嵌入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)及案例解析

1.3嵌入式系統(tǒng)可靠性模型

嵌入式系統(tǒng)可靠性模型分為兩種：串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型和并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型。

在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，為了保證部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)的可靠性，會采取并聯(lián)備份的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的成倍提升，這時一般會采取可靠性并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型。

注意：系統(tǒng)可靠性的串、并聯(lián)模型和系統(tǒng)功能框圖的串、并聯(lián)模型沒有直接的等同關(guān)系。

如圖1-8所示，B、C為電流輸入端，D端接負(fù)載，D端額定負(fù)載電流為15 A。從功能上看，B和C兩條路徑的供電電路組成一個并聯(lián)關(guān)系。但在可靠性模型的串、并聯(lián)關(guān)系上，它并不是并聯(lián)關(guān)系，因?yàn)锽和C中的任何一條路徑都不能獨(dú)立完成對15 A的供電，所以其在功能框圖上是并聯(lián)結(jié)構(gòu)（圖1-8(a)）,在可靠性模型上卻為串聯(lián)結(jié)構(gòu)（圖1-8(b)）,反而因?yàn)槎嗔艘宦返碾娎|，而增加了一個焊點(diǎn)和電纜失效的可能性。

而當(dāng)B、C的電纜指標(biāo)改為20A的時候(圖1-9),任何一路均可以滿足D端的15 A電流輸出，此時，B和C就互為備份，其可靠性模型就變?yōu)榱瞬⒙?lián)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的電路可靠性將大大提升。

可靠性串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度為：

R=RB×Rc (1-7)

可靠性并聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度為：

R=1—(1-RB)×(1-Rc) (1-8)

可靠性串、并聯(lián)模型的建立，主要有兩個用途：一是系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)和分配的基礎(chǔ)；二是可以提供對系統(tǒng)關(guān)鍵可靠性節(jié)點(diǎn)的分析思路，比如對同時有AC交流電源和后備電池供電的設(shè)備，從可靠性串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型出發(fā)，電源供電部分是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，按鍵部分與電源之間反而構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。由此得知，按鍵面膜的可靠性比電源模塊對系統(tǒng)功能可靠性的影響要關(guān)鍵得多。

【案例1-3】

某數(shù)字測角儀，為控制裝置實(shí)時提供待測對象的角偏差數(shù)據(jù)，主要由光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡、可變焦距攝像機(jī)、圖像處理和控制電路(簡稱DSP電路板)三部分組成，如圖1-10所示。

測角儀的工作任務(wù)時間為150 s;測角儀平均無故障工作次數(shù)要求≥2000次。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，全部采用了成熟技術(shù)和成熟工藝，主要元器件均為標(biāo)準(zhǔn)件、通用件，并有可靠的供貨來源。在滿足可靠性指標(biāo)要求的情況下，減少了元器件、零部件的品種、規(guī)格數(shù)目。在電子線路方面，開展了可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用，采用了降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等可靠性設(shè)計(jì)方法，并對所有的元器件進(jìn)行了環(huán)境應(yīng)力分析。根據(jù)GJB/Z299C—2006電子設(shè)備可靠性預(yù)，結(jié)合器件類型和環(huán)境應(yīng)力條件，得出各單元的失效率數(shù)據(jù)，如表1-1所列。

請根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計(jì)算此系統(tǒng)是否滿足可靠性指標(biāo)要求。

答：

根據(jù)上述內(nèi)容：假設(shè)測角儀失效規(guī)律是一個常數(shù)，失效率服從指數(shù)分布，無故障工作次數(shù)用θ表示，每次的工作時間用t表示，則平均故障間隔時間：

所以：

因此，測角儀的任務(wù)可靠度要求為：

根據(jù)測角儀功能框圖，得出測角儀的任務(wù)可靠性串聯(lián)模型框圖和圖1-10的功能框圖一致。

測角儀的可靠性數(shù)學(xué)模型為：
Rs=R?×R?×R? (1-9)

式中：

Rs為測角儀的可靠度；

R為光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡可靠度；

R?為可變焦距攝像機(jī)可靠度；

R?為DSP電路板可靠度控制模塊可靠度。

將表1-1中的數(shù)據(jù)代入式(1-9),則： Rs=0.99999979×0.99999969×0.9999993≈0.99999878結(jié)果得出，測角儀的實(shí)際可靠性指標(biāo)為0.99999878，大于系統(tǒng)要求的值0.99951。

所以，由此三個模塊組成的測角儀系統(tǒng)可以滿足可靠性指標(biāo)平均無故障工作次數(shù)≥2000次的要求。

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