不計。如果產(chǎn)品既有電子元器件又有機械零部件，且為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，則其可靠性數(shù)學模型為軟件可靠性未納入系統(tǒng)可靠性模型時，應假設整個軟件是完全可靠的。四產(chǎn)品可靠性預測與分配4.1可靠性預測的目的(a)可靠性預測作為一種設計工具，可從可靠度、性能、費用、研制周期等選擇最佳的設計方案。其中早期預測著重于方案的現(xiàn)實性和可能性研究。(b)選擇了某一設計方案后，通過可靠性預測可發(fā)現(xiàn)設計的薄弱環(huán)節(jié)，以便及時改進。(c)通過可靠性預測可以推測產(chǎn)品能否達到規(guī)定的可靠性要求。(d)可靠性預測結(jié)果不僅用于指導設計，還可以為轉(zhuǎn)階段決策提供信息，為可靠性試驗、制定維修計劃、保障性分析、安全性分析、生存性評價等提供信息。后期預測著重于對設備的可靠性進行評價或提出硬件改進建議。(e)為可靠性指標的分配和可靠性保障設計提供依據(jù)?？煽啃灶A測可以發(fā)現(xiàn)哪些元件或子系統(tǒng)是造成系統(tǒng)失效的主要因素；找出薄弱環(huán)節(jié)之后，便可采取必要的改進措施；以減小整個系統(tǒng)的失效率，提高系統(tǒng)的可靠性。

可靠性預測是可靠性設計的重要內(nèi)容，它包括元件可靠性預測和系統(tǒng)可靠性預測。下面分別加以討論。4.2元件可靠度預測

預測系統(tǒng)的可靠度通常是以預測系統(tǒng)中的元件或組件的可靠度為基礎。所有元件的可靠度確定以后，把這些元件的可靠度適當?shù)亟M合起來就可以得出系統(tǒng)的可靠度。因此，首先碰到的問題就是如何預測元件的可靠度。

第一步是確定基本失效率G

它是在一定的使用(或試驗)條件和環(huán)境條件下得出的。設計時可以從可靠性手冊上查得，也可通過可靠性試驗求得。第二步是確定應用失效率即元件在現(xiàn)場使用中的失效率。從兩方面得到：1)根據(jù)不同的應力環(huán)境，對基本失效率乘上適當?shù)男拚蜃?系數(shù))得到，2)直接采用從實際現(xiàn)場應用中收集到的失效率數(shù)據(jù)。這里提出失效率的修正系數(shù)KF值，因此應用失效率為：

第三步是確定元件的可靠度。大多數(shù)可靠度預測時采用都是指數(shù)分布。即：現(xiàn)有的絕大多數(shù)失效率數(shù)據(jù)都是基于常失效率的假設推出的，或者至少是基于這個假設預測的。這種假設是基本符合實際情況的，因為大多設備（系統(tǒng)）線路都經(jīng)過老化等試驗，工作在偶然失效期，失效率基本上保持常數(shù)。

