可靠性与抗干扰技术.ppt

第六章可靠性与抗干扰技术 可靠性概述 一 可靠性的基本概念 1 可靠率 设有N台相同的仪器 使它们同时工作在同样的条件下 从它们开始运行到t时刻的时间内 有F t 台仪器发生故障 其余S t 台仪器仍正常工作 可靠率R t 为 不可靠率Q t 为 在规定条件下和规定时间内仪器完成所规定任务的成功率 可靠性的基本概念 2 失效率 仪器运行到t时刻后单位时间内发生故障的仪器台数与t时刻完好仪器台数之比 设N台仪器的可靠率为R t 在t时刻到t t时刻失效的设备数为 单位时间内的失效率为 t时刻完好仪器台数为 失效率 t 为 写成微分形式 正常使用状态下 仪器失效率 t 是不随时间而变化的 t 常数 因而对上式积分得 可见 仪器经过一段时间老化后 其可靠性符合指数规律 失效率也可用下式进行计算 传统失效率曲线 早期故障期 在仪器刚投入使用时 大多由于设计不当与工艺上的缺陷 失效率较高 偶然故障期 平均失效变得较小且为常数 故障多由随机因素造成的 最佳使用期 耗损故障期 长期使用后故障逐渐增多 由于仪器的部分元器件使用寿命已到 新的浴盆曲线模型 寿命较长的 优质 元器件 它的失效是由于长期使用产生磨损和衰老引起 命较短的 畸变 元器件 其失效是由于元器件中存在着某种缺陷 寿命很短的 早期失效 元器件 其失效是由于设备组装工艺引入的损伤 新曲线仍有一个初始期和衰老期 但恒定失效率期却被一个 畸变 失效期和一个无失效期所代替 其他基本概念 3 平均故障间隔时间 与可靠率相关 4 平均修复时间和可用性 5 可靠性与经济性 为提高可靠性需要采用一些措施 必然增加一部分费用 但可靠率提高后 使用效率提高 使用时间延长 减少维护费用 总体上看划算 可靠性的总体考虑 可靠性包括系统的硬件和软件可靠性 1 系统设计的进程 在系统设计的每一步 除了考虑系统性能指标的实现外 同时要考虑有关可靠性的要求 2 生产及使用过程 在生产及使用过程中 对故障应该进行详细记录 定期写出总结报告并认真分析 及时找出故障的原因 并仔细判别故障是由硬件还是软件引起的 是属于正常的元器件失效还是由于设计上的疏忽 如果是由于设计上的错误 则应重新设计该部件 用新设计的部件代替原有部件 若发现软件有错误 则必须认真加以修改并重新进行调试 并用改正的软件代替旧的软件 二 可靠性的分配方法 1 均等分配法 2 航空无线电公司分配法 均等分配法 均等分配法是把相同的可靠度赋予每一部分 使它们都具有相同的可靠度 根据前面提到的公式 为串联系统各部分的可靠度与整个系统可靠度的关系 如果各部分的可靠性是相等的 则每一部分的可靠度可以分配为 例1 系统由3个子系统构成 可靠度要求为0 729 按均等分配法确定分配给每个子系统的可靠度 根据已知 系统要求可靠度为0 729 即R 0 729 根据均等分配法 航空无线电公司分配法 在系统各组成部分的可靠度有可能不相同 航空无线电公司的可靠性分配方法主要包括如下几项内容 1 达到的目标是满足下式 式中 为系统总的失效率 为分配给各分系统的失效率 2 根据先验知识预计每个分系统的失效率 3 计算加权因子 加权因子由下式计算 4 对每一个分系统分配失效率 例2 系统由3个子系统组成 已知各子系统是效率分别为 此系统要求20h可靠性为0 9 使用航空无线电公司分配法确定系统分配给各子系统的可靠度 1 确定系统总失效率 2 确定计算加权因子 3 确定分配给各子系统的失效率 4 