硬件系统的可靠性设计
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1 可靠性概念错误!未定义书签。
失效率错误!未定义书签。
可靠度错误!未定义书签。
不可靠度错误!未定义书签。
平均无故障时间错误!未定义书签。
可靠性指标间的关系错误!未定义书签。
2 可靠性模型错误!未定义书签。
串联系统错误!未定义书签。
并联系统错误!未定义书签。
混合系统错误!未定义书签。
提高可靠性的方法错误!未定义书签。
3 可靠性设计方法错误!未定义书签。
元器件错误!未定义书签。
降额设计错误!未定义书签。
冗余设计错误!未定义书签。
电磁兼容设计错误!未定义书签。
故障自动检测与诊断错误!未定义书签。
软件可靠性技术错误!未定义书签。
失效保险技术错误!未定义书签。
热设计错误!未定义书签。
EMC设计错误!未定义书签。
可靠性指标分配原则错误!未定义书签。
4 常用器件的可靠性及选择错误!未定义书签。
元器件失效特性错误!未定义书签。
元器件失效机理错误!未定义书签。
元器件选择错误!未定义书签。
电阻错误!未定义书签。
电容错误!未定义书签。
二极管错误!未定义书签。
光耦合器错误!未定义书签。
集成电路错误!未定义书签。
5 电路设计错误!未定义书签。
电流倒灌错误!未定义书签。
热插拔设计错误!未定义书签。
过流保护错误!未定义书签。
反射波干扰错误!未定义书签。
电源干扰错误!未定义书签。
静电干扰错误!未定义书签。
上电复位错误!未定义书签。
时钟信号的驱动错误!未定义书签。
时钟信号的匹配方法错误!未定义书签。
6 PCB设计错误!未定义书签。
布线错误!未定义书签。
去耦电容错误!未定义书签。
7 系统可靠性测试错误!未定义书签。
环境适应性测试错误!未定义书签。
EMC测试错误!未定义书签。
其它测试错误!未定义书签。
8 参考资料错误!未定义书签。
9 附录错误!未定义书签。
可靠性概念
系统的可靠性是由多种因素决定的，影响系统可靠、安全运行的主要因素来自于系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等。可靠性的高低涉及产品活动的方方面面，包括元器件采购、检验、设备设计、生产、工程安装、维护等各个环节。
在电子产品中，影响产品可靠性的一个很重要的因素是干扰问题，所以提高系统的抗干扰能力是产品设计过程中考虑的重要课题。
干扰对系统造成的后果主要表现在以下几方面：
数据采集错误
控制状态改变
程序运行失常
系统运行不稳定
可靠性是描述系统长期稳定、正常运行能力的一个通用概念，也是产品质量在时间方面的特征表示。可靠性又是一个统计的概念，表示在某一时间内产品或系统稳定正常完成预定功能指标的概率。
可靠性的定义是指产品或系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。例如，一台计算机在室内有空调的条件下，使用3000小时不出故障的可能性为70％，即意味着在3000小时内无故障的概率为70%。可靠性最集中反映了某产品或系统的质量指标。
描述可靠性的定量指标有可靠度、失效率、平均无故障时间等。
失效率
失效率又称为故障率，指工作到某一时刻尚未失效的产品或系统在该时刻后单位时间内发生失效的概率。
数字电路以及其它电子产品，在其有效寿命期间内，如果它的失效率是由电子元器件、集成电路芯片的故障所引起，则失效率为常数。这是因为经过老化筛选后的电子元器件、集成电路芯片已进入偶发故障期。在这一时期内，它们的故障是随机均匀分布的，故故障率为一常数。由电子元器件、集成电路芯片构成的整机总是比电子元器件、集成电路芯片先进入损耗故障期。
可靠度
可靠度是指产品或系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率。规定的条件包括运行的环境条件、使用条件、维修条件和操作水平等。可靠度一般记为R。它是时间的函数，故也记为R（t）,称为可靠度函数。
如果用随机变量T表示产品从开始工作到发生失效或故障的时间，其概率密度为f（t）如上图所示，若用t表示某一指定时刻，则该产品在该时刻的可靠度
对于不可修复的产品，可靠度的观测值是指直到规定的时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该区间开始时投入工作产品数之比，即
式中:N——开始投入工作产品数
N a（t）——到t时刻完成规定功能产品数，即残存数
N f（t）——到t时刻未完成规定功能产品数，即失效数。
不可靠度
不可靠度也称为累积失效概率：是产品在规定条件下和规定时间内未完成规定功能（即发生失效）的概率，。一般记为F或F（t）。
因为完成规定功能与未完成规定功能是对立事件，按概率互补定理可得
F（t）=1-R（t）
对于不可修复产品和可修复产品累积失效概率的观测值都可按概率互补定理，取
平均无故障时间
产品的平均无故障时间又称为平均寿命，是产品寿命的平均值。对于可修复的产品，指“产品在其使用寿命期内某个观察期间累积工作时间与故障次数之比”。对于不可修复的产品，指“当所有试验样品都观测到寿命终了的实际值时，平均寿命是它们的算数平均值；当不是所有试验样品都观测到寿命终了的截尾试验时，平均寿命是试验样品累积试验时间与失效数之比”。
可靠性指标间的关系
可靠性特征量中可靠度R（t），累积失效率(也叫不可靠度)F（t）、概率密度f （t）和失效率λ（t）是四个基本函数,只要知道其中一个,则所有变量均可求得.基本函数间的关系见下表。
可靠性特
R(t)F(t)f(t)λ(t)
征量
R(t)(可靠
-1-F(t)
度)
F(t)(累积失
1-R(t)-
效率)
f(t)(概率密
-
度)
λ(t)(失效
-
率)
关于MTBF计算的例子见附录文件
可靠性模型
一个复杂的系统总是由许多基本元件、部件组成，如何在保证完成功能的前提下组成一个高可靠性的系统对产品设计是很有意义的。一方面需要知道组成系统的基本元器件或部件在相应使用条件下的可靠性，另一方面还要知道这些基本元器件、部件的可靠性和由其构成的系统的可靠性的关系。
描述基本元器件、部件的可靠性的基本数据可由生产厂家提供、或通过试验获得、或通过实际观察的统计数据或经验得到。基本元器件、部件的可靠性对系统的影响，可以通过几种可靠性模型获得。
构造系统的可靠性模型时，首先应该明确的是系统的可靠性框图与系统的功能性框图有所不同。系统的功能性框图是根据系统的工作原理进行连接，各部分之间的关系是确定的，其位置不能变动，而系统的可靠性框图是根据各组成部分的故障对系统的影响来构成的，其位置在何处是没有关系的。
串联系统
串联结构的系统是由几个功能器件（部件）组成，其中任何一个器件（部件）失效，都将引起整个系统失效。
图xxx 和图xxx 中的a 表示系统的功能框图，而b 表示系统的可靠性框图，可以看出，两者有时是不相同的。
在图xxx 中，虽然是LC 并联谐振电路，但其可靠性结构框图却是串联的，因为任何一个环节发生故障，则整个电路将不发生谐振。
对于串联结构模型的系统，系统的失效率为各功能器件（部件）失效率的代数和。若系统中的每一个部件又由几种元件组成，每种元件都有一定的数量，如果部件中的每个元件的失效率都将组成部件的失效，那么这个部件就成为由一系列元件组成的串联结构。这个部件的失效率为各元件失效率的代数和。
串联结构是一种无冗余结构，特点是构造简单。
串联系统的可靠度为：
A
输入 B 放大 C 采样 D A/D A
B C D 图 xxxx
a
b
L C 图 xxx 串联结构模型
L
C
a
b
上图所示为n个具有相同可靠度的单元构成的系统的可靠度与每个单元的可靠度间的关系曲线，由此可知，随着串联单元数的增加，系统的可靠度随之减小。并联系统
并联形式的可靠性结构是有冗余的，它是指系统由几个部件构成，只要其中至少有一个部件工作正常，系统就能正常工作。按组成系统的部件的数量可分为双重、三重或多重系统。
例如，为SP30交换机机框中各电路板提供电源的二次电源系统，两个电源模块的工作形式为输出并联方式，其中任何一个电源模块都有为整个机框提供所需电流的能力，其电源的可靠性模型即为并联结构。
若系统中有n个部件，构成并联结构，则系统的可靠度为：
R1（t）
R2（t）
R n（t）
图xxx 并联结构模型
i＝1，2，…，n
系统的平均无故障时间为：
下图是n个相同单元并联构成的系统的可靠度与每个单元的可靠度间的关系曲线，由此可知，随着并联单元数的增加，系统的可靠度随之增大。
混合系统
混联结构是由若干并联和串联结构组合的混合系统，这种系统在实际应用中用的较多。例如估算如下图所示系统的可靠度，通常先将并联部分估算好，然后再对整个系统按串联模型进行计算。
图xxxx 混联结构模型
而估算如下图所示系统的可靠度，则先将串联部分估算好，然后再对整个系统按并联模型进行计算。
图xxxx 混联结构模型
提高可靠性的方法
提高系统可靠性的途径有两个：错误避免和容错设计。
错误避免即通过使用更高质量、更高可靠性的元器件、部件来提高系统的可靠性，其实现成本比容错设计低。
容错设计主要是通过部件的冗余来实现，即通过增加设计的复杂性，增加冗余单元，同时也就增加成本的方法达到提高系统的可靠性。
可靠性设计方法
元器件
元件、器件是构成系统的基本部件，元器件的性能与可靠性是系统整体性能与可靠性的基础。降低电子元器件的故障率是由其生产厂家来保证的。作为设计与使用者，主要是保证所选用的元器件的质量或可靠性指标满足设计的要求。
把握元器件的选型、购买、运输、储存
元器件的质量主要由生产厂家的技术、工艺以及质量管理体系保证。应选用有质量信誉的厂家的产品，一旦选定，不应轻易更换，尽量避免在同一台设备中使用不同厂家的同一型号的元器件。