4.3系統(tǒng)可靠性預測

系統(tǒng)(或線路)的可靠性是與元件的數(shù)量、元件的可靠性以及元件之間的相互關(guān)系有關(guān)?？煽啃灶A測方法有；(a)回歸分析法；(b)相似產(chǎn)品法；(c)相似電路法；(d)專家評分法；(e)有源單元估算法；(f)元件計數(shù)法；(g)應力分析法；(f)蒙特卡洛法。這里重點介紹元件計數(shù)法、應力分析法、蒙特卡洛法4.3.1計數(shù)法元器件計數(shù)可靠性預測法是根據(jù)設備中各類元器件的數(shù)量及該元器件通用失效率、元器件質(zhì)量等級和設備的應用環(huán)境類別來估算設備可靠性的一種方法，其計算設備失效率的數(shù)學表達式為：式中λ設備———設備總失效率λGi———第i種元器件的通用失效率πQi———第i種元器件的通用質(zhì)量系數(shù)Ni———第i種元器件的數(shù)量n———設備所有元器件的種類數(shù)目其基本程序為：(a)列出設備的元器件種類及每類元器件的數(shù)量，質(zhì)量等級和設備的應用環(huán)境類別。(b)從相關(guān)資料中，查找各類元器件在該環(huán)境類別下的通用失效率λG，以及通用質(zhì)量系數(shù)πQ。(c)將前兩個步驟所得的數(shù)據(jù)填入失效率預測表內(nèi)。(d)按公式分別計算不同應用環(huán)境下的設備失效率，假設某系統(tǒng)由兩臺設備組成，一臺使用在室外固定，一臺使用在地面移動，那在計算該系統(tǒng)的失效率時，應分別計算設備1和設備2的失效率。再假設兩臺設備一模一樣，那計算設備1和設備2的失效率時，公式中的λG取值不同，具體參數(shù)首先確定使用環(huán)境類型，再根據(jù)類型代號從相關(guān)材料中查找對應器件的λG值。其余參數(shù)相同。(e)將組成設備的各部分失效率相加，計算整個設備系統(tǒng)的總失效率及其MTBF等可靠性指標。4.3.2應力分析法元器件應力分析可靠性預測法是通過分析元器件所承受的應力，計算元器件在該應力條件下的工作失效率來預測設備的可靠性。元器件在不同應力條件下其失效率不同。在普通場合，這些應力主要的是電應力和環(huán)境應力。元器件應力分析可靠性預測法較全面的考慮了電、熱和其它氣候、機械環(huán)境應力等因素對元器件失效率的影響。通過分析設備上各元器件工作時所承受的電、熱應力及了解元器件的質(zhì)量等級，承受電、熱應力的額定值，工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和應用環(huán)境類別等，利用手冊給出的數(shù)值、圖表和失效率模型，來計算各元器件的工作失效率，由此預測電子設備的可靠性水平。其預測的主要程序：(a)分析各元器件的應用方式，工作環(huán)境溫度及其它環(huán)境應力，以及負荷電應力比等工作應力數(shù)據(jù)。(b)匯編設備的元器件詳細清單，清單內(nèi)容包括：元器件名稱，型號規(guī)格，數(shù)量，產(chǎn)品標準，性能額定值及有關(guān)的設計、工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作應力數(shù)據(jù)等。在采用應力分析進行預測時，大多數(shù)元器件種類分別有基本失效率模型和工作失效率模型?；臼誓Ｐ鸵话憧紤]溫度和電應力對元器件失效率影響。而工作失效率模型除反映溫度、電應力等基本因素外，還包括其它多種的對元器件失效率影響的因素。一般（集成電路除外）表示為：反映電應力（S）、溫度應力（T）影響的基本失效率（λb）與其余影響失效率的質(zhì)量因子、環(huán)境因子、設計、工藝、結(jié)構(gòu)因子以及應用因子（π系數(shù)）等一系列修正因子的乘積。集成電路失效率計算除考慮上述因子外，還應考慮結(jié)溫、電路復雜度、封裝復雜度等因子。4.3.3蒙特卡洛法（montecarlo)

蒙特卡洛法是用隨機抽樣方法，根據(jù)可靠性框圖進行可靠性預測。概率論中大數(shù)法則表明：樣本量越大，樣本均值作為母體均值的估計就越精確。從隨機數(shù)表中任意抽取一組隨機數(shù)，均在0.01到1.00之間，將這些隨機數(shù)分別與系統(tǒng)中各單元無故障工作概率Pi或可靠度Ri進行比較，并規(guī)定：某一隨機數(shù)等于或小于Pi，則第i單元是工作的，否則應定為失效。對系統(tǒng)中每個單元都進行這樣的比較，以確定系統(tǒng)中每個單元的工作狀態(tài)，再根據(jù)系統(tǒng)的邏輯圖來確定系統(tǒng)是成功或失敗，如此相當于完成一次對系統(tǒng)的隨機抽樣試驗。這樣的試驗次數(shù)n至少要統(tǒng)計100次，然后統(tǒng)計系統(tǒng)完成任務的次數(shù)s，則系統(tǒng)可靠度預測值可以用下式估計：現(xiàn)用下述例子來說明具體方法：

