《单片机及嵌入式系统》（第2版）5

第5章 嵌入式系统的可靠性设计

5.1概述

5.1.1可靠性的基本指标

1. 可靠度 2. 失效率

3. 平均故障间隔时间 4. 平均修复时间 5. 利用率

5.1.2故障因素

1. 内部因素 2. 环境因素 3. 人为因素

5.2故障检测技术

5.2.1嵌入式系统的脱机自检

1. 指令系统自检 2. RAM的自检

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图5.1固定模式自检

图5.2游动模式自检流程图

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图5.3数据图案平移法流程图

3. 只读存储器ROM自检 4. 外设驱散及接口的自检

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图5.4利用输入接口检测输出状态

图5.5利用输入接口检测输出状态

图5.6A/D、D/A变换器自检硬件框图

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图5.7某阀门自检框图

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图5.8完整的自检程序流程图

5.2.2嵌入式系统的在线故障检测

1. 程序监视器

图5.9程序监视器原理框图

图5.10译码器逻辑图

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单片机及嵌入式系统（第2版） 图5.118031上的一种看门狗电路

2. 状态反馈

图5.12继电器控制及状态反馈电路

图5.13继电器状态反馈流程图

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图5.14电机信息反馈电路框

3. 检错及纠错编码

图5.15内存加奇偶校验原理框图

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图5.16纠错电路原理图

图5.178位数据诲明码纠错电路

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4. 超时故障检测

图5.18某化工工艺温度控制过程

图5.19超时中断硬件计数器

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5. A/D变换器的在线检测6. 瞬时掉电保护

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图5.20用户程序段结构

图5.21中断服务程序结构

图5.22瞬时掉电保护硬件框图

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图5.23掉电控制波形

图5.24掉电保护软件流程

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图5.25瞬时掉电保护硬件电路

图5.26ADM691引脚图

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图5.27具有ADM691的瞬时掉电保护电路

5.3硬件可靠性设计

5.3.1硬件故障

1. 电器故障 2. 机械故障 3. 介质故障 4. 人为故障

5.3.2影响硬件可靠性的因素

1. 元器件失效

图5.28失效率与时间关系特性

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2. 使用不当

图5.29确定负载上限

图5.30确定负载下限

3. 结构及工艺上的因素

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5.3.3硬件可靠性措施

1. 元器件的选择 2. 元器件的老化筛选 3. 降额使用

4. 可靠的电路设计 5. 冗余设计

图5.31串并联系统

图5.32并串联系统

图5.33三传感器并联冗余

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单片机及嵌入式系统（第2版） 图5.34双机并联系统框图

图5.35三机表决系统框图

图5.36利用信号封锁提高可靠性

6. 环境设计 7. 人为因素设计

5.4软件可靠性设计

5.4.1软件故障的特点 5.4.2软件可靠性指标

1. 可靠度

2. 平均故障间隔时间 3. 利用率

5.4.3软件错误的来源

1. 没有认真进行需求调查 2. 编程中的错误

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3. 规范错 4. 性能错

5. 中断与堆栈操作 6. 人为因素

5.4.4软件可靠性模型

1. 以故障率为基础的模型 2. 以无故障率为基础的模型

5.4.5提高软件可靠性的方法

1. 认真仔细地进行规范设计

图5.37编写规范的简化过程

图5.38三取二表决系线

2. 使用好的程序设计方法 3. 选择合适的程序设计语言 4. 细心编程 5. 仔细测试

6. 提高软件设计人员的素质 7. 去除干扰

18 8. 多使用 9. 其他

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5.5系统的抗干扰设计

5.5.1抗干扰的三要素 5.5.2干扰的来源及耦合方式

1. 干扰的来源 2. 干扰的耦合方式

图5.39干扰的静电耦合

图5.40电磁耦全等效电路

5.5.3系统的抗干扰措施

1. 设计抗干扰性能好的电路 2. 克服信号传输过程中的干扰

图5.41信号与共、串模干扰的关系

3. 电源电路的抗干扰措施

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图5.42电网电压中的脉冲干扰

图5.43变压器初次级屏蔽

图5.44防雷电变压器的结构

图5.45滤除串模和共模干扰的滤波器

图5.46滤除电网干扰的供电电路

4. 良好的接地措施

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图5.47放大器及其接地

图5.48屏蔽双绞线及同轴电缆的接地

图5.49电路板内接地电咀耦合

图5.50几个电路一共接地

图5.51数字地与模拟地的连接

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图5.52系统各部分接地示意图

5. 仔细设计印刷电路板，增强抗干扰能力 6. 认真进行结构设计 7. 滤波、去耦和屏蔽

图5.53几种典型的馈通滤波器

8. 防雷电、防浪涌干扰

图5.54TVS伏安特性

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图5.55TVS的几种典型应用

5.6总线的有关问题

5.6.1总线上的交叉串扰

图5.56总线间电容耦合及其等效电路

5.6.2总线的延时

5.6.3总线上的反射与终端网络

1. 总线上的反射 2. 终端匹配网络

3. 外总线的匹配网络

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图5.57电阻分压网络

图5.58利用二极管嵌位的网络

图5.59恒压源匹配网络