元器件的运输、储存要按相关要求进行，对于存放时间较长的元器件，在使用前需要仔细检测。
老化、筛选、测试
元器件的老化测试一般在生产前进行，在此阶段淘汰那些质量不佳的产
品。老化处理的时间长短与所用元件量、型号、可靠性要求有关，一般为24小时或48小时。老化时所施加的电气应力（电压或电流等）应等于或略高于额定值，常选取额定值的110％～120％。老化后淘汰那些功耗偏大、性能指标明显变化或不稳定的元器件。
降额设计
降额设计是使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值，从而达到降低基本故障率，保证系统可靠性的目的。降额设计是电子产品可靠性设计中的最常用的方法。
不同的电子元器件所要考虑的应力因素是不一样的，有的是电压，有的是电流，有的是温度，有的是频率，有的是振动等等。
对电容的耐压及频率特性，电阻的功率，电感的电流及频率特性，二极管、三极管、可控硅、运放、驱动器、门电路等器件的结电流、结温或扇出系数，电源的开关和主供电源线缆的耐电压/电流和耐温性能，信号线缆的频率特性，还有散热器、接插件、模块电源等器件的使用要求进行降额设计。
通常，根据降额幅度的大小可分为一、二、三级降额，一级降额（(实际承受应力)/(器件额定应力) < 50%的降额）在技术设计上最容易实现，降额的效果也最好，但存在成本过高的问题；二级降额（70%左右的降额）在技术设计上也比较容易实现，降额的效果也很好，并且成本适中；三级降额在技术实现上要仔细推敲，必要时要通过系统设计采取一些补偿措施，才能保证降额效果的实现，有一定难度，但三级降额的成本最低。一般说来，建议使用二级降额设计方法，在保证降额设计取得良好效果的同时，技术实现难度和成本都适中。对于涉及到频率特性的器件的降额要谨慎处理。
冗余设计
冗余技术也称为容错技术或故障掩盖技术，它是通过增加完成同一功能地并联或备用单元（包括硬件单元或软件单元）数目来提高系统可靠性地一种设计方法。如在电路设计中，对那些容易产生短路故障的单元，以串联形式复制；对那些容易产生开路故障的单元，以并联形式复制。
冗余设计并非适用于所有的场合，一般在低层次和关键环节的情况下使用可获得较好的效果。同时，还需注意，某些冗余技术的采用需增加若干故障检测和冗余通道切换装置，它们的失效率在远低于受控部分的失效率时，才能发挥冗余技术的优越性。
冗余设计的主要任务是：
1）确定冗余等级；
2）选定冗余类型；
3）确定冗余配置方案；
4）确定冗余管理方案。
冗余技术主要包括硬件冗余、软件冗余、信息冗余、时间冗余等。
硬件冗余
硬件冗余是采用增加硬件的方式来实现，当系统发生故障时，将备份的硬件顶替上去，使系统仍然能够正常工作。在电路级、功能单元级、部件级和系统级都可
以采用硬件冗余结构。如交换机系统中的处理机系统、时钟系统等就是采用的硬件冗余结构。
软件冗余
实现软件冗余的主要方法有：指令冗余技术、软件陷阱技术和软件看门
狗技术等。
信息冗余
对于重要的文件或数据复制一份或多份，并存储于不同的空间，当某一区间或某一备份被破坏后，自动从其它部分重新复制，使文件或数据得以恢复。
时间冗余
重复执行某一操作或某一程序，并将执行结果与前一次的结果进行比较来确认系统工作是否正常。这种方法是以时间为代价换取可靠性，称为时间冗余技术或重复检测技术。在实际应用中可以采用三中取二或五中取三等方式。
电磁兼容设计
电磁兼容性是指系统在电磁环境中运行的适应性，即在电磁环境下能保持完成规定功能的能力。电磁兼容性设计的目的是使系统既不受外部电磁干扰的影响，也不对其它电子设备产生电磁干扰。
抗电磁干扰的硬件措施主要有滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、接地技术等；软件措施主要有数字滤波、软件冗余、程序运行监视及故障自动恢复技术等。
故障自动检测与诊断
为了判定系统是否工作正常或某项功能是否正常、及时指出故障部位，缩短维修时间，可以有计划地对系统进行在线测试和诊断，以便及时排除故障，缩小故障带来的影响。
软件可靠性技术
为了提高软件的可靠性，应尽量将软件规范化、标准化、模块化，尽可能把复杂的问题化成若干较为简单明确的小任务。把一个大程序分成若干独立的小模块，有助于及时发现设计中的不合理部分，而且检查和测试几个小模块要比检查和测试大程序方便的多。
失效保险技术
有些重要的系统，一旦发生故障，希望整个系统处于安全或保险状态。如交换机系统的各功能电路板的电源设计，当某块电路板由于某种原因过流时，希望不影响同一机框内其它电路板的使用，通常在功能电路板内采取过流保护措施，使其电源与机框脱离。
热设计
确定产品的运行环境温度指标，确定设备内部及关键元器件的温升限值。一般说来，元器件工作时的温度上升与环境温度没有关系，而民用级别的元器件的允许工作温度大多在70~85℃，为了保证在极限最高环境温度（50℃左右）下元器件的工作温度还在其允许温度范围内并有相当的冗余度，设备内部及元器件的温升设计指标定在15℃左右比较合适。在硬件单板设计时，首先应该明确区分易发热器件和温度敏感器件（即随着温度的变化器件容易发生特性漂移、变形、流液、
老化等），布PCB板时要对易发热器件采取散热措施，温度敏感器件要与易发热器件和散热器隔开合适的距离，必要时要从系统的角度考虑采取补偿措施。系统或子系统通过自然散热（通风、对流等）措施不能保证设备内部及关键元器件温升限值指标得到保证时，需要采取强迫制冷措施。
EMC设计
电磁兼容（EMC）包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两个方面。电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
要提升这种能力，有许多应用课题要解决，如：电磁波的散射、透射、传输、孔缝耦合，各种干扰源的机理和特性，各种干扰参数的计算和测试，各种结构的屏蔽效果，各种防护方法、测试方法、标准等等。对应设计的方法也有多种，如：防静电设计、防雷设计、防地电位升设计等等；一般从以下方面考虑，以保证产品的EMC特性：
1、静电放电的防护。首先要阻止电流直接进入电子线路，最普通的办法就是建立完善的屏蔽结构（必要时在外壳与电路之间增加第二层屏蔽层），屏蔽层接到电路的公共接地点上。对内部的电路来说，如果需要与金属外壳相连时，必须采用单点接地的方式，防止放电电流流过这个电路，造成伤害。
2、屏蔽。采用屏蔽的目的有两个：一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。主要对电场、电磁场、磁场进行屏蔽（现实对磁场的屏蔽更难）。
3、接地。接地的目的一是防电击，一是去除干扰。接地可分为两大类，即安全接地与信号接地。接地时应该注意：接地线愈短愈好、接地面应具有高传导性、切忌双股电缆分开安装、低频宜采用单点接地系统、高频应采用多点接地系统、去除接地环路；
4、滤波。实际工作中，无法完全做好接地与屏蔽的工作。因此，会采用滤波（将不需要的信号去除）的方式来弥补不足，主要通过滤波电路来实现。在实际使用中，由于设备所产生的杂讯中共模和差模的成分不一样，所采用的滤波电路也有变化，可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI测试后才能有满意的结果。
可靠性指标分配原则
通常分配可靠性指标应考虑下列原则：
技术水平
对技术成熟的单元，能够保证实现较高的可靠性，或预期投入使用时可靠性可有把握地增长到较高水平，则可分配给较高的可靠度。
复杂程度
对较简单的单元，组成该单元零部件数量少，组装容易保证质量或故障后易于修复，则可分配给较高的可靠度。
重要程度
对重要的单元，该单元失效将产生严重的后果，或该单元失效常会导致全系统失效，则应分配给较高的可靠度。
任务情况
对整个任务时间内均需连续工作以及工作条件严酷，难以保证很高可靠性
单元，则应分配给较低的可靠度。
此外，一般还要受费用、重量、尺寸等条件的约束。总之，最终都是力求以
最小的代价来达到系统可靠性的要求。
可靠性指标分配方法有：等分配法、再分配法、比例分配法、综合评分分配法、动态规划分配法等。
例如：某公司采用如下的综合评分分配法为其产品分配可靠性指标：
由于缺乏产品的可靠性数据，所以请熟悉产品、有工程实际经验的专家，按照影响产品可靠性的几种主要因素（如：复杂度、技术成熟度、重要度及环境条件）进行评分（每一种因素的分值在1~10之间，难度越高评分越高），然后根据评分的结果给各分系统或部件分配可靠性指标。
部
件
复
杂
度
技术成
熟度
重要
度
环境
条件
各部件
评分
各部件
评分系
数Ci
分配给各
部件的故
障率
分配给各部
件的MTBF A89683456
B576816802225
C5665900
D6*******
合计74761500
份）；
（2）对A部份而言，最后评分为8*9*6*8＝3456；B的评分为5*7*6*8＝1680；同理C的评分为900、D的评分为1440；最后四部分总分为：7476；紫红色字迹部份。
（3）对A部份而言，评分系数为3456/7476＝；B的评分系数为1680/7476＝；C的评分系数为；D的评分系数为；浅紫色部份。
（4）对整个系统而言，失效率为1/500＝；
所以分配给A的失效率为：*＝，对应的MTBF为；
同理得B/C/D的失效率和MTBF，红色字迹部份。
常用器件的可靠性及选择
元件的可靠性主要包括以下几个方面：失效特征、失效机理、抗干扰特性、元件的选用方法、安装工艺以及环境对元件性能的影响等方面。
元器件失效特性
失效率
失效率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。一般记为λ,它也是时间t的函数,故也记为λ(t),称为失效率函数,有时也称为故障率函数或风险函数.