設某系統(tǒng)的可靠性方框圖如圖所示。假設單元A,B,C的可靠度分別為R1、R2、R3。其中第1個單元A(設R1=0.80)，用計算機的隨機數(shù)發(fā)生器輸入一個隨機數(shù),根據(jù)第1個隨機數(shù)來決定這個單元的成功或失效。如果這個隨機數(shù)小于0.7999,則表示該單元正常,若在0.8~0.9999,則表示單元失效。

根據(jù)邏輯圖，要把另1個隨機數(shù)輸入到框圖的下一單元B,新的隨機數(shù)便決定這一單元的成功或失效。

如果對單元A發(fā)出的隨機數(shù)大于0.80,但他還有并聯(lián)單元C,給單元C發(fā)出一個隨機數(shù),與該單元的可靠度比較后,確定其成功或失效。若失效,而系統(tǒng)又沒有其他并聯(lián)單元了,則表示系統(tǒng)失效。上述過程一結(jié)束,記下失效次數(shù)。若成功,則又對單元B發(fā)出新的隨機數(shù),與B單元可靠度比較成功后,則表示系統(tǒng)成功,記下成功次數(shù)。這個過程要反復進行到要求的試驗次數(shù)N為止。進行模擬的次數(shù)越多,預計值越接近實際情況。下圖為蒙特卡洛法的計算機程序流程圖。

4.4可靠性分配

可靠性分配是把系統(tǒng)規(guī)定的可靠性指標按照一定的程序分給分系統(tǒng)及元件，以便復雜問題的處理得以簡化并便于檢驗，它是一個由整體到局部，由大到小，由上到下的過程。要進行分配，就必須明確目標函數(shù)與約束條件。隨著目標函數(shù)和約束條件的不同，可靠性分配的方法也因之而異。有的以可靠度指標為約束條件，給出系統(tǒng)要求達到的可靠度值，而以在這一限制下，使重量、成本等其它的系統(tǒng)參數(shù)盡可能小。作為目標函數(shù)，有的則給出重量、成本等的界限值，要求作出使系統(tǒng)可靠度盡可能高的分配．一般應根據(jù)系統(tǒng)的用途，視哪一些參數(shù)應予優(yōu)先考慮來選定設計方法。在優(yōu)化設計上實際為帶約束的優(yōu)化問題。

