一、可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、可靠性保障基本技術(shù)三、電磁兼容性設(shè)計(jì)四、軟件抗干擾技術(shù)五、軟件可靠性設(shè)計(jì)六、智能儀表的自診斷技術(shù)主要內(nèi)容一、可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.可靠性的重要性

（1）可靠性是儀表質(zhì)量的一個(gè)重要方面,可靠性高才能講性能價(jià)格比。一般工業(yè)儀表的可靠性要求是：三年連續(xù)運(yùn)行不出故障。（2）在軍事上，尤其航空航天，儀表故障造成的損失往往可怕，因而要專門研究可靠性技術(shù)。

2.可靠性技術(shù)的主要內(nèi)容（1）可靠性機(jī)理分析與評(píng)估方法；（2）可靠性計(jì)算與可靠性分析方法；（3）可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)與工藝方法。3.可靠性的基本概念

（1）可靠度

可靠度指的是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和規(guī)定條件下，系統(tǒng)完成規(guī)定功能的成功率。設(shè)有N0個(gè)同樣的系統(tǒng),同時(shí)工作在同樣的條件下，從開(kāi)始運(yùn)行到t時(shí)刻的時(shí)間內(nèi),有Nf個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障,NS個(gè)系統(tǒng)工作正常，則可靠度R(t)可表示為：

(7-1)

系統(tǒng)故障的出現(xiàn)是隨機(jī)的,需用統(tǒng)計(jì)規(guī)律去描述;對(duì)于可修復(fù)系統(tǒng)，維修難易程度不同，也需用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)描述維修時(shí)間的長(zhǎng)短。一、可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

不可靠度F(t)(又稱失效率)可表示為：

(7-2)

推廣到一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，則N0就是組成系統(tǒng)的各單元的數(shù)目,“單元”是指子系統(tǒng)模塊或部件。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng),如果其每一個(gè)元件級(jí)的失效都可造成系統(tǒng)的失效,則系統(tǒng)越復(fù)雜,元器件用得越多,整個(gè)系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題越復(fù)雜。可靠度R取決于其下級(jí)別的可靠度，最基本的級(jí)是元件級(jí)。一、可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

（2）失效率和平均故障間隔時(shí)間

失效率是系統(tǒng)運(yùn)行到t時(shí)刻后的單位時(shí)間內(nèi)，發(fā)生故障的系統(tǒng)數(shù)目與時(shí)刻t時(shí)完好系統(tǒng)數(shù)目之比。失效率又稱為瞬時(shí)失效率或故障率。失效率λ(t)的定義：

(7-3)

其微分形式為: (7-4)

一、可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

將式(7-4)改寫(xiě)為：

(7-5)

對(duì)上式從0～t積分，得：

(7-6)

對(duì)于由電子元件組成的電子儀表系統(tǒng)，不論其組成單元及元器件的失效率為何種分布，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間老化處理后,λ(t)是一個(gè)常數(shù)。

一、可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

(7-7)

失效率可以按下式近似地計(jì)算：

(7-8)

r為系統(tǒng)失效數(shù)；T為運(yùn)行系統(tǒng)數(shù)與運(yùn)行時(shí)間的乘積。因?yàn)棣司哂袝r(shí)間倒數(shù)的量綱,所以就取其倒數(shù)來(lái)表示可靠性程度，稱為平均故障間隔時(shí)間,簡(jiǎn)稱MTBF(MeanTimeBetweenFailure),用于描述可修復(fù)系統(tǒng)，用MTBF來(lái)表示,即：

(7-9)一、可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

（3）可維修性及可用性

在可靠性上,不僅要求系統(tǒng)盡可能少地出現(xiàn)故障,也希望在出現(xiàn)故障后能及時(shí)發(fā)現(xiàn),并且在盡量短的時(shí)間內(nèi)給予修復(fù)，用平均修復(fù)時(shí)間MTTR(MeanTimeToRepair)來(lái)定量描述。MTTR是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值,即：

(7-10)

通常用A表示可用性并定義如下:

(7-11)