按上述定义,失效率是在时刻t尚未失效产品在t+△t的单位时间内发生失效的条件概率.即
它反映t时刻失效的速率,也称为瞬时失效率.
失效率的观测值是在某时刻后单位时间内失效的产品数与工作到该时刻尚未失
效的产品数之比,即
失效规律
产品的失效规律如下图所示，其失效率随时间变化可分为三段时期，即早期失效期、稳定工作期和衰老期。
早期失效期：失效率曲线为递减型。产品投入使用的前期，失效率较高其失效率曲线下降很快。失效原因主要是由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、焊接、安装不当等人为因素所造成的。当这些所谓先天不良的失效结束后运转也逐渐正常，则失效率就趋于稳定，到t0时失效率曲线已开始变平。t0以前称为早期失效期。针对早期失效期的失效原因，应该对元件进行筛选、严格安装工艺、设备老化处理后再投入运行，争取失效率低且t0短。
稳定工作期也称正常工作寿命期。失效率曲线在这一时期几乎为恒定值，即t0到t i间的失效率近似为常数。失效原因主要是由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失效原因多属偶然，故又称为偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意提高产品的质量，精心使用维护。衰老期也称为损耗期。失效率曲线是递增型，在t1以后失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提前维修，使失效率仍不上升。
失效形式
元件的失效形式可分为：突然失效、退化失效、局部失效以及全局失效。
突然失效：元件参数急剧变化，或因元件制造工艺不良，环境条件变化导致断路或开路所造成。如器件因压焊不牢造成开路，或因灰尘微粒使器件管脚短路，电容器因电解质击穿造成短路等。
退化失效：由于元件制造公差、温度系数变化、材料变质、电源电压波动、工艺不良等因素使元件参数逐渐变差，性能逐渐降低形成。
局部失效：退化失效常使系统局部功能失效，称为局部失效。
全局失效：突然失效会使整个系统失效，称为全局失效。
fit表示10－9
/h
元器件失效机理
元件的失效直接受湿度、温度、电压、机械等因素的影响。
温度影响：
环境温度是导致元件失效的重要因素。
温度变化对半导体器件的影响：构成双极型半导体器件的基本单元P-N结对温度的变化很敏感，当P-N结反向偏置时，由少数载流子形成的反向漏电流受温度的变化影响，其关系为：
式中：I CQ―――温度T0C时的反向漏电流
I CQR――温度T R℃时的反向漏电流
T－T R――温度变化的绝对值
由上式可以看出，温度每升高10℃，I CQ将增加一倍。这将造成晶体管放大器的工作点发生漂移、晶体管电流放大系数发生变化、特性曲线发生变化，动态范围变小。
温度与允许功耗的关系如下：
式中：P CM―――最大允许功耗
T jM―――最高允许结温
T――――使用环境温度
R T―――热阻
由上式可以看出，温度的升高将使晶体管的最大允许功耗下降。
由于P-N结的正向压降受温度的影响较大，所以用P-N为基本单元构成的双极型半导体逻辑元件（TTL、HTL等集成电路）的电压传输特性和抗干扰度也与温度有密切的关系。当温度升高时，P-N结的正向压降减小，其开门和关门电平都将减小，这就使得元件的低电平抗干扰电压容限随温度的升高而变小；高电平抗干扰电压容限随温度的升高而增大，造成输出电平偏移、波形失真、稳态失调，甚至热击穿。
表xxx 电子元器件的失效率
温度变化对电阻的影响
温度变化对电阻的影响主要是温度升高时，电阻的热噪声增加，阻值偏离标称值，允许耗散概率下降等。比如，RXT系列的碳膜电阻在温度升高到100℃时，允许的耗散概率仅为标称值的20％。
但我们也可以利用电阻的这一特性，比如，有经过特殊设计的一类电阻：PTC （正温度系数热敏电阻）和NTC（负温度系数热敏电阻），它们的阻值受温度的影响很大。
对于PTC，当其温度升高到某一阀值时，其电阻值会急剧增大。利用这一特性，可将其用在电路板的过流保护电路中，当由于某种故障造成通过它的电流增加到其阀值电流后，PTC的温度急剧升高，同时，其电阻值变大，限制通过它的电流，达到对电路的保护。而故障排除后，通过它的电流减小，PTC的温度恢复正常，同时，其电阻值也恢复到其正常值。
对于NTC，它的特点是其电阻值随温度的升高而减小。
温度变化对电容的影响
温度变化将引起电容的到介质损耗变化，从而影响其使用寿命。温度每升高10℃时，电容器的寿命就降低50％，同时还引起阻容时间常数变化，甚至发生因介质损耗过大而热击穿的情况。
此外，温度升高也将使电感线圈、变压器、扼流圈等的绝缘性能下降。
湿度影响：
湿度过高，当含有酸碱性的灰尘落到电路板上时，将腐蚀元器件的焊点与接线处，造成焊点脱落，接头断裂。
湿度过高也是引起漏电耦合的主要原因。
而湿度过低又容易产生静电，所以环境的湿度应控制在合理的水平。
电压影响：
施加在元器件上的电压稳定性是保证元器件正常工作的重要条件。过高的电压会增加元器件的热损耗，甚至造成电击穿。对于电容器而言，其失效率正比于电容电压的5次幂。对于集成电路而言，超过其最大允许电压值的电压将造成器件的直接损坏。
振动、冲击影响：
机械振动与冲击会使一些内部有缺陷的元件加速失效，造成灾难性故障，机械振动还会使焊点、压线点发生松动，导致接触不良；若振动导致导线不应有的碰连，会产生一些意象不到的后果。
元器件选择
满足性能要求，元器件地各种性能参数满足性能指标的要求，如耐压、驱动能力、频率特性等；
满足可靠性要求，考虑在开路、短路、接触不良、参数漂移等失效模式下的可靠性以及元器件的抗干扰性能；
选用经实践检验证明性能优良的定型元器件；
尽量减少元器件品种、型号，以保证制造、安装及后期维护方便；
尽量选用标准元器件，确保元器件的可替换性；
系统设计时考虑工作环境温度、湿度、振动、冲击等条件；
在保证可靠性的条件下，尽量选用廉价的元器件，以降低成本
电阻
电阻分类：
碳膜电阻：气态碳氢化合物在高温和真空中分解，碳沉积在瓷棒或者瓷管上，形成一层结晶碳膜。改变碳膜厚度和用刻槽的方法变更碳膜的长度，可以得到不同的阻值。碳膜电阻成本较低，性能一般。
金属膜电阻：在真空中加热合金，合金蒸发，使瓷棒表面形成一层导电金属膜。刻槽和改变金属膜厚度可以控制阻值。这种电阻和碳膜电阻相比，体积小、噪声低、稳定性好，但成本较高。
碳质电阻：把碳黑、树脂、粘土等混合物压制后经过热处理制成。在电阻上用色环表示它的阻值。这种电阻成本低，阻值范围宽，但性能差，很小采用。
线绕电阻：用康铜或者镍铬合金电阻丝，在陶瓷骨架上绕制成。这种电阻分固定和可变两种。它的特点是工作稳定，耐热性能好，误差范围小，适用于大功率的场合，额定功率一般在1瓦以上。
碳膜电位器：它的电阻体是在马蹄形的纸胶板上涂上一层碳膜制成。它的阻值变化和中间触头位置的关系有直线式、对数式和指数式三种。碳膜电位器有大型、小型、微型几种，有的和开关一起组成带开关电位器。
线绕电位器：用电阻丝在环状骨架上绕制成。它的特点是阻值范围小，功率较大。标称阻值和允许误差
电阻的额定功率
电阻的额定功率也有标称值，常用的有1/8、1/4、1/2、1、2、3、5、10、20瓦等。
电阻的噪声与频率特性
电阻通电后，都出现不同程度的噪声电压，两个引出端上电位呈现不规则的起伏，
这就是电阻的噪声，电阻的噪声包括热噪声和电流噪声。
电阻的噪声电压用下式表示：
式中：k――波耳兹曼常数，为×10-23J/K；
T――热力学温度/K；
B――噪声带宽/Hz；
R――电阻值/Ω；
交流电通过电阻时，电阻在一定的频率下呈现出电感性或电容性，从而使电流的工作状态发生变化。一般情况下，分布电容Cd为～；包括引线电感在内，剩余电感Ls为10～30nH。
电阻的频率特性为：
一个1/8W的金属膜电阻其Cd≈，Ls≈20nH，所以阻值在280Ω左右的电阻有最好的频率特性。
电阻的失效模式
参数漂移、短路、开路、接触不良；
各种电阻的失效率如下表所示：
电阻使用的注意事项
降额使用：由于电阻在使用时要产生热量，这不仅影响周边器件，而且其本身的阻值也会发生改变，因此，电阻在使用时，实际负载功率要低于额定功率的30％，
在精度要求很高的场合，应低于50％。
脉冲负载时电阻的功率降额使用：电阻在脉冲电压下工作时的平均功率可表示为：
式中：V――脉冲峰值电压；
R――电阻阻值；
f――频率（Hz）；
て――脉冲宽度（s）。
一般选取电阻的额定功率为上式计算值的2～5倍；碳膜电阻和高阻值金属膜电阻承受脉冲负载能力较差，所以它们的额定功率应在平均功率的5倍以上。降低额定电压使用：最好用到最高允许电压的50％或者更低。