可靠性分配有許多方法，隨掌握可靠性資料的多少、設計的階段以及目標和限制條件的不同而不同。幾種常用的方法：等分配法、再分配法、比例分配法、綜合評分法。五可靠性設計技術(shù)5.1降額設計所謂降額設計,就是使元器件運用于比額定值低的應力狀態(tài)的一種設計技術(shù)。為了提高元器件的使用可靠性以及延長產(chǎn)品的壽命,必須有意識地降低施加在器件上的工作應力(如:電、熱、機械應力等),降額的條件及降額的量值必須綜合確定,以保證電路既能可靠地工作,又能保持其所需的性能。降額的措施也隨元器件類型的不同而有不同的規(guī)定,如電阻降額是降低其使用功率與額定功率之比;電容降額是使工作電壓低于額定電壓;半導體分立器件降額是使功耗低于額定值;接觸元件則必須降低張力、扭力、溫度和降低其它與特殊應用有關(guān)的限制。電子元器件的降額,通常有一個最佳的降額范圍,在這個范圍內(nèi),元器件的工作應力的變化對其失效率有顯著的影響,設計也易于實施,而且不需要設備在重量、體積、成本方面付出太大的代價。因此,應根據(jù)元器件的具體應用情況來確定適當?shù)慕殿~水平。因為若降額不夠則元器件的失效率會比較大,不能達到可靠性要求;反之,降額過度,將使設備的設計發(fā)生困難,并將在設備的重量、體積、成本方面付出較大的代價,還可能使元器件數(shù)量產(chǎn)生不必要的增加,這樣反而會使設備可靠性下降。降額的等級分為三個等級,分別稱為Ⅰ級降額、Ⅱ級降額和Ⅲ級降額。Ⅰ級降額是最大降額,超過它的更大降額,元器件的可靠性增長有限,而且使設計難以實現(xiàn)。Ⅰ級降額適用于下述情況:設備的失效將嚴重危害人員的生命安全,可能造成重大的經(jīng)濟損失,導致工作任務的失敗,失敗后無法維修或維修在經(jīng)濟上不合算等。Ⅱ級降額指元器件在該范圍內(nèi)降額時,設備的可靠性增長是急劇的,且設備設計較Ⅰ級降額易于實現(xiàn)。Ⅱ級降額適用于設備的失效會使工作水平降級或需支付不合理的維修費用等場合。Ⅲ級降額指元器件在該范圍內(nèi)降額時設備的可靠性增長效益最大,且在設備設計上實現(xiàn)困難最小,它適用于設備的失效對工作任務的完成影響小、不危及工作任務的完成或可迅速修復的情況。5.2熱設計由于現(xiàn)代電子設備所用的電子元器件的密度越來越高,這將使元器件之間通過傳導、輻射和對流產(chǎn)生熱耦合。因此,熱應力已經(jīng)成為影響電子元器件失效率的一個最重要的因素。對于某些電路來說,可靠性幾乎完全取決于熱環(huán)境。所以,為了達到預期的可靠性目的,必須將元器件的溫度降低到實際可以達到的最低水平。有資料表明:環(huán)境溫度每提高10℃,元器件壽命約降低1/2。這就是有名的“10℃法則”。熱設計包括散熱、加裝散熱器和制冷三類技術(shù),這里筆者主要談一談散熱技術(shù)。應用中常采用的方法:第一種是傳導散熱方式,可選用導熱系數(shù)大的材料來制造傳熱元件,或減小接觸熱阻并盡量縮短傳熱路徑。第二種是對流散熱方式,對流散熱方式有自然對流散熱和強迫對流散熱兩種方式。自然對流散熱應注意以下幾點:●設計印制板和元器件時必須留出多余空間;●安排元器件時,應注意溫度場的合理分布;●充分重視應用煙囪撥風原理;●加大與對流介質(zhì)的接觸面積。強迫對流散熱方式可采用風機(如計算機上的風扇)或雙輸入口推拉方式(如帶換熱器的推拉方式)。第三種是利用熱輻射特性方式,可以采用加大發(fā)熱體表面的粗糙度、加大輻射體周圍的環(huán)境溫差或加大輻射體表面的面積等方法。在熱設計中,最常采用的方法是加散熱器,其目的是控制半導體的溫度,尤其是結(jié)溫Tj,使其低于半導體器件的最大結(jié)溫TjMAX,從而提高半導體器件的可靠性。半導體器件和散熱器安裝在一起工作時的等效熱路圖如圖2所示。圖中各參數(shù)的含義如下:RTj—半導體器件內(nèi)熱阻,℃/W;RTc—半導體器件與散熱器界面之間的界面熱阻,℃/W;RTf—散熱器熱阻,℃/W;Tj—半導體器件結(jié)溫,℃;Tc—半導體器件殼溫,℃;Tf—散熱器溫度,℃;Ta—環(huán)境溫度,℃;Pc—半導體器件使用功率,W。