计算各子系统20h可靠度 硬件可靠性设计 构成仪器系统的硬件包括构成仪器的各种芯片及各种部件 主要有微处理器及周边电路 IC电路芯片 电阻 电容 电感 晶体管 继电器 插头 插座 印刷电路板 按键 引线 焊点等 一 影响仪器可靠性的因素 1 元器件的可靠性 仪器的故障也多因元器件损坏或变值而引起 不同的元器件使用寿命不同 而且各种元器件的平均失效率差别较大 即使是同种元器件也会因生产厂家的不同而有很大的差异 表6 1给出了较常用元器件在额定条件下的平均失效率 仪器设计中 并不是所有的元器件都工作在额定状态 当使用值不大于额定值时 平均失效率为 式中 D称为降额因子 使用值大于额定值时 元器件的失效率将迅速增加 影响仪器可靠性的因素 2 工艺 焊接或插接 生产自动化高低 手工生产工人技能水平 3 电路结构 元器件数目 电路复杂程度 器件集成度 元器件排列的分散程度 减振 散热 屏蔽及看门狗等技术的使用 4 环境因素 温度变化 湿度高低 太阳辐射 腐蚀性气体 灰尘 振动 雷击与电磁干扰 5 人为因素 设计人员 操作人员 提高仪器可靠性的措施 1 元器件的选择 合理地选择仪器的元器件 对提高仪器的硬件可靠性是一个重要步骤 1 集成电路的选择和应用 可以根据器件手册 查知其特性比如工作电压 输入电平 工作最高频率 负载能力 开关特性 环境工作温度 电源电流等 为了保证可靠性 可采取以下措施 降额 应力方面 容差设计 温飘 制造容差 时间漂移等 热设计 使用的温度范围内器件性能下降在允许范围内 考虑自身功耗 热阻及环境温度等 防静电 不用的引脚按要求接电源或接地等措施 防过载 防寄生电容 接入去耦电容 分立半导体器件选择和应用 命名方法 参考GB2490 74国家标准关于半导体器件命名方法 类型选择 电阻器 各种电阻器具有各自的特点 性能和使用场合 必须按照电气条件使用 电阻器的电气特性主要包括阻值 额定功率 误差 温度系数 温度范围 线性度 噪声 频率特性 稳定性等指标 电阻质量判别方法 引线有无折断和烧焦现象 用万用表侧阻值 看是否在允许误差范围内 用电阻噪声测试仪测量电阻噪声 本着质量越好 噪声电压越小的原则 电位器质量判别方法 万用表测量阻值 最小值越小越好 最大值越接近标称值越好 如果有阻值间断 不连续说明接触不良 同样用电阻噪声测试仪测量电阻噪声 电容器 电容器的种类繁多 它们的电气性能参数也各不一样 电气性能参数也包括各方面的特性 例如 容量 耐压 损耗 误差 温度系数 频率特性 线性度 温度范围等 在使用时必须注意这些电气特性 否则容易出现问题 质量判别方法 容值大于5100pF电容器 用万用表10K或1K电阻档测量电容器两引脚 正常 表针先向0方向摆去 然后想无穷大退去 如退不到无穷大停在某一数值上 这个阻值即电容的绝缘电阻 一般在几十M以上 如绝缘电阻小则表示电容器漏电 为0击穿 如果表针不动则电容器内部开路 都不能使用 小于5100的电容 接一个NPN三极管放大后来测量 如需景区测量需要电容测量仪 2 筛选及老化 把所选择的合适元器件的特性测试后 对这些元器件施加外应力 经过一定时间的工作 再把它们的特性重新测一遍 剔除那些不合格的元器件 这个过程称为筛选 筛选过程中所加的外应力可以是电 热和机械等 仪器系统的样机做出来之后 总是让它加电工作 为的是使它更快地进入随机失效期 3 降额使用 降额使用就是使元器件在低于它的额定条件下工作 电气的 电压 电流 功耗 频率等机械的 