电容
电容的种类和特性：
硬件系统的可靠性设计
目录 1 可靠性概念 (4) 1.1 失效率 (4) 1.2 可靠度 (5) 1.3 不可靠度 (6) 1.4 平均无故障时间 (6) 1.5 可靠性指标间的关系 (6) 2 可靠性模型 (7) 2.1 串联系统 (7) 2.2 并联系统 (9) 2.3 混合系统 (11) 2.4 提高可靠性的方法 (12) 3 可靠性设计方法 (12) 3.1 元器件 (12) 3.2 降额设计 (13) 3.3 冗余设计 (14) 3.4 电磁兼容设计 (15) 3.5 故障自动检测与诊断 (15) 3.6 软件可靠性技术 (15) 3.7 失效保险技术 (15) 3.8 热设计 (16) 3.9 EMC设计 (16) 3.10 可靠性指标分配原则 (17) 4 常用器件的可靠性及选择 (19) 4.1 元器件失效特性 (19) 4.2 元器件失效机理 (21) 4.3 元器件选择 (23) 4.4 电阻 (23) 4.5 电容 (26) 4.6 二极管 (30) 4.7 光耦合器 (31) 4.8 集成电路 (32) 5 电路设计 (38) 5.1 电流倒灌 (38) 5.2 热插拔设计 (40) 5.3 过流保护 (41) 5.4 反射波干扰 (42) 5.5 电源干扰 (49) 5.6 静电干扰 (51) 5.7 上电复位 (52) 5.8 时钟信号的驱动 (53) 5.9 时钟信号的匹配方法 (55) 6 PCB设计 (60)
6.1 布线 (60) 6.2 去耦电容 (62) 7 系统可靠性测试 (62) 7.1 环境适应性测试 (62) 7.2 EMC测试 (63) 7.3 其它测试 (63) 8 参考资料 (64) 9 附录 (64)
可靠性设计的主要内容 1、研究产品的故障物理和故障模型 搜集、分析与掌握该类产品在使用过程中零件材料的老化、损伤和故障失效等（均为受许多复杂随机因素影响的随机过程）的有关数据及材料的初始性能（强度、冲击韧性等）对其平均值的偏离数据，揭示影响老化、损伤这一复杂物理化学过程最本质的因素，追寻故障的真正原因。研究以时间函数形式表达的材料老化、损伤的规律，从而较确切的估计产品在使用条件下的状态和寿命。用统计分析的方法使故障（失效）机理模型化，建立计算用的可靠度模型或故障模型，为可靠性设计奠定物理数学基础，故障模型的建立，往往以可靠性试验结果为依据。 2、确定产品的可靠性指标及其等级 选取何种可靠性指标取决于产品的类型、设计要求以及习惯和方便性等。而产品可靠性指标的等级或量值，则应依据设计要求或已有的试验，使用和修理的统计数据、设计经验、产品的重要程度、技术发展趋势及市场需求等来确定。例如，对于汽车，可选用可靠度、首次故障里程、平局故障间隔里程等作为可靠性指标，对于工程机械则常采用有效度。 3、合理分配产品的可靠性指标值
将确定的产品可靠性指标的量值合理分配给零部件，以确定每个零部件的可靠性指标值，后者与该零部件的功能、重要性、复杂程度、体积、重量、设计要求与经验、已有的可靠性数据及费用等有关，这些构成对可靠性指标值的约束条件。采用优化设计方法将产品（系统、设备）的可靠性指标值分配给各个零部件，以求得最大经济效益下的各零部件可靠性指标值最合理的匹配。 4、以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠性设计 即把规定的可靠性指标值直接设计到零件中去，使它们能够保证可靠性指标值的实现。
可靠性设计与分析作业 学号：071130123 姓名：向正平一、指数分布的概率密度函数、分布函数、可靠度函数曲线 （1）程序语言 t=(0:0.01:20); Array m=[0.3,0.6,0.9]; linecolor=['r','b','y']; for i=1:length(m); f=m(i)*exp(-m(i)*t); F=1-exp(-m(i)*t); R=exp(-m(i)*t); color=linecolor(i); subplot(3,1,1); title('指数函数概率密度函数曲线'); plot(t,f,color); hold on subplot(3,1,2); title('指数函数分布函数函数曲线'); plot(t,F,color); hold on subplot(3,1,3); title('指数指数分布可靠度函数曲线 plot(t,R,color); hold on end （3）指数分布的分析 在可靠性理论中，指数分布是最基本、最常用的分布，适合于失效率为常数 的情况。指数分布不但在电子元器件偶然失效期普遍使用，而且在复杂系统和整 机方面以及机械技术的可靠性领域也得到使用。 有图像可以看出失效率函数密度f(t)随着时间的增加不断下降，而失效率随 着时间的增加在不断的上升，可靠度也在随着时间的增加不断地下降，从图线的 颜色可以看出，随着m的增加失效率密度函数下降越快，而可靠度的随m的增加 而不断的增加，则失效率随m的增加减小越快。 在工程运用中，如果某零件符合指数分布，那么可以适当增加m的值，使零 件的可靠度会提升，增加可靠性。 二、正态分布的概率密度函数、分布函数、可靠性函数、失效率函数曲线 （1）程序语言 t=-10:0.01:10; m=[3,6,9]; n=[1,2,3]; linecolor=['r','b','y'];
通用的可靠性设计分析方法 1.识别任务剖面、寿命剖面和环境剖面 在明确产品的可靠性定性定量要求以前，首先要识别产品的任务剖面、寿命剖面和环境剖面。 （1）任务剖面“剖面”一词是英语profile的直译，其含义是对所发生的事件、过程、状态、功能及所处环境的描述。显然，事件、状态、功能及所处环境都与时间有关，因此，这种描述事实上是一种时序的描述。 任务剖面的定义为：产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。它包括任务成功或致命故障的判断准则。 对于完成一种或多种任务的产品，均应制定一种或多种任务剖面。任务剖面一般应包括：1）产品的工作状态； 2）维修方案； 3）产品工作的时间与程序； 4）产品所处环境（外加有诱发的）时间与程序。 任务剖面在产品指标论证时就应提出，它是设计人员能设计出满足使用要求的产品的最基本的信息。任务剖面必须建立在有效的数据的基础上。 图1表示了一个典型的任务剖面。 （2）寿命剖面寿命剖面的定义为：产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。寿命剖面包括任务剖面。 寿命剖面说明产品在整个寿命期经历的事件，如：装卸、运输、储存、检修、维修、任务剖面等以及每个事件的持续时间、顺序、环境和工作方式。 寿命剖面同样是建立产品技术要求不可缺少的信息。 图2表示了寿命剖面所经历的事件。
（3）环境剖面环境剖面是任务剖面的一个组成部分。它是对产品的使用或生存有影响的环境特性，如温度、湿度、压力、盐雾、辐射、砂尘以及振动冲击、噪声、电磁干扰等及其强度的时序说明。 产品的工作时间与程序所对应的环境时间与程序不尽相同。环境剖面也是寿命剖面和任务剖面的一个组成部分。 2.明确可靠性定性定量要求 明确产品的可靠性要求是新产品开发过程中首先要做的一件事。产品的可靠性要求是进行可靠性设计分析的最重要的依据。 可靠性要求可以分为两大类：第一类是定性要求，即用一种非量化的形式来设计、分析以评估和保证产品的可靠性；第二类是定量要求，即规定产品的可靠性指标和相应的验证方法。 可靠性定性要求通常以要求开展的一系列定性设计分析工作项目表达。常用的可靠性定性设计工作项目见表1。