根據(jù)圖2,散熱器的熱阻RTf應為:RTf=(RTj-Ta)/PC-RTJ-RTc散熱器熱阻RTf是選擇散熱器的主要依據(jù)。Tj、RTj是半導體器件提供的參數(shù),Pc是設計要求的參數(shù),RTc可以從熱設計專業(yè)書籍中查到。下面介紹一下散熱器的選擇。(1)自然冷卻散熱器的選擇首先按以下式子計算總熱阻RT和散熱器的熱阻RTf,即:RT=(TJmax-Ta)/PcRTf=RT-RTj-RTc算出RT和RTf之后,可根據(jù)RTf和Pc來選擇散熱器。選擇時,根據(jù)所選散熱器的RTf和Pc曲線,在橫坐標上查出已知Pc,再查出與Pc對應的散熱器的熱阻R′Tf。按照R′Tf≤RTf的原則選擇合理的散熱器即可。(2)強迫風冷散熱器的選擇強迫風冷散熱器在選擇時應根據(jù)散熱器的熱阻RTf和風速v來選擇合適的散熱器和風速。5.3冗余設計冗余設計是用一臺或多臺相同單元(系統(tǒng))構(gòu)成并聯(lián)形式,當其中一臺發(fā)生故障時,其它單元仍能使系統(tǒng)正常工作的設計技術(shù)。冗余按特點分為熱冗余儲備和冷冗余儲備;按冗余程度分,有兩重冗余、三重冗余、多重冗余;按冗余范圍分,有元器件冗余、部件冗余、子系統(tǒng)冗余和系統(tǒng)冗余。這種設計技術(shù)通常應用在比較重要,而且對安全性及經(jīng)濟性要求較高的場合,如鍋爐的控制系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、飛行器的控制系統(tǒng)等。5.4電磁兼容性設計電磁兼容性設計也就是耐環(huán)境設計。首先要明白什么是電磁兼容性問題,電磁兼容性問題可以分為兩類:一類是電子電路、設備、系統(tǒng)在工作時由于相互干擾或受到外界的干擾使其達不到預期的技術(shù)指標;另一類電磁兼容性問題就是設備雖然沒有直接受到干擾的影響,但不能通過國家的電磁兼容標準,如計算機設備產(chǎn)生超過電磁發(fā)射標準規(guī)定的極限值,或在電磁敏感度、靜電敏感度上達不到要求。為了使設備或系統(tǒng)達到電磁兼容狀態(tài),通常采用印制電路板設計、屏蔽機箱、電源線濾波、信號線濾波、接地、電纜設計等技術(shù)。印制電路板在設計布置時,應注意以下幾點:●各級電路連接應盡量縮短,盡可能減少寄生耦合,高頻電路尤其要注意;●高頻線路應盡量避免平行排列導線以減少寄生耦合,更不能象低頻電路那樣把連線扎成一束;●設計各級電路應盡量按原理圖順序排列布置,避免各級電路交叉排列;●每級電路的元器件應盡量靠近各級電路的晶體管和電子管,不應分布得太遠,應盡量使各級電路自成回路;●各級均應采用一點接地或就近接地,以防止地電流回路造成干擾,應將大電流地線和小電流回路的地線分開設置,以防止大電流流進公共地線產(chǎn)生較強的耦合干擾;●對于會產(chǎn)生較強電磁場的元件和對電磁場感應較靈敏的元件,應垂直布置、遠離或加以屏蔽以防止和減小互感耦合;●處于強磁場中的地線不應構(gòu)成閉合回路,以避免出現(xiàn)地環(huán)路電流而產(chǎn)生干擾;●電源供電線應靠近(電源的)地線并平行排列以增加電源濾波效果。5.5漂移設計技術(shù)產(chǎn)生漂移的原因主要是元器件的參數(shù)標準值與實際數(shù)值存在公差、環(huán)境條件變化對元器件性能產(chǎn)生影響或是使用在惡劣環(huán)境而導致元件性能退化等因素。如果元器件參數(shù)值發(fā)生的漂移超出其設計參數(shù)范圍,就會使設備或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能。漂移設計是通過在設計階段根據(jù)線路原理寫出特性方程,然后通過收集元器件的分布參數(shù)來計算它們的漂移范圍以使漂移結(jié)果處在設計范圍內(nèi)來保證設備正常使用的一種設計方法。