一、可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)4.影響儀表可靠性的因素①外部干擾電網(wǎng)干擾空間電磁干擾操作者失誤干擾環(huán)境的理化性干擾機(jī)械振動(dòng)干擾②內(nèi)部干擾元器件失效內(nèi)部電磁干擾電氣互聯(lián)故障干擾軟件故障的干擾如：①儀表的焊盤(pán)、接插件、信號(hào)連接線等,存在較大的故障率，是降低儀表可靠性的一個(gè)主要因素。②軟件設(shè)計(jì)中,考慮不周的程序以及人為的錯(cuò)誤操作通過(guò)容錯(cuò)性能不好的程序都會(huì)造成故障。一、可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、可靠性保障基本技術(shù)1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)的可靠性原則

簡(jiǎn)化方案避免片面追求高性能指標(biāo)和過(guò)多的功能合理劃分軟、硬件功能盡可能用數(shù)字電路代替模擬電路變被動(dòng)為主動(dòng)2.元器件的合理選用（1）分離半導(dǎo)體器件的使用

在電路設(shè)計(jì)時(shí),分離器件的選用主要從電壓應(yīng)力（注意耐壓的極限值Vmax）

、電流應(yīng)力（注意最大電流Imax）

、工作頻率、型號(hào)互換等方面考慮。二、可靠性保障基本技術(shù)固定電阻和電位器阻值穩(wěn)定性與分散性工作頻率功率負(fù)荷（功耗、電流）噪聲頻率范圍容量穩(wěn)定性和分散性噪聲性能電壓負(fù)荷（耐壓）承受功率（4）集成芯片的選擇數(shù)字器件模擬器件（3）電容器的選用二、可靠性保障基本技術(shù)

選用基本元器件時(shí),應(yīng)遵守以下原則:①對(duì)元器件的品種、規(guī)格、型號(hào)及生產(chǎn)廠家等因素要進(jìn)行比較，列出元器件優(yōu)選清單。如有條件,最好做到定點(diǎn)供應(yīng),以減小器件性能的分散性。②不僅要根據(jù)電路功能要求選用元器件，還要根據(jù)器件的性能參數(shù)選用。在設(shè)計(jì)和選用中,應(yīng)保證器件工作在電氣和環(huán)境條件的額定值內(nèi)。③盡可能壓縮系統(tǒng)器件的品種、規(guī)格，提高元器件的復(fù)用率。④優(yōu)先選用功能強(qiáng)、可靠性高的大規(guī)模集成芯片。二、可靠性保障基本技術(shù)3.元器件的篩選

（1）元器件的失效特點(diǎn)

失效率分布的“浴盆”曲線

二、可靠性保障基本技術(shù)

（2）元器件篩選的意義

篩選前的器件壽命分布

二、可靠性保障基本技術(shù)

（3）元器件的篩選

元器件失效在各階段造成的損失(單位:美元)元器件篩選印制板調(diào)試整機(jī)調(diào)試用戶使用民用25550工業(yè)用42545215軍用7501201000二、可靠性保障基本技術(shù)4.降額設(shè)計(jì)

降額系數(shù)S來(lái)表示降額設(shè)計(jì)的程度。S=實(shí)際工作應(yīng)力/額定工作應(yīng)力。（S在0～1之間取值）

電阻器電容器半導(dǎo)體器件微處理器和數(shù)字電路的降額設(shè)計(jì)(1)微處理器的工作主頻(2)總線負(fù)載0二、可靠性保障基本技術(shù)三、電磁兼容性設(shè)計(jì)1.

電磁干擾的基本分析靜電干擾磁場(chǎng)耦合干擾電磁輻射干擾共阻抗干擾直接傳輸干擾2.