硬件系统可靠性设计规范 一、概论 可靠性的定义：产品或系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力 可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。设备可靠性设计规范的一个核心思想是监控过程，而不是监控结果。 二、可靠性设计方法 1、元器件：构成系统的基本部件，作为设计与使用者，主要是保证所选用的元器件的质量或可靠性指标满足设计的要求 2、降额设计：使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值，从而达到降低基本故障率，保证系统可靠性的目的。幅度的大小可分为一、二、三级降额，一级降额（(实际承受应力)/(器件额定应力) < 50%的降额），建议使用二级降额设计方法，一级降额<70% 3、冗余设计：也称为容错技术或故障掩盖技术，它是通过增加完成同一功能的并联或备用单元（包括硬件单元或软件单元）数目来提高系统可靠性的一种设计方法，实现方法主要包括：硬件冗余；软件冗余；信息冗余；时间冗余等 4、电磁兼容设计：系统在电磁环境中运行的适应性，即在电磁环境下能保持完成规定功能的能力。电磁兼容性设计的目的是使系统既不受外部电磁干扰的影响，也不对其它电子设备产生电磁干扰。硬件措施主要有滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、接地技术等；软件措施主要有数字滤波、软件冗余、程序运行监视及故障自动恢复技术等 5、故障自动检测及诊断 6、软件可靠性设计：为了提高软件的可靠性，应尽量将软件规范化、标准化、模块化 7、失效保险技术 8、热设计 9、EMC设计：电磁兼容（EMC）包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两个方面 三、可靠性设计准则
软件可靠性技术发展及趋势分析 1引言 1)概念 软件可靠性指软件在规定的条件下、规定的时间内完成规定的功能的能力。 安全性是指避免危险条件发生，保证己方人员、设施、财产、环境等免于遭受灾难事故或重大损失。安全性指的是系统安全性。一个单独的软件本身并不存在安全性问题。只有当软件与硬件相互作用可能导致人员的生命危险、或系统崩溃、或造成不可接受的资源损失时，才涉及到软件安全性问题。由于操作人员的错误、硬件故障、接口问题、软件错误或系统设计缺陷等很多原因都可能影响系统整体功能的执行，导致系统进入危险的状态，故系统安全性工作自顶至下涉及到系统的各个层次和各个环节，而软件安全性工作是系统安全性工作中的关键环节之一。 因此，软件可靠性技术解决的是如何减少软件失效的问题，而软件安全性解决的是如何避免或减少与软件相关的危险条件的发生。二者涉及的范畴有交又，但不完全相同。软件产生失效的前提是软件存在设计缺陷，但只有外部输入导致软件执行到有缺陷的路径时才会产生失效。因此，软件可靠性关注全部与软件失效相关的设计缺陷，以及导致缺陷发生的外部条件。由于只有部分软件失效可能导致系统进
入危险状态，故软件安全性只关注可能导致危险条件发生的失效。以及与该类失效相关的设计缺陷和外部输入条件。 硬件的失效，操作人员的错误等也可能影响软件的正常运行，从而导致系统进入危险的状态，因此软件安全性设计时必须对这种危险情况进行分析，井在设计时加以考虑。而软件可靠性仅针对系统要求和约束进行设计，考虑常规的容错需求，井不需要进行专门的危险分析。在复杂的系统运行条件下，有时软件、硬件均未失效，但软硬件的交互 作用在某种特殊条件下仍会导致系统进入危险的状态，这种情况是软件安全性设计考虑的重点之一，但软件可靠性并不考虑这类情况。2）技术发展背景 计算机应用范围快速扩展导致研制系统的复杂性越来越高。软硬件密切耦合，且软件的规模，复杂度及其在整个系统中的功能比重急剧上升，由最初的20%左右激增到80%以上。伴随着硬件可靠性的提高，软件的可靠性与安全性问题日益突出。 在军事、航空航天、医疗等领域，核心控制软件的失效可能造成巨大的损失甚至威胁人的生命。1985年6月至1987年1月，Therac-25治疗机发生6起超大剂量辐射事故，其中3起导致病人死亡。1991年海湾战争。爱国者导弹在拦截飞毛腿导弹中几次拦截失败，其直接原因为软件系统未能及时消除计时累计误差。1996年阿里亚娜5型运载火箭由于控制软件数据转换溢出起飞40秒后爆炸，造成经济损
1．判断题（共20分，每题2分，答错倒扣1分） (1)（）系统可靠性与维修性决定了系统的可用性和可信性。 (2)（）为简化故障树，可将逻辑门之间的中间事件省略。 (3)（）在系统寿命周期的各阶段中，可靠性指标是不变的。 (4)（）如果规定的系统故障率指标是每单位时间0.16，考虑分配余量，可以按每单位时间0.2 进行可靠性分配。 (5)（）MTBF和MFHBF都是基本可靠性参数。 (6)（）电子元器件的质量等级愈高，并不一定表示其可靠性愈高。 (7)（）事件树的后果事件指由于初因事件及其后续事件的发生或不发生所导致的不良结果。 (8)（）对于大多数武器装备，其寿命周期费用中的使用保障费用要比研制和生产费用高。 (9)（）所有产品的故障率随时间的变化规律，都要经过浴盆曲线的早期故障阶段、偶然故障 阶段和耗损故障阶段。 (10)（）各种产品的可靠度函数曲线随时间的增加都呈下降趋势。 2．填空题（共20分，每空2分） (1)MFHBF的中文含义为。 (2)平均故障前时间MTTF与可靠度R(t)之间的关系式是。 (3)与电子、电器设备构成的系统相比，机械产品可靠性特点一是寿命不服从分 布，二是零部件程度低。 (4)在系统所处的特定条件下，出现的未预期到的通路称为。 (5)最坏情况容差分析法中，当网络函数在工作点附近可微且变化较小、容差分析精度要求不 高、设计参数变化范围较小时，可采用；当网络函数在工作点可微且变化较大，或容差分析精度要求较高，或设计参数变化范围较大时，可采用。 (6)一般地，二维危害性矩阵图的横坐标为严酷度类别，纵坐标根据情况可选下列三项之一： 、 或。
3．简要描述故障树“三早”简化技术的内容。（10分）
可靠性和维修性设计 Prepared on 22 November 2020
第六章可靠性和维修性设计 可靠性和维修性是产品的固有属性，它们由设计所决定。 “产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的。” 第一节可靠性设计 一、可靠性设计的内容或程序 1.可靠性设计：“赋予产品可靠性为目的进行的设计”或 “用最少的费用设计出所要求的可靠性， 并使其得以保持的一系列程序” 2.可靠性设计的两种情况 ◇根据给定的可靠性目标值进行设计 如对可靠性有特殊要求的新产品的设计开发， 要求在设计阶段能定量地预测和评估产品的可靠性。 典型的设计程序如下图所示。 ◇在原型基础上的改进设计 保留设计部分：根据原型产品使用数据和经验反馈， 针对薄弱环节应用可靠性设计方法加以改进提高， 达到可靠性增长的目的。 功能扩充部分：应重点进行可靠性的分析和预测， 以保证达到要求的可靠性指标。
二、可靠性设计方法 1.概率设计方法 应力-强度干涉模型 和FMECA 三、可靠性设计准则 1.简单化和标准化：减少零部件发生失效的概率。 ◇减少零部件的规格和数量 ◇简化结构 ◇采用成熟或标准化的零部件或元器件 2.零部件或元器件的选择和控制 ◇供应商的控制 ◇使用有良好使用纪录或试验数据的零部件或元器件 ◇零部件或元器件的进厂检验 ◇储存环境控制 2.冗余设计：工作储备或非工作储备系统 如重要系统的备用电源、汽车的备用轮胎及两个前灯等。 ◇在较低层次而非较高层次上使用硬件冗余 ◇采用冗余技术时，应注意避免诸冗余硬件的共因失效 如诸冗余硬件共用一个电源或同一通信通道。 ◇采用的元器件可靠性不高时，应优先考虑应用冗余技术 ◇构成冗余所必需的差错比较检测器、切换装置或开关应是高可靠性的3.降额设计：使零部件或元器件的工作应力小于额定应力或 提高零部件或元器件承载能力的安全裕度， 以降低零部件或元器件的失效概率。 4.失效安全设计：当系统的一部分发生失效时， 依靠系统的自身结构而确保系统安全的设计。 如压力表的防暴塞等。
硬件可靠性及提高 一般来说，系统总是由多个子系统组成，而子系统又是由更小的子系统组成，直到细分到电阻器、电容器、电感、晶体管、集成电路、机械零件等小元件的复杂组合，其中任何一个元件发生故障都会成为系统出现故障的原因。因此，硬件可靠性设计在保证元器件可靠性的基础上，既要考虑单一控制单元的可靠性设计，更要考虑整个控制系统的可靠性设计。 1．影响硬件可靠性的因素 (1)元件失效。元件失效有三种：一是元件本身的缺陷，如硅裂、漏气等；二是加工过程、环境条件的变化加速了元件、组件的失效；三是工艺问题，如焊接不牢、筛选不严等。 (2)设计不当。在计算机控制系统中，许多元器件发生的故障并不是元件本身的问题，而是系统设计不合理或元器件使用不当所造成。 在设计过程中，如何正确使用各种型号的元器件或集成电路，是提高硬件可靠性不可忽视的重要因素。 （1)电气性能：元器件的电气性能是指元器件所能承受的电压、电流、电容、功率等的能力，在使用时要注意元器件的电气性能，不能超限使用。（2)环境条件：计算机控制系统的工作环境有时相当恶劣，由于环境因素的影响，不少系统的实验室试验情况虽然良好，但安装到现场并长期运行就频出故障。其原因是多方面的，包括温度、干扰、电源、现场空气等对硬件的影响。因此，设计系统时，应考虑环境条件对硬件参数的影响，元件设备须经老化试验处理。 （3)组装工艺：在硬件设计中，组装工艺直接影响硬件系统的可靠性。由于工艺原因引起的故障很难定位排除，一个焊点的虚焊或似接非接很可能导致整个系统在工作过程中不时地出现工作不正常现象。另外，设计印制电路板时应考虑元器件的布局、引线的走向、引线的分类排序等。