5.6互連可靠性設計由于在大部分電子產(chǎn)品中都有接插件,為了降低這些連接部分的故障率,因此有必要進行互連可靠性設計,常采用的方法有:●注意接插件的選型,印制電路板應盡量采用大板或多層板,以減少接插點;●盡量減少可拔插點,以提高其可靠性,重要部位可采用冗余設計;●兩個插頭同時相對時,應采用將其中一個固定,另一個浮動的方式,來保證對準和拔插;●采用機械固定方式;●對于常插拔的部件,最好設計成單面走線;●連接空間應進行有序分割;●饋線和地線應隱蔽安裝。六可靠性分析應用――CAN總線的冗余設計及可靠性研究6.1無冗余的CAN總線系統(tǒng)及其可靠性典型的無冗余CAN總線控制系統(tǒng)主要有兩種形式，示意圖分別如圖所示。它們都是由微控制器、CAN控制器、CAN驅(qū)動器以及CAN總線等組成的，它們之間的差別主要是在于選擇CAN控制器的種類不同，一種選擇的是獨立的CAN控制器，另一種選擇的是自帶有CAN控制器的微控制器。下圖所示的是最經(jīng)典的采用獨立CAN控制器的的控制系統(tǒng)。下圖所示內(nèi)容則是采用的自帶CAN控制器的微處理器的CAN總線控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由于元器件集成度較高，能省去一些接口電路的設計，因此其可靠性也相對較高。根據(jù)無冗余CAN總線系統(tǒng)的特性分析后對其建立可靠性模型，如下圖所示。模型中代表傳輸導線的單位失效率，L代表傳輸導線的總長，則傳輸導線的總失效率為L，代表是總線收發(fā)器的失效率，代表的是總線控制器的失效率，代表的為微處理器的失效率，則根據(jù)串聯(lián)原理可以得出非冗余CAN總線系統(tǒng)的可靠度為：系統(tǒng)整體失效率為：平均無故障時間為：6.2有冗余的CAN總線系統(tǒng)及其可靠性由于CAN總線的高可靠性、結(jié)構(gòu)簡單等各種優(yōu)點使得CAN總線在各個工業(yè)領域中得到廣泛的推廣應用，但在航空航天以及船舶、兵器等軍工行業(yè)，由于產(chǎn)品工作環(huán)境異常惡劣，因此對CAN總線控制的可靠性造成了很大威脅。根據(jù)實際工業(yè)現(xiàn)場的故障總結(jié)，CAN總線控制中常見的故障如傳輸介質(zhì)的破壞、接頭連接不牢固以及總線控制器和CAN發(fā)送器失效等故障都會造成CAN總線控制系統(tǒng)可靠性的嚴重下降，如果不能很好解決這些問題，將會使系統(tǒng)失效甚至會導致無法估計的嚴重后果，而采用冗余設計是解決這一問題的有效方法。根據(jù)CAN總線實際應用中可能出現(xiàn)的故障程度，可以采用不同級別的冗余設計來提高系統(tǒng)的可靠性。一般來說，比較常用的典型冗余設計方案有四種：微處理器級別的冗余、總線控制器級別的冗余、總線驅(qū)動器級別的冗余以及總線級別的冗余。以下將對這四種級別的冗余設計方案及其可靠性進行研究。（1）總線驅(qū)動器級別的冗余控制系統(tǒng)及其可靠性CAN總線驅(qū)動器級冗余系統(tǒng)的原理示意圖如圖所示，該系統(tǒng)是由兩條總線傳輸導線、兩個總線驅(qū)動器、一個CAN總線控制器級別的微處理器構(gòu)成。兩個總線驅(qū)動器分別于CAN-A與CAN-B相連，總線控制器通過一模擬開關(guān)判斷電路與兩個總線驅(qū)動器相連，在數(shù)據(jù)發(fā)送階段，兩個總線驅(qū)動器都能同時收到CAN控制器的數(shù)據(jù)傳送，在其中一個總線驅(qū)動器發(fā)生失效時，經(jīng)過模擬開關(guān)處理，總線上的報文仍能經(jīng)過另一個總線驅(qū)動器傳送給總線控制器。對系統(tǒng)進行原理分析，總線驅(qū)動器并聯(lián)后又與其他元器件串聯(lián)，建立可靠性模型，如下圖所示。這是一個典型的串并聯(lián)混合系統(tǒng)，根據(jù)第二章中的可靠性理論知識，可以得出驅(qū)動器級別的冗余系統(tǒng)的可靠度為：（2）總線控制器級別的冗余控制系統(tǒng)及其可靠性總線控制器級別的冗余控制系統(tǒng)的設計原則是由兩條CAN傳輸導線、兩個CAN總線收發(fā)器以及兩個CAN總線控制器構(gòu)成的，其系統(tǒng)原理圖如圖所示。