嵌入式软硬件系统的可靠性设计

嵌入式软硬件系统的可靠性设计

张明，刘志宏，方伟奇

（西安电子工程研究所，陕西西安７１０１００）

摘要：以工程实践中所做的嵌入式软硬件系统可靠性设计为依据，论述了可靠性设计过程中的依据、指标分

配以及设计方法。

关键词：嵌入式系统；软硬件；可靠性设计中图分类号：，Ｉ＇Ｐ３０２．７

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２—５４６８（２０１０）０５瑚４５＿０５

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指标分配，经过计算后再进行相应的硬件设计。２．１可靠性模型的建立

首先根据此硬件的功能特点来确定其可靠性模型．同时对硬件的功能进行分类．并以此为基础确定所有用到的元器件。

以ＰｏｗｅｒＰＣ单板计算机为例．如图１所示。此硬件系统可以分为以下几个模块。

ａ１ＣＰＵ小系统模块

１

引言

随着嵌入式系统硬件体系结构的变化．嵌入式

系统的发展趋势向嵌入式系统高端．即嵌入式软件系统转移．具体体现在嵌入式操作系统趋于多样和软硬件应用日渐复杂化。由于嵌入式系统软硬件的功能界限模糊．研究如何进行嵌入式系统的可靠性设计．对保证嵌入式系统的产品质量具有重要的意

义。

本文以工程实践中所用到的ＰｏｗｅｒＰＣ单板计算机以及在此板上运行的基于ＶｘＷｏｒｋｓ的系统软件来讨论嵌入式软硬件的可靠性设计问题。

ＣＰＵ小系统模块包含了ＣＰＵ、桥片、ＢＯＯＴＲＯＭ、ｎＡＳＨ、ＤＤＲＳＤＲＡＭ和实时时钟等电路．负责对信息和数据进行运算和处理，对系统

２硬件系统可靠性设计

在对嵌入式系统中的硬件．也就是ＰｏｗｅｒＰＣ单板计算机做可靠性设计时．应在此硬件的基本架构下遵循一定的原则并对所有涉及的器件做可靠性

进行控制。

ｂ１ＣＰＣＩ模块

完成从ＰＣＩ总线到ＰＣＩ总线的转换．提供总线的仲裁．完成作为ＣＰＣＩ主设备或从设备的功能。

收稿日期：２０ｌＯ—０６—２ｌ修回日期：２０１０—Ｄ６—２８

作者简介：张明（１９７６．），男，陕西渭南人，西安电子工程研究所工程师，硕士，从事雷达系统信息与数据处理研究工作。

电子产品可靠性与环境试验２０ｌＯ年

ｃ１千兆以太网模块

对外提供一个十兆、百兆和千兆的自适应的网络接口。

ｄ１Ｒｓ４２２模块

２）关键件的指标应分配得高一些，因为关键件一出故障，就将使整个系统的功能受到影响；

３１对于恶劣环境下工作的单元或部件，其可靠性指标应定得低一些：

４１对于新研制的产品以及采用新工艺、新材料的产品，其可靠性指标可以定低一些：

５１易以维修的单元或部件的可靠性指标定高一些．复杂的单元或部件的可靠性指标定低一些。２．３可靠性指标计算

可靠性计算采用应力分析法．所以首先应确定

提供４路Ｒｓ４２２接口。

ｅ１ＰＭＣ模块

提供外接ＰＭＣ扩展卡的接口。

ｎＵＳＢ模块

提供２路ＵｓＢ接口，支持Ｕ盘、移动硬盘等ＵＳＢ存储设备。

ｇ）电源模块

提供板上各芯片正常工作所需要的各种电源。ｈ１时钟模块

提供板上芯片正常工作所需要的各种时钟。根据以上的功能模块．就可以确定所选用的器件类别了。如单片集成电路、微处理器、存储器、电阻器、电容器、电感器、变压器、晶体振荡器、发光二极管、连接器、开关、印制板以及焊接点等。

各单元中每种元器件的工作失效率：Ａｉ（１０讥），

然后用式（１）计算出各个单元的工作失效率～：

式（１）中：Ａｉ叫单元中第ｉ种元器件的工作失

效率，除个别的元器件类别外。工作失效率都包含基本失效率和温度、电应力之外的元器件质量控制等级、环境应力、应用状态、性能额定值和种类、结构等失效率影响因素（即通常由基本失效率乘以上述各因素的调整系数来表示）：

～＝ｉ；Ｍｉ

（１）

Ⅳｉ＿ｉ单元中第ｉ种元器件的数量；ｎ—ｆ单元所用各种元器件的种类数。

则ｉ单元的平均无故障工作时间为：

（ＭＴＢＦ）ｆ＿｛一（／Ｊ、时）

～

（２）

整个系统的工作失效率Ａ为所有（Ｊｊｌ个）单元失效率之和：

Ａ－；～

则系统的平均无故障工作时间为：

图１系统硬件组成框图

（３）

ＭＴＢＦ＝』一（，Ｊ、时）

Ａ

（４）

２．２可靠性指标分配原则

在确定了器件类别后．就需要进行可靠性指标的分配。分配时首先应掌握可靠性设计的数据，其次必须考虑当前的技术水平。要按现有的技术水平在费用、生产、功能和研制时间等的限制条件下考虑所能达到的可靠性。

ＰｏｗｅｒＰＣ单板计算机的可靠性指标分配应遵循以下原则：

１）对于改进潜力大的单元、部件，其指标可以定高一些：

通过计算硬件系统中各类元器件的失效率．就可以预先估计出平均无故障工作时间（ＭＴＢＦ）。并以此为依据指导元器件的选型和硬件设计。２．４可靠性设计实现

为了保证此硬件系统的可靠性．在设计上采取了以下措施。

ａ１电路模块化设计

选用了高可靠、低失效率的元器件。并不等于组装起来的产品就是高可靠．还必须在电路设计上给

予保证。在满足技术要求的前提下．系统在设计中应

铝

第５期张明等：嵌入式软硬件系统的可靠性设计

尽可能地选用成熟的、典型的电路，尽量采用数字电路和集成电路。同时。单板上设有故障指示灯，故障定位准确．可以大大提高系统的可维修性。

ｂ１元器件的选用与控制

元器件的选用应尽量在元器件选用目录范围内选择，考虑多年设计使用中时效证明故障率低、可靠性高的产品和厂家。或选用优化了的进日产品。

电阻器、电容器和电感器等均按军用产品质量等级进行选取，在同等失效率情况下。选用那些成熟系数高、质量系数好的产品。

晶体二极管、三极管及集成电路等均限定选用军用产品或进口军用器件．决不允许随意使用民用产品上机。同类产品中选用成熟系数高、失效率低。对环境适应性强的产品。

元器件在使用前由质量部门进行筛选或认真检查确认后方能上机使用。

ｃ１降额设计

对元器件的应力分析均取较大的裕量．功率和耐压系数均取０．３左右。在可靠性预计方面。使用质量等级Ｂ作为预测参数．能充分满足对新型国产及进口元 …… 此处隐藏：6777字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……