第六章系统设计 6.1 概述 一、系统设计的原则 系统性 灵活性 可靠性 经济性 二、系统设计的主要内容 1、系统总体结构设计 系统总体结构设计包括两方面的内容： 系统网络设计是在此基础上作进一步的详细设计，设计出计算机网络的拓扑结构和计算机资源配置图。系统化分为若干个子系统的工作，在系统分析阶段已经基本完成，但不够详细。 系统模块化结构设计工作是在系统分析阶段对子系统划分的基础上，再进一步地换分，将它逐层的分解成多个大小是党、功能单一、具有一定独立性的模块，以便程序设计工作的进行。 2、代码设计 代码设计就是通过设计合适的代码形式，使其作为数据的一个组成部分，用以代表客观存在的实体、实物和属性，以保证它的唯一性便于计算机处理。 3、数据库（文件）设计 根据系统分析得到的数据关系集和数据字典，再结合系统处理流程图，就可以确定出数据文件的结构和进行数据库设计。 4 、输入/ 输出设计 输入/输出设计主要是对以纪录为单位的各种输入输出报表格式的描述，另外，对人机对话各式的设计和输入输出装置的考虑也在这一步完成。 5 、处理流程设计
处理流程设计是通过系统处理流程图的形式，将系统对数据处理过程和数据在系统存储介质间的转换情况详细地描述出来。在设计中，它要与系统模块化结构设计结合起来，以模块化结构设计为参考。一般来说，每一个功能模块都应设计一个处理流程。 6、程序流程设计 程序流程设计是根据模块的功能和系统处理流程的要求，设计出程序模框图，为程序员进行程序设计提供依据。在这一步中，也可以使用判定表或者程序结构模块突来代替程序框图。 7 、系统设计文档 系统设计文档包括三部分内容： 系统标准化设计：是指各类数据编码要符合标准化要求，对数据库（文件）命名、功能模块命名也要标准化。另外，为了保证系统安全可靠运行，还要对数据进行保密设计，对系统进行可靠性设计。 描述系统设计结果：是指系统设计说明书，程序设计说明书，系统测试说明书以及各种图表等，要将他们汇集成册，交有关人员和部门审核批准。 拟定系统实施方案：是在系统设计结果得到有关人员和部门认可之后，拟定系统实施计划，详细地确定出实施阶段的工作内容、时间和具体要求。 三、系统设计的步骤 1、系统总体设计，其中包括： 系统总体布局方案的确定 软件系统总体结构设计 数据存储的总体设计 计算机和网络系统方案的选择 2、详细设计，其中包括： 代码设计 数据库设计
嵌入式软件可靠性设计规范汇总
43.高级报警显示：红色，1.4Hz～ 2.8Hz，信占比率20%～60%开 44.中级报警显示：黄色，0.4Hz～0.8Hz，信占比率20%～60%开 45.低级报警显示：蓝绿色或者黄色，常开，信占比率100% 46. 高优先级和中优先级的报警上、下限设置值，一旦超出可能引起较严重后果的非合理报警数值区域时，均需加单独的对话弹出框予以提醒操作者 47. 默认的报警预置不允许修改，并提供让用户能恢复到出厂默认报警设置的操作途径 48.做报警日志记录，为以后的故障分析、维修检查或商业纠纷提供依据 与硬件接口的软件49. 数据传输接口的硬件性能限制了数据传输速率的提高，在确定波特率前，要确认硬件所能承受的最高传输率，光耦、485、232、CAN、传输线上有防护 器件（TVS或压敏电阻）的端口 50.硬件端口读进来的数据必须加值域范围的判断 51.硬件端口读取数据，必须加可控时间或次数的有限次限制 52.A/D的位数比前端放大电路的精度要求略高即可，并通过数学计算验证 53. 对运动部件的控制，正向运动突然转向反向运动时，必须控制先正向减速到0，然后再反向加速的控制方式 54. 运动部件停机后、再快速启动的工作控制方式是不允许的。须停机、开机、delay延时、再启动执行机构，以确保执行机构先释放原来运动状态的惯性，然后再从静态下启动 55. 运动部件都有过渡过程特性，软件驱动时的上升沿和下降沿的过渡特性会 直接影响到硬件的安全和执行效果 56. 板卡启动时，先initMCU、然后Delay、然后initIO，以确保各芯片的上电 电源都已经稳定下来再启动工作 57. 对采集自有可能受到干扰的模拟端口输入的数字量数据，一定要加上、下 限、Δ/Δt、规律性干扰的滤波措施三个方面的容错性机制 58. 对数字端口传输数据可以连续传输两遍，以防范随机性偶发干扰，实时性要求较高的，可以连续传三遍，2：1判定 59. 模块之间的数据通信联络，用周期性读取的方式、或请求-应答的方式传送 数据，一旦超出周期性时间要求，或未应答，则判定硬件失效，需有软件的
引言 嵌入式系统是以应用为中心，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。本文主要研究了基于S3C2410的嵌入式最小系统，围绕其设计出相应的存储器、总电源电路、复位电路等一系列电路模块。 嵌入式最小系统 嵌入式最小系统即是在尽可能减少上层应用的情况下，能够使系统运行的最小化模块配置。以ARM内核嵌入式微处理器为中心，具有完全相配接的Flash电路、SDRAM电路、JTAG电路、电源电路、晶振电路、复位信号电路和系统总线扩展等，保证嵌入式微处理器正常运行的系统，可称为嵌入式最小系统。对于一个典型的嵌入式最小系统，以ARM处理器为例，其构成模块及其各部分功能如图1所示，其中ARM微处理器、FLASH和SDRAM模块是嵌入式最小系统的核心部分。
微处理器——采用了S3C2410A ； 电源模块——本电源运用5V 的直流电源通过两个三端稳压器转换成我们所设计的最小系统所需要的两个电压，分别是3.3V 和1.8V ，3.3V 的给VDDMOP ，VDDIO,VDDADC 等供电，而1.8V 的给VDDi 和RTC 供电。 时钟模块（晶振）——通常经ARM 内部锁相环进行相应的倍频，以提供系统各模块运行所需的时钟频率输入。32.768kHz 给RTC 和Reset 模块，产生计数时钟，10MHz 作为主时钟源； Flash 存储模块——存放嵌入式操作系统、用户应用程序或者其他在系统掉电后需要保存的用户数据等； SDRAM 模块——为系统运行提供动态存储空间，是系统代码运行的主要区域； 复位模块——实现对系统的复位； 1.8V 电源LDD 稳压 SDARM 32MB (use JTAG 接口 REST 电路256字 节E2PROM E2PROM UART 串口功能扩展 32768Hz 晶振RTC 时钟源 S3C2410A-20 (ARM920T) (16KB I-Cache,16KB D-Cache) SDARM 32MB (use NOR FLASH 2MB (use
软件可靠性和安全性设计指南 (仅供内部使用) 文档作者：_______________ 日期：___/___/___ 开发/测试经理：_______________ 日期：___/___/___ 产品经理： _______________ 日期：___/___/___ 管理办：_______________ 日期：___/___/___ 请在这里输入公司名称 版权所有不得复制
软件可靠性和安全性设计指南 1 范围 1 .1主题内容 [此处加入主题内容] 1 .2适用范围 [此处加入适用范围] 2 引用标准 GBxxxx 信息处理——数据流程图、程序流程图、系统流程图、程序网络图和系统资源图的文件编制符号及约定。 GB/Txxx 软件工程术语 GB/Txxxxxx 计算机软件质量保证计划规范 GB/T xxxxx 计算机软件配置管理计划规范 GB/T xxxxx 信息处理——程序构造及其表示的约定 GJBxxxx 系统安全性通用大纲 GJBxxxxx 系统电磁兼容性要求 GBxxxx 电能质量标准大纲 GBxxxxx 电能质量标准术语 3 定义 [此处加入定义] 3 .1失效容限 [此处加入失效容限] 3 .2扇入 [此处加入扇入] 3 .3扇出 [此处加入扇出] 3 .4安全关键信息 [此处加入安全关键信息] 3 .5安全关键功能 [此处加入安全关键功能]
