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1、第2章 嵌入式系统的可靠性总体设计,2.1 系统的可靠性模型 2.2 可靠性预估与分配 2.3 可靠性设计的具体措施,6.1 系统的可靠性模型 串联系统的可靠性模型 并联系统的可靠性模型 混合系统的可靠性模型 表决系统的可靠性模型 旁联系统的可靠性模型,一、串联系统的可靠性模型 串联系统：指系统的任何一个部件出现故障，都会使整个系统出现故障，这样的系统称为串联系统 1、串联系统的结构,串联系统由多个元素组成 任何一个元素出现故障，系统就出现故障 例如：一个电路板是串联系统，由多个元器件、焊点、接插件构成 一个嵌入式系统是串联系统：由多个电路板、传感器、控制系统组成,2、串联系统的数学模型,n：
2、组成串联系统的部件个数 Ri：第i个部件的可靠度 Rs：串联系统的可靠度,串联系统的可靠度：是各个部件的可靠度的乘积 例如： 某个系统，由三个可靠度都是0.9的部件组成，则系统的可靠度为0.729 部件的可靠度为： 串联系统的可靠度为： 串联系统的失效率：为各个部件的失效率之和,例如： 某一串联系统，由100个失效率为10-7的元器件、1500条失效率为10-9的导线、2000个失效率为10-5的插头组成，,系统的平均故障间隔时间为：,该系统的总失效率为：,二、并联系统的可靠性模型 并联系统：指系统由多个结构和功能完全相同的部件组成，这些部件只要有一个正常工作，整个系统就能够正常工作 1、并联
3、系统的结构,系统出现故障：所有部件都出现故障，整个系统才会出现故障,并联系统的可靠性：比较高 并联：在元器件、部件级、系统级上进行 例1：某锅炉的温度控制系统，采用9个温度传感器并联工作 例2：双计算机热备份控制系统，由2个计算机并联工作,2、并联系统的数学模型 并联系统的可靠度： Ri：第i个部件的可靠度 并联系统的部件越多，n越大，并联系统的可靠度越高,部件的可靠度为：,如果每个部件的失效率都是i，,并联系统的平均故障间隔时间MTBFp：,当2个失效率分别为1、2的部件构成系统： 系统的平均故障间隔时间：,当n个失效率都是的部件构成系统： 系统的平均故障间隔时间：,三、混合系统的可靠性模型
4、 实际的系统： 通常不是单纯的并联系统或串联系统，而是串联、并联都存在的混合系统,1、串并联系统的结构：,系统由m个部件并联，每个部件由n个子部件串联 第i个部件的第j个子部件的可靠度为Rij， 此串并联系统的可靠度为：,混合系统分为：串并联系统、并串联系统,2、并串联系统的结构,此系统由n个部件串联， 每个部件由m个子部件并联 此并串联系统的可靠度为：,3、实际的系统：都是混合系统 例如：,2个R3并联的可靠度为： 3个R5并联的可靠度为： 整个混合系统： 由R1、R2、R3p、R4、R5p、R6串联， 可靠度为：,四、表决系统的可靠性模型 r/n表决系统，又称为多部件热备份系统： 由n个部
5、件、1个表决器组成。 只要无故障的部件数大于或等于r个，系统就无故障 部件：可以是元器件、电路板、设备等 表决器的结构：,表决系统是并联工作的，是并联系统的特例 实际使用的表决系统： 选择n为奇数，只要工作正常的部件数大于或等于(n+1)/2，系统就正常,r/n表决系统的数学模型：,Rb：表决器的可靠度 Ri：第i个部件的可靠度,五、旁联系统的可靠性模型 旁联系统的定义：又称为冷备份系统,由n个部件、1个故障检测与转换部件组成。,平时，n个部件只有一个工作，其它部件处在待命状态。,当工作的部件出现故障时，故障检测与转换部件把系统切换到另外的一个部件上工作。,直到所有的n的部件都出现故障，系统才
6、出现故障,旁联系统的结构：,要求：故障检测与转换部件的可靠度要非常高，否则影响系统的可靠性,如果故障检测与转换部件的可靠度为1,则系统的平均故障间隔时间MTBFb，等于所有部件的平均故障间隔时间MTBFi之和,n越大：系统的可靠性越高,当各部件的失效率均为时： 旁联系统的平均故障间隔时间为,旁联系统可靠性的瓶颈： 是故障检测与转换部件的可靠性,6.3 可靠性设计的具体措施 一、冗余设计 定义：为了保证系统在发生局部故障时，仍然能够正常工作，设置一些备份部件，一旦发生故障，就启动备份部件工作，保证系统能够正常工作,四、容差与漂移设计 据统计： 影响嵌入式系统可靠性的因素，40%来自设计 采用简化
7、设计： 为了完成某一功能，使用的器件越多、越复杂，可靠性越低。 应尽可能简化设计。 采用经常使用的器件： 容易更换，便于维修； 别人已经用过，可靠性高。,1、容差 定义：又称为误差，指元器件在制造时，允许的公差 厂家根据行业标准制定偏差范围 合格产品：允许范围之内的产品 不合格产品：超出允许范围的产品 例如： 电阻和电容的容差分为三级： I级：5%；II级： 10%； III级：20% 精密电阻、精密电容的容差： 0.001%2% 大容量电解电容的容差：20% 设计电路时：在实现规定的功能前提下，选择合适的容差。,2、漂移 定义：任何元器件的参数，随温度、湿度、工作时间、电源电压波动等环境因素
8、的变化，而不断发生变化，这种变化称为参数的漂移 电路设计时：必须考虑元器件的漂移； 必须保证环境发生变化时，不会因为参数的变化，而使电路不能正常工作 解决容差和漂移的措施： 1）优化设计电路：能够容忍元器件的容差和漂移 2）使用高精度、高稳定性的元器件 3）区别对待： 影响电路性能大的器件：选择高精度； 影响电路性能小的器件：选择一般的,3、容差和漂移设计方法 （1）最坏情况法 元器件的参数：在标称值上下有一个变化范围 电源电压：也有一个波动范围 环境因素的影响：温度、湿度、电磁干扰等 最坏情况法的定义： 在设计时，考虑电源电压、元器件的容差、环境因素，在最不利的情况下，选择的元器件，也能够保证电路正常工作，称为最坏情况法 瞬态变化的影响： 静电、电源的冲击、各种电磁干扰，采取保护措施,（2）蒙特卡罗法 改变元器件的参数，对产品的性能进行抽样，计算出可靠度。 如果在n次随机抽样中， 有m次得到的结果在允许范围内， 当n足够大时，可靠度为： P = m / n 特点：适合计算机进行数据处理,第6章 结束,知识回顾Knowledge Review,