压力 振动 冲击等环境方面的 温度 湿度 腐蚀等 4 可靠的电路设计 在电路设计中 要采用简化设计 在电路设计中尽量采用标准元器件 最坏设计 瞬态及过应力保护 减少电路设计中的误差和错误 5 冗余设计 所谓冗余 就是为了保证整个系统在局部发生故障时能够正常工作 而在系统中设置一些备份部件 一旦故障发生便起动备份部件投入工作 使系统保持正常工作的方法 硬件冗余可以在元器件级 部件级 分系统级乃至系统级上进行 冗余设计有两种基本结构形式 将若干个功能相同的装置并联运行 这种结构称为并联系统 而若干个部件串联运行构成的系统称为串联系统 6 环境设计 1 温度保护 2 冲击振动保护 3 电磁干扰保护 4 其他环境方面的保护 包括对湿度保护 粉尘保护 腐蚀保护 防爆 防核辐射等 7 人为因素设计 在人为因素设计时 必须使人机界面友好 使操作人员操作简单 观察直观方便 从而减少由于人为因素造成的故障 8 对仪器进行可靠性试验 天然暴露试验 高温试验 低温试验 潮湿试验 腐蚀试验 防尘试验 机械试验 包括振动 碰撞 自由跌落与加速度试验 雷击试验 防爆试验和电磁干扰试验等 软件可靠性设计 一 软件的可靠性模型 对软件系统很难给出一个确切的可靠度定义 数据模型 能给出正确结果的输入数与总输入数的比率 较准确 但软件的输入数很多 要判明所有输入下输出的正确与否很困难 时间模型 0 t 内未出现软件差错的概率 需要先求出软件故障率 这是比较困难的 故障记录来进行统计分析或者用经验模型来估算 用户模型 用户环境下的一组典型输入 程序给出正确输出的概率 计算比较容易 计算结果 可靠度 的精确性取决于所选典型输入的代表性 时间模型 1 可靠性增长模型 假设 一个软件中的故障数目在t 0时是常数 随着故障被纠正 故障数目逐渐减少 软件经过一段时间调试后 剩余故障的数目用下式来估计 为调试时间I为软件中的指令数Er 为在时刻 软件中剩余的故障数 E0为在 0时软件中的故障数Ec 为在 0 内纠正的故障数 时间模型 由故障数Er 可以得出软件的风险函数 失效率 式中 C是比例常数 软件的可靠度为 利用公式6 5 软件的平均无故障时间为 利用公式6 7 时间模型 2 公理模型 对于软件故障 可以凭经验假定它服从某种分布规律 这就是公理模型 著名的公理模型是 软件科学 模型 此模型假设软件中的故障数B可由下式确定 式中 K为比例常数 V为软件的模型 V可以进一步表示为 n1为操作码的种类数n2为操作数的种类数 N1为操作码的总数N2为操作数的总数 E0为程序员出现失误之前 平均可以做出的正确判断次数 数据模型 对一预先确定的输入环境 可靠度定义为n次连续运行中软件完成指定任务的概率 假设软件设计的功能为F 程序实现的功能为F 预先确定的输入集为 导致软件故障的所有输入的集合为Ee 即 软件运行一次出现故障的概率为 一次运行正常的概率为 数据模型 假设了所有输入出现的概率相等 如果不相等 且ei出现的概率为Pi i 1 2 n 则软件运行一次出现故障的概率为 式中 软件的可靠度 n次运行不出现故障的概率 为 由于程序的合法输入集通常很大 预先确定一个适当大小的输入集E是必要的 不同的用户总是根据自己的要求来确定E 这就可能使同一个软件时不同的用户表现出不同的可靠度 提高软件可靠性的方法 避错和容错也是软件可靠性设计的两种主要方法 1 认真地进行规范设计 即编制程序设计规范 各部门严格执行 数据类型 变量命名等都术语规范内容 