3 .6软件安全性 [此处加入软件安全性] 4 设计准则和要求 4 .1对计算机应用系统设计的有关要求 4 .1.1 硬件软件功能的分配原则 [此处加入硬件软件功能的分配原则] 4 .1.2 硬件软件可靠性指标的分配原则[此处加入硬件软件可靠性指标的分配原则] 4 .1.3 容错设计 [此处加入容错设计] 4 .1.4 安全关键功能的人工确认 [此处加入安全关键功能的人工确认] 4 .1. 5 设计安全性内核 [此处加入设计安全性内核] 4 .1.6 记录系统故障 [此处加入记录系统故障] 4 .1.7 禁止回避检测出的不安全状态[此处加入禁止回避检测出的不安全状态] 4 .1.8 安全性关键软件的标识原则 [此处加入安全性关键软件的标识原则] 4 .1.9 分离安全关键功能 [此处加入分离安全关键功能] 4 .2对硬件设计的有关要求 [此处加入对硬件设计的有关要求] 4 .3软件需求分析 4 .3.1 一般要求 [此处加入一般要求] 4 .3.2 功能需求 [此处加入功能需求] 4.3.2.1输入 [此处加入输入] 4.3.2.2处理 [此处加入处理] 4.3.2.3输出 [此处加入输出]
第六章：机电一体化系统的现代设计方法 一、教学建议 ●通过文字教材了解机电一体化系统的现代设计方法； ●流媒体课件中介绍了各种常用的机电一体化系统的现代设计方法； ●科学技术的发展和对产品要求的不断提高，使得设计新理论、新方法、新技术不断涌现。建议同学们在学习本知识点的过程中，应结合生产实际，熟悉各种现代设计方法。 ●在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。 二、教学要求：了解机电一体化系统的现代设计方法 1．可靠性设计 可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。通常用“概率”表示“能力”来实现可靠性指标的量化。可靠性评价的指标体系主要包括五个方面：可靠性、维修性、有效性、耐久性和安全性。 （1）机电一体化系统的可靠性设计 现代机械系统可靠性设计包括缩短传动链，减少元件数；必要时增设备用元件或系统；简化结构；增加过载保护装置、自动停机装置；设置监控系统；合理规定维修期。 （2）控制系统可靠性设计 控制系统可靠性设计包括： ●采用自动控制使产品具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能； ●通过元器件的合理选择提高可靠性； ●对功率接口采用降额设计提高可靠性； ●采用监视定时器提高可靠性； ●采取抗干扰措施提高可靠性。 （3）软件的可靠性技术 软件的可靠性技术，大致包含利用软件提高系统可靠性和提高软件可靠性两方面的内容。 2．优化设计 优化设计可明确定量优化的目标，科学地建立优化数学模型，在计算机上完成寻优，这样就能从本质上提高设计水平，缩短设计周期，有利于产品的更新和提高市场竞争能力。机电一体化系统优化设计需要以数学规划为核心，以计算机为工具，向着多变量、多目标、高效率和高精度的方向发展，使之成为机电产品的开发、创新的强有力的现代设计手段。 优化设计的一般步骤为：建立数学模型、选择合适的优化算法及程序、通过计算机进行优化设计，得出最优化设计方案、对优化得出的方案进行评价决策。 3．反求设计 反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的设计经验、知识和创新思维，对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理、零部件的设计参数、材
人机系统可靠性设计基本原则 1．系统的整体可靠性原则 从人机系统的整体可靠性出发，合理确定人与机器的功能分配，从而设计出经济可靠的人机系统。 一般情况下，机器的可靠性高于人的可靠性，实现生产的机械化和自动化，就可将人从机器的危险点和危险环境中解脱出来，从根本上提高了人机系统可靠性。 2．高可靠性组成单元要素原则 系统要采用经过检验的、高可靠性单元要素来进行设计。 3．具有安全系数的设计原则 由于负荷条件和环境因素随时间而变化，所以可靠性也是随时间变化的函数，并且随时间的增加，可靠性在降低。因此，设计的可靠性和有关参数应具有一定的安全系数。 4．高可靠性方式原则 为提高可靠性，宜采用冗余设计、故障安全装置、自动保险装置等高可靠度结构组合方式。 (1)、系统“自动保险”装置。自动保险，就是即使是外行不懂业务的人或不熟练的人进行操作，也能保证安全，不受伤害或不出故障。 这是机器设备设计和装置设计的根本性指导思想，是本质安全化追求的目标。要通过不断完善结构，尽可能地接近这个目标。 (2)、系统“故障安全”结构。故障安全，就是即使个别零部件
发生故障或失效，系统性能不变，仍能可靠工作。 系统安全常常是以正常的准确的完成规定功能为前提。可是，由于组成零件产生故障而引起误动作，常常导致重大事故发生。为达到功能准确性，采用保险结构方法可保证系统的可靠性。 从系统控制的功能方面来看，故障安全结构有以下几种： ①消极被动式。组成单元发生故障时，机器变为停止状态。 ②积极主动式。组成单元发生故障时，机器一面报警，一面还能短时运转。 ③运行操作式。即使组成单元发生故障，机器也能运行到下次的定期检查。 通常在产业系统中，大多为消极被动式结构。 5．标准化原则 为减少故障环节，应尽可能简化结构，尽可能采用标准化结构和方式。 6．高维修度原则 为便于检修故障，且在发生故障时易于快速修复，同时为考虑经济性和备用方便，应采用零件标准化、部件通用化、设备系列化的产品。 7．事先进行试验和进行评价的原则 对于缺乏实践考验和实用经验的材料和方法，必须事先进行试验和科学评价，然后再根据其可靠性和安全性而选用。
需求分析与软件可靠性保证 摘要：通过对软件测试过程中产生的数据进行分析，对照软件设计过程中需求分析中的错误或缺陷，对有关可靠性指标进行反复度量，明确软件错误的分布以减少其对软件需求分析可靠性的影响，进而对相关的错误或缺陷进行控制。 关键词：需求分析；测试；可靠性评估；模型 requirements analysis and software reliability assurance pang hongbiao (information central of china north industries group corp,beijing100089,china) abstract:the data generated by the software testing process analysis,control errors or defects in the software design process needs analysis,repeated measure of the reliability index of explicit software error distribution in order to reduce the reliability of the software requirements analysis impact,and thus control the errors or defects. keywords:needs analysis;test;reliability;model 需求分析是使用技术手段分析识别软件面向客户的实际需要，并且通过特性的系统描述待开发软件需要实现的功能和解决的问题，以此定义软件所有的操作指令和特征，并最终形成软件的使用说明。因此需求分析在软件设计计划的基础之上，从最先客户的原始
软件可靠性分析与设计 软件可靠性分析与设计 软件可靠性分析与设计的原因?软件在使用中发生失效(不可靠会导致任务的失败,甚至导致灾难性的后果。因此,应在软件设计过程中,对可能发生的失效进行分析,采取必要的措施避免将引起失效的缺陷引入软件,为失效纠正措施的制定提供依据,同时为避免类似问题的发生提供借鉴。 ?这些工作将会大大提高使用中软件的可靠 性,减少由于软件失效带来的各种损失。 Myers 设计原则 Myers 专家提出了在可靠性设计中必须遵循的两个原则: ?控制程序的复杂程度
–使系统中的各个模块具有最大的独立性 –使程序具有合理的层次结构 –当模块或单元之间的相互作用无法避免时,务必使其联系尽量简单, 以防止在模块和单元之间产生未知的边际效应 ?是与用户保持紧密联系 软件可靠性设计 ?软件可靠性设计的实质是在常规的软件设计中,应用各种必须的 方法和技术,使程序设计在兼顾用户的各种需求时, 全面满足软件的可靠性要求。 ?软件的可靠性设计应和软件的常规设计紧密地结合,贯穿于常规 设计过程的始终。?这里所指的设计是广义的设计, 它包括了从需求分析开始, 直至实现的全过程。 软件可靠性设计的四种类型
