嵌入式系統可靠性設計技術及案例解析

1.3嵌入式系統可靠性模型

嵌入式系統可靠性模型分為兩種：串聯結構模型和并聯結構模型。

在進行嵌入式系統設計時，為了保證部分關鍵環節的可靠性，會采取并聯備份的系統結構形式，以實現系統可靠性的成倍提升，這時一般會采取可靠性并聯結構模型。

注意：系統可靠性的串、并聯模型和系統功能框圖的串、并聯模型沒有直接的等同關系。

如圖1-8所示，B、C為電流輸入端，D端接負載，D端額定負載電流為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關系。但在可靠性模型的串、并聯關系上，它并不是并聯關系，因為B和C中的任何一條路徑都不能獨立完成對15 A的供電，所以其在功能框圖上是并聯結構（圖1-8(a)）,在可靠性模型上卻為串聯結構（圖1-8(b)）,反而因為多了一路的電纜，而增加了一個焊點和電纜失效的可能性。

而當B、C的電纜指標改為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，其可靠性模型就變為了并聯結構，這種結構的電路可靠性將大大提升。

可靠性串聯結構系統的可靠度為：

R=RB×Rc (1-7)

可靠性并聯結構系統的可靠度為：

R=1—(1-RB)×(1-Rc) (1-8)

可靠性串、并聯模型的建立，主要有兩個用途：一是系統可靠性預計和分配的基礎；二是可以提供對系統關鍵可靠性節點的分析思路，比如對同時有AC交流電源和后備電池供電的設備，從可靠性串、并聯結構模型出發，電源供電部分是并聯結構，按鍵部分與電源之間反而構成串聯結構。由此得知，按鍵面膜的可靠性比電源模塊對系統功能可靠性的影響要關鍵得多。

【案例1-3】

某數字測角儀，為控制裝置實時提供待測對象的角偏差數據，主要由光學瞄準鏡、可變焦距攝像機、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。

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

產品設計過程中，全部采用了成熟技術和成熟工藝，主要元器件均為標準件、通用件，并有可靠的供貨來源。在滿足可靠性指標要求的情況下，減少了元器件、零部件的品種、規格數目。在電子線路方面，開展了可靠性設計準則的應用，采用了降額設計、熱設計、電磁兼容性設計等可靠性設計方法，并對所有的元器件進行了環境應力分析。根據GJB/Z299C—2006電子設備可靠性預，結合器件類型和環境應力條件，得出各單元的失效率數據，如表1-1所列。

請根據以上數據，計算此系統是否滿足可靠性指標要求。

答：

根據上述內容：假設測角儀失效規律是一個常數，失效率服從指數分布，無故障工作次數用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，測角儀的任務可靠度要求為：

根據測角儀功能框圖，得出測角儀的任務可靠性串聯模型框圖和圖1-10的功能框圖一致。

測角儀的可靠性數學模型為：
Rs=R?×R?×R? (1-9)

式中：

Rs為測角儀的可靠度；

R為光學瞄準鏡可靠度；

R?為可變焦距攝像機可靠度；

R?為DSP電路板可靠度控制模塊可靠度。

將表1-1中的數據代入式(1-9),則： Rs=0.99999979×0.99999969×0.9999993≈0.99999878結果得出，測角儀的實際可靠性指標為0.99999878，大于系統要求的值0.99951。

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

以上內容來自行業內著名專家——武老師，著作“

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