2 可靠的程序设计方法 可靠的程序设计方法包括递归程序设计和结构化程序设计等常用技术 模块化设计思想 结构化设计思想要贯彻在设计的始终 顺序型 条件型和循环型 要避免goto语句的使用 3 程序验证技术 程序正确性证明 程序的自动证明和程序测试技术 4 提高软件设计人员的素质 技术素质和思想素质两个方面 5 消除干扰 软件中加入抗干扰措施 硬件方面 6 增加试运行时间 软件抗干扰技术 CPU抗干扰技术 防止因干扰造成的程序 跑飞 输入 输出的抗干扰技术 消除信号中的干扰以提高系统精度 1 硬件看门狗技术 看门狗 技术既可以用硬件实现 也可以用软件实现 也可以把两者结合 测控系统的应用程序通常以循环方式运行 且循环的时间基本固定 看门狗 技术就是不断监视程序循环运行时间 硬件看门狗是一个特殊的定时器 当定时时间到时 发出溢出脉冲 勿忘喂狗 常用集成看门狗电路 MAX705 708 MAX791 MAX813L X5043 5045等 分别对应于MAX709L MAX709M MAX709T MAX709S MAX709R的复位门限 X5045是XICOR公司的产品 它是一种可编程的专用看门狗定时器 定时时间可通过软件进行选择 200ms 600ms 114s 内部包含看门狗电路 电压监控电路和4kBE2PROM等 TCST是定时器触发脉冲 负脉冲 的宽度 TWD0是定时器的溢出周期 可编程 TRST是定时器溢出脉冲的宽度 程序中 每隔一定的时间间隔放置一条 喂狗 指令 即在P1 0输出一个下降沿 该时间间隔应小于X5045预制的定时时间 以保证程序正常运行时X5045不会溢出 而一旦程序出现异常 X5045将超时溢出 并通过 RST引脚送出一个复位信号使单片机复位 重新开始运行程序 死循环中又含有 喂狗 指令 此时单片机将无法复位 看门狗也就失效了 软件看门狗技术 软件看门狗是利用单片机片内闲置的定时器 计数器单元作为看门狗 实现方法 1 在初始化程序中设置C T方式控制寄存器 TMOD 和定时时间的初值 开中断 2 根据定时器的定时时间 在主程序中按一定的间隔插入复位定时器的指令 喂狗 两条指令间时间间隔要小于定时器设置时间 3 定时器的中断服务程序中设置一无条件转移指令 将PC转移到初始化程序入口 注意 在初始化程序结束前放置一条RETI指令 并对堆栈和堆栈指针SP作相应处理 特点 无须外加硬件电路 经济性好 硬件 看门狗 技术能有效监视程序陷入 死循环 故障 但对中断关闭故障无能为力 软件 看门狗 技术对高级中断服务程序陷入 死循环 无能为力 但能监视全部中断关闭的故障 干扰源分析 一 干扰与噪声及其分类 一 干扰与噪声 1 噪声与有用信号无关 干扰是相对有用信号而言的 2 干扰可以消除 噪声一般难以消除 只能减弱 二 分类 1 干扰的类型 1 机械干扰 2 热干扰 3 光干扰 半导体器件或光器件 4 湿度干扰 5 化学干扰 6 电 磁干扰 7 射线辐射干扰 射线会使气体电离 半导体激发出电子 空穴对 金属逸出电子等 电磁干扰的分类 从噪声产生的来源 人为噪声 自然噪声 从干扰的表现形式 规则 连续 干扰 不规则 间歇 干扰 随机 瞬变 干扰 从干扰出现的区域 内部干扰 外部干扰 从电磁干扰的性质 脉冲干扰 平滑干扰 从干扰传入系统的方式及干扰形成形式 差模干扰 共模干扰 差模干扰 差模干扰又称串模干扰 串联干扰 正态干扰等 差模干扰进入电路后 