软件避错设计 ?避错设计是使软件产品在设计过程中,不发生错误或少发生错误的一种设计方法。的设计原则是控制和减少程序的复杂性。 ?体现了以预防为主的思想,软件可靠性设计的首要方法 ?各个阶段都要进行避错 ?从开发方法、工具等多处着手 –避免需求错误 ?深入研究用户的需求(用户申明的和未申明的 ?用户早期介入, 如采用原型技术 –选择好的开发方法
?结构化方法:包括分析、设计、实现 ?面向对象的方法:包括分析、设计、实现 ?基于部件的开发方法(COMPONENT BASED ?快速原型法 软件避错设计准则 ? (1模块化与模块独立 –假设函数C(X定义了问题X 的复杂性, 函数E(X定义了求解问题X 需要花费的工作量(按时间计,对于问题P1和问题P2, 如果C(P1>C(P2,则有 E(P1> E(P2。 –人类求解问题的实践同时又揭示了另一个有趣的性质:(P1+P2>C(P1 +C(P2 –由上面三个式子可得:E(P1+ P2> E(P1+E(P2?这个结论导致所谓的“分治法” ----将一个复杂问题分割成若干个可管理的小问题后更易于求解,模块化正是以此为据。 ?模块的独立程序可以由两个定性标准度量,这两个标准分别称为内聚和耦合。耦合衡量不同模块彼此间互相依赖的紧密程度。内聚衡量一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度。 软件避错设计准则 ? (2抽象和逐步求精 –抽象是抽出事物的本质特性而暂时不考虑它们的细节 ?举例
单片机系统可靠性设计 单片机是典型的嵌入式微控制器，由运算器，控制器，存储器，输入输出设备等构成，相当于一个微型的计算机。下面是小编为你带来的单片机系统可靠性设计，欢迎阅读。 在单片机系统的设计中，为了提升系通过运行的安全性与可靠性，需要针对其硬件系统和软件系统实施可靠性设计，这样才能满足使用需求。本文将针对单片机系统，分别从软件和硬件两个方面来阐述可靠性设计，具有一定的借鉴意义。 单片机系统可靠性设计 随着科学技术的不断进步，人们对于单片机系统的设计也更加关注，不断研究出新的技术，来提升单片机系统运行的可靠性。但是其可靠性与用户需求依然存在着一定的差距，亟需对其进行完善，提升可靠性。 正确设计软件 1.认真设计 对于单片机系统每部分的硬件地址，要清楚明确，对于汇编语言指令以及机器状态影响要了解和掌握，对于CPU内部的RAM功能要划分正确，仔细认真编写单片机系统软件。同时，在编写中，应用软件工程做法，保证程序的透明易懂，提升可维护性和可读性。 2.合理安排中断 按照系统的具体特点，对于工段优先级和中断功能进行
合理的安排，保护和恢复中断现场，防止发生中断冲突。 3.模块化结构 按照系统功能，可以将软件划分为多个模块，保证变成具有清楚的思路，便于调试和阅读，不易出错。 提升可靠性具体措施 1.设计合理的软件陷阱 在运行软件的过程中，有可能会出现失控的情况，例如，受到干扰，或者程序飞逸到非程序区。所以，在重要程序段、程序断裂点、非程序区以及向量区，可以埋设陷阱，从而及时捕捉飞逸程序。 2.指令冗余技术的应用 在不对实时性造成影响的情况下，反复执行同一指令，应用三选二方式实施判定，可以消除一些偶然的干扰，从而提升可靠性。 指令的应用 在进行单片机的地面测井仪的研制时，在对编好程序进行仿真运行时能够通过，但是写入指令时却无法运行，这是就可以将发生问题的字节用NOP代替，从而正常运行。 4.软件消抖方式 在按键操作中经常会发生意外的抖动，为了有效消抖，在处理程序内，可以通过延时再判，保证人机对话运行的可靠性。
可靠性和维修性设计 This manuscript was revised on November 28, 2020
第六章可靠性和维修性设计 可靠性和维修性是产品的固有属性，它们由设计所决定。 “产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的。” 第一节可靠性设计 一、可靠性设计的内容或程序 1.可靠性设计：“赋予产品可靠性为目的进行的设计”或 “用最少的费用设计出所要求的可靠性， 并使其得以保持的一系列程序” 2.可靠性设计的两种情况 ◇根据给定的可靠性目标值进行设计 如对可靠性有特殊要求的新产品的设计开发， 要求在设计阶段能定量地预测和评估产品的可靠性。 典型的设计程序如下图所示。 ◇在原型基础上的改进设计 保留设计部分：根据原型产品使用数据和经验反馈， 针对薄弱环节应用可靠性设计方法加以改进提高， 达到可靠性增长的目的。 功能扩充部分：应重点进行可靠性的分析和预测， 以保证达到要求的可靠性指标。
二、可靠性设计方法 1.概率设计方法 应力-强度干涉模型 2.FMEA和FMECA 3.FTA 三、可靠性设计准则 1.简单化和标准化：减少零部件发生失效的概率。 ◇减少零部件的规格和数量 ◇简化结构 ◇采用成熟或标准化的零部件或元器件 2.零部件或元器件的选择和控制 ◇供应商的控制 ◇使用有良好使用纪录或试验数据的零部件或元器件 ◇零部件或元器件的进厂检验 ◇储存环境控制 2.冗余设计：工作储备或非工作储备系统 如重要系统的备用电源、汽车的备用轮胎及两个前灯等。 ◇在较低层次而非较高层次上使用硬件冗余 ◇采用冗余技术时，应注意避免诸冗余硬件的共因失效 如诸冗余硬件共用一个电源或同一通信通道。 ◇采用的元器件可靠性不高时，应优先考虑应用冗余技术 ◇构成冗余所必需的差错比较检测器、切换装置或开关应是高可靠性的3.降额设计：使零部件或元器件的工作应力小于额定应力或 提高零部件或元器件承载能力的安全裕度， 以降低零部件或元器件的失效概率。 4.失效安全设计：当系统的一部分发生失效时， 依靠系统的自身结构而确保系统安全的设计。 如压力表的防暴塞等。
4．6 可靠性设计的基本概念与方法 一、结构可靠性设计概念 1．可靠性含义 可靠性是指一个产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力；而一个工业产品(包括像飞机这样的航空飞行器产品)由于内部元件中固有的不确定因素以及产品构成的复杂程度使得对所执行规定功能的完成情况及其产品的失效时间(寿命)往往具有很大的随机性，因此，可靠性的度量就具有明显的随机特征。一个产品在规定条件下和规定时间内规定功能的概率就称为该产品的可靠度。作为飞机结构的可靠性问题，从定义上讲可以理解为：“结构在规定的使用载荷／环境作用下及规定的时间内，为防止各种失效或有碍正常工作功能的损伤，应保持其必要的强刚度、抗疲劳断裂以及耐久性能力。”可靠度则应是这种能力的概率度量，当然具体的内容是相当广泛的。例如，结构元件或结构系统的静强度可靠性是指结构元件或结构系统的强度大于工作应力的概率，结构安全寿命的可靠性是指结构的裂纹形成寿命小于使用寿命的概率；结构的损伤容限可靠性则一方面指结构剩余强度大于工作应力的概率，另一方面指结构在规定的未修使用期间内，裂纹扩展小于裂纹容限的概率．可靠性的概率度量除可靠度外，还可有其他的度量方法或指标，如结构的失效概率F(c)，指结构在‘时刻之前破坏的概率；失效率^(()．指在‘时刻以前未发生破坏的条件下，在‘时刻的条件破坏概率密度；平均无故障时间MTTF(MeanTimeToFailure)，指从开始使用到发生故障的工作时间的期望值。除此而外，还有可靠性指标、可靠寿命、中位寿命，对可修复结构还有维修度与有效度等许多可靠性度量方法。 2．.结构可靠性设计的基本过程与特点 设计一个具有规定可靠性水平的结构产品，其内容是相当丰富的，应当贯穿于产品的预研、分析、设计、制造、装配试验、使用和管理等整个过程和各个方面。从研究及学科划分上可大致分为三个方面。 (1)可靠性数学。主要研究可靠性的定量描述方法。概率论、数理统计，随机过程等是它的重要基础。 (2)可靠性物理。研究元件、系统失效的机理，物理成固和物理模型。不同研究对象的失效机理不同，因此不同学科领域内可靠性物理研究的方法和理论基础也不同． (3)可靠性工程。它包含了产品的可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验、可靠性数据的收集处理和交换等．从产品的设计到产品退役的整个过程中，每一步骤都可包含于可靠性工程之中。 由此我们可以看出，结构可靠性设计仅是可靠性工程的其中一个环节，当然也是重要的环节，从内容上讲，它包括了结构可靠性分析、结构可靠性设计和结构可靠性试验三大部分。结构可靠性分析的过程大致分为三个阶段。 一是搜集与结构有关的随机变量的观测或试验资料，并对这些资料用概率统计的方法进行分析，确定其分布概率及有关统计量，以作为可靠度和失效概率计算的依据。