電源抗干擾設(shè)計(jì)（1）微機(jī)系統(tǒng)和產(chǎn)生干擾的設(shè)備分開(kāi)供電（2）設(shè)計(jì)抗干擾穩(wěn)壓電源①在交流輸入端接入LC低通濾波器，可以吸收電網(wǎng)中大部分的干擾電流尖峰和高次諧波,在具體使用時(shí),LC濾波器的屏蔽層應(yīng)與機(jī)殼良好連接。②采用隔離變壓器。隔離變壓器與普通變壓器的不同之處在于它的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間多加了一層屏蔽層,該屏蔽層與鐵芯一起接地,即可阻斷干擾通過(guò)初次級(jí)之間的電容效應(yīng)進(jìn)入微機(jī)供電系統(tǒng)渠道。三、電磁兼容性設(shè)計(jì)③整流元件上并接濾波電容。整流元件是非線性器件,電源通斷和電壓電流的變化對(duì)其有很大的沖擊，是高頻干擾的一個(gè)來(lái)源。并接濾波電容后,可在很大程度上削弱高頻干擾并對(duì)整流元件具有保護(hù)作用。濾波電容可采用1000pF～0.1μF無(wú)感的瓷片電容,耐壓值根據(jù)次級(jí)電壓決定。④選用高質(zhì)量的濾波電容,使直流輸出電壓的紋波很小，干擾也難以形成。由于電解電容的高頻特性不好，為加強(qiáng)抗高頻干擾的效果，通常給濾波電容并聯(lián)一個(gè)無(wú)感的瓷片電容。三、電磁兼容性設(shè)計(jì)抗干擾穩(wěn)壓電源的實(shí)例（3）選用高性能的電源（4）供電電路上的抗干擾措施（5）接地問(wèn)題三、電磁兼容性設(shè)計(jì)4.抗串模干擾的措施隔離技術(shù)硬件濾波電路采用抗干擾性能好的A/D器件過(guò)壓保護(hù)電路調(diào)制解調(diào)技術(shù)3.屏蔽與接地

靜電屏蔽磁屏蔽電磁屏蔽屏蔽與接地信號(hào)的屏蔽傳輸三、電磁兼容性設(shè)計(jì)同相傳輸?shù)墓怆姼綦x電路模擬輸入的低通濾波三、電磁兼容性設(shè)計(jì)選用高質(zhì)量的差分放大器平衡對(duì)稱輸入采用隔離技術(shù)

6.數(shù)據(jù)采集時(shí)的抗干擾技術(shù)

選擇抗干擾能力強(qiáng)的A/D轉(zhuǎn)換器抗混疊模擬濾波數(shù)字濾波設(shè)計(jì)高性能數(shù)據(jù)放大器進(jìn)行零點(diǎn)和增益誤差補(bǔ)償三、電磁兼容性設(shè)計(jì)5.

抗共模干擾的措施四、軟件抗干擾技術(shù)

軟件抗干擾的工作主要集中在CPU抗干擾技術(shù)和輸入輸出的抗干擾技術(shù)兩個(gè)方面。前者主要是抵御因干擾造成的程序“跑飛”,后者主要是消除信號(hào)中的干擾以提高系統(tǒng)精度。下面就兩個(gè)方面的抗干擾技術(shù)分別說(shuō)明。1.CPU抗干擾技術(shù)（1）程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)

程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)WDT(WatchDogTimer)被直譯為“看門狗”,是一種軟、硬件結(jié)合的抗程序“跑飛”措施。四、軟件抗干擾技術(shù)一種計(jì)數(shù)器型WDT電路原理圖（2）掉電保護(hù)

掉電保護(hù)也是一種軟、硬件結(jié)合的抗干擾措施,其工作也從這兩方面入手:保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和及時(shí)關(guān)閉微機(jī)系統(tǒng)。掉電保護(hù)系統(tǒng)的硬件組成是電源電壓監(jiān)測(cè)、后備電池和低功耗RAM。其工作的原理是直流電源具有較大的濾波電容,當(dāng)電網(wǎng)電壓掉電時(shí),直流供電的電壓是逐步降低的。四、軟件抗干擾技術(shù)（3）軟件陷阱

軟件陷阱是指令冗余的一種應(yīng)用形式,用于捕捉“跑飛”的程序。軟件陷阱通常安排在程序中的下列位置:

系統(tǒng)中空的ROM區(qū)表格的頭、尾處程序中未用的中斷向量處

程序體內(nèi)的“斷裂處”（4）待機(jī)抗干擾

四、軟件抗干擾技術(shù)2.輸入輸出的抗干擾技術(shù)

數(shù)字信號(hào)的輸出數(shù)字信號(hào)的輸入數(shù)字濾波四、軟件抗干擾技術(shù)五、軟件可靠性設(shè)計(jì)1.軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中的可靠性(1)系統(tǒng)分析(2)軟件設(shè)計(jì)軟件任務(wù)分析數(shù)據(jù)類型的規(guī)劃資源分配(3)軟件編程(4)軟件調(diào)試和使用2.