干扰信号与有用信号按电势源串联起来作用于输入端 通常是由两个相互交链的电路通过回路电流说产生的磁通 使两电路之间形成互感电动势而产生的干扰 两电路形成图示的阴影部分交链面积时 两电路间产生的感应电动势 两电路公用一电流通路 由导线电阻产生的电压降比于两电路电流之和 两个相互靠近的回路 例如导线捆扎成束或平行走线时 电路自身原因 接触不良或寄生震荡 所产生的噪声源与原信号叠加 共模干扰 共模干扰又称共态干扰 同相干扰 对地干扰及纵向干扰 它是相对于公共的电位基准点 通常为接地点 在仪器的两个输入端子同时出现同向干扰 它虽不直接对测量结果造成影响 但当信号输入电路不对称时 它会转化为差模干扰 仪器两点接地 由接地点间微小电阻产生的电位差所造成的干扰 几部分电路之间的公共阻抗所造成的干扰 变压器原边绕组与副边绕组之间的分布电容耦合 地电位的变化所造成的干扰 电源通过电路漏电阻对系统接地线产生的电位波动 噪声形成干扰的三要素 噪声的耦合方式 1 电容性耦合2 互感耦合3 共阻抗耦合4 漏电耦合5 传导耦合6 辐射电磁场耦合 电容性耦合 静电耦合 它是由于两个电路之间存在寄生电容 使得一个电路的电荷变化影响到另一个电路 A为干扰导体 它具有的干扰电压为EnCm为造成静电耦合的寄生电容Zi为被干扰电路的等效输入阻抗 根据等效电路可以写出受干扰电路的干扰电压为 一般情况下 简化为 当频率很高时 措施 降低Zi值 减小Cm值 通过到新方向性 屏蔽或分隔 互感耦合 电磁耦合 由于两个电路之间存在互感 当一个电路的电流变化时 通过磁链影响到另一个电路 多发生在两根导线在较长一段区间平行架设 干扰电压UN为 措施 减少互感值 共阻抗耦合 共阻抗耦合是由于几个电路之间有公共阻抗 当一个电路中有电流流过时 在公共阻抗上产生一个压降UN 这一压降UN对其他与公共阻抗相连的电路形成干扰 1 电源内阻抗的共阻抗耦合 一个电源对几个线路或传感器供电 高电平电路或大电流的输出电流流经电源 由于电源内阻抗Zi的存在 在Zi上的压降就转换为干扰电压UN 造成对其他电路的干扰 公共地线的耦合 仪器的公共地线上 有各种信号电流流过 由于地线本身具有一定的阻抗 在其上必然形成压降 该压降就形成对有关电路的干扰电压 信号输出电路的相互干扰 当仪器的信号电路有几路负载时 任何一个负载的变化都会通过输出阻抗的共阻抗耦合而影响其他输出电路 UB就是干扰电压 其值为 减小输出阻抗ZS 可以减小干扰电压 UB 漏电耦合 由于两部分电路之间绝缘不良 高电位电路通过绝缘电阻向低电平电路漏电 这种漏电电流对低电平电路造成干扰 1 检测较高的直流电压时 被测电压通过绝缘电阻向检测器输入电路漏电 2 在仪器附近有较高的直流电源 电压源通过绝缘电阻向输入电路漏电 3 有高输入阻抗的直流放大器 因为输入阻抗Zi取值很大 其引入的干扰电压UN的数值就大 漏电耦合形成干扰 经常发生在以下一些场合 传导耦合 传导耦合是指经导线检拾到噪声 再经它传输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式 低频 音频 电源线 接地导体 电缆的屏蔽层等呈低阻抗 故电流进入这些导体时易于传播 噪声传导到其他敏感电路中就会产生干扰作用 高频 这时导体的电感和电容不容忽视 这时电抗值随频率变化而变化 感抗值随频率增加而增加 容抗随频率增加而减小 措施 防止导线响应噪声 采用适当的屏蔽和将导线分离 或用滤波的方法滤除 6 辐射电磁场耦合