兩個CAN總線控制器通過微處理器CPU上的兩個端口與中斷來實現(xiàn)同時控制。根據(jù)軟件功能設計的不同，可以使該冗余系統(tǒng)具備有熱備份與冷備份兩種功能，而實現(xiàn)這兩種備份功能的硬件是相同的。根據(jù)系統(tǒng)原理進行分析后對總線控制器級別的冗余控制系統(tǒng)建立可靠性模型，如下圖所示。這是一個典型的串并聯(lián)混合系統(tǒng)，同理根據(jù)第二章中的可靠性理論知識，可以得出總線控制器級別的冗余系統(tǒng)的可靠度為：（3）系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)及其可靠性系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)的設計思想是將兩套由總線控制器、收發(fā)器、傳輸導線、處理器CPU組成的完整獨立CAN控制系統(tǒng)并聯(lián)起來，下圖所示是即為典型的系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)也可以設計為冷備份和熱備份兩種工作狀態(tài)。冷備份是指其中一套系統(tǒng)工作時另一套系統(tǒng)處于關(guān)機狀態(tài)，一旦工作的系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則啟動另一套系統(tǒng)，該種工作模式耗能小，易于實現(xiàn)，但由于啟動另一套系統(tǒng)需要一定時間，實時性較差；熱被備份工作模式是指將兩套系統(tǒng)分別設置為主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)，它們同時工作，能夠相互檢測，當主系統(tǒng)出現(xiàn)故障，經(jīng)過切換模塊切換，本系統(tǒng)就是取得總線的控制權(quán)，代替主系統(tǒng)進行對整個系統(tǒng)的監(jiān)控，此種工作模式實時性較高，使用也比較廣泛。根據(jù)以上的所述的工作原理，對系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)建立可靠性模型，如下圖所示。這是一種典型并—串聯(lián)系統(tǒng)，由兩套子系統(tǒng)并聯(lián)而成，每套子系統(tǒng)又由各元器件串聯(lián)而成根據(jù)可靠性理論知識，模型進行簡化等效，得出系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)的可靠度為：平均無故障工作時間MTBF為：根據(jù)式（6-9）可以明顯得出系統(tǒng)級別的冗余系統(tǒng)平均無故障時間是無冗余時系統(tǒng)平均無故障時間的1.5倍，所以系統(tǒng)的可靠度得到顯著提高。各冗余級別系統(tǒng)的可靠性對比研究根據(jù)對以上四種級別的冗余系統(tǒng)的可靠性結(jié)果，用以下方法對比它們之間的可靠度大小。由以上分析，顯而易見，各級別冗余系統(tǒng)的可靠度的大小排列順序如下：四種不同級別的冗余控制系統(tǒng)除了在自身可靠性高低方面存在著一定的差異外，在成本、硬件復雜程度、軟件編程難度及通信即時性方便也都有很大的差別。總線控制器級別的冗余系統(tǒng)由于在總線控制器與兩個驅(qū)動器之間需要設計一個切換開關(guān)模塊，該模塊具備有檢測故障與切換總線控制的作用，但其本身設計相對復雜，而且還影響系統(tǒng)的通信即時性，如果出現(xiàn)故障也會導致系統(tǒng)的無法運行，這將加大系統(tǒng)的故障率。系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)由于采用兩套CAN控