軟件可靠性設(shè)計(jì)的一些具體措施

（1）堆棧溢出的預(yù)防（2）模塊調(diào)用中的資源沖突（3）邏輯運(yùn)算的可靠性設(shè)計(jì)（4）數(shù)值運(yùn)算的可靠性設(shè)計(jì)

入口條件的審查合理安排運(yùn)算方案將復(fù)雜的運(yùn)算用查表來(lái)完成（5）軟件標(biāo)志的使用（6）子程序的可靠性設(shè)計(jì)子程序的“透明性”子程序使用說(shuō)明書(shū)五、軟件可靠性設(shè)計(jì)3.

人機(jī)界面的容錯(cuò)技術(shù)

對(duì)于同一個(gè)智能儀表系統(tǒng),熟練的操作者認(rèn)為系統(tǒng)很正常，而不太熟練的則可能認(rèn)為系統(tǒng)不好操作，容易出錯(cuò)。解決這個(gè)問(wèn)題的主要方法就是設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面。五、軟件可靠性設(shè)計(jì)輸入提示功能的設(shè)計(jì)

(1)按鍵提示。

(2)操作提示符。

(3)閃爍或訊響提示。輸入?yún)?shù)的容錯(cuò)

(1)保證系統(tǒng)有一個(gè)基本正常的運(yùn)行環(huán)境。

(2)檢查數(shù)據(jù)格式是否完備。

(3)檢查輸入?yún)?shù)數(shù)值的合理性。

(4)檢查輸入?yún)?shù)組合的合理性。

(5)檢查輸入?yún)?shù)的完備性。

(6)允許操作者在輸入?yún)?shù)時(shí)終止當(dāng)前輸入。

五、軟件可靠性設(shè)計(jì)命令輸入的容錯(cuò)

(1)軟件環(huán)境檢查

(2)硬件環(huán)境檢查

(3)錯(cuò)誤命令的撤消

(4)命令鍵誤動(dòng)作的預(yù)防輸入界面的安全性設(shè)計(jì)輸出界面的容錯(cuò)

(1)提示符

(2)消除數(shù)據(jù)無(wú)效精度的輸出

(3)顯示格式要符合習(xí)慣

(4)加強(qiáng)提示效果五、軟件可靠性設(shè)計(jì)六、智能儀表的自診斷技術(shù)

自診斷技術(shù)應(yīng)該是一種智能技術(shù)。智能儀表廣泛使用自診斷技術(shù)，將其作為保障系統(tǒng)可靠性的主要措施之一。診斷方式有三種：

上電自檢,可避免系統(tǒng)帶病運(yùn)行；鍵控自檢；定時(shí)自檢,由系統(tǒng)周期性地在線自檢,

可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的故障。1.CPU的自診斷

CPU是微機(jī)系統(tǒng)的核心，專業(yè)性的CPU測(cè)試程序是根據(jù)CPU結(jié)構(gòu)特點(diǎn)編寫(xiě)而成的。由于CPU的故障存在隨機(jī)性,須經(jīng)過(guò)足夠的測(cè)試次數(shù)方能證明CPU的可靠性。一般用戶系統(tǒng)的CPU自診斷程序則可認(rèn)為是系統(tǒng)的測(cè)試程序,如果系統(tǒng)能正確地運(yùn)行完自檢程序,則可以認(rèn)為CPU自身也是正常的。六、智能儀表的自診斷技術(shù)

由于ROM是只讀的,對(duì)其進(jìn)行自診斷只需判斷從ROM中讀出的數(shù)據(jù)是否正確即可。具體的診斷方法有多種，常見(jiàn)的如“檢校和”(奇/偶檢驗(yàn)法)、單字節(jié)累加位法、雙字節(jié)累加位法等。2.ROM的自診斷六、智能儀表的自診斷技術(shù)

（1）固定模式測(cè)試

固定模式測(cè)試是將某數(shù)據(jù)寫(xiě)入被測(cè)試的RAM單元中，然后再?gòu)闹凶x出并與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,以此來(lái)判斷RAM的寫(xiě)入和讀出的可靠性。為檢查字節(jié)單元的各個(gè)位之間的影響，應(yīng)將可能出現(xiàn)的每一種數(shù)據(jù)組合都進(jìn)行一次測(cè)試,如8位RAM字節(jié)所有的數(shù)據(jù)組合為00～FFH。實(shí)際系統(tǒng)中也常用0AAH和55H這兩個(gè)0和1間隔的數(shù)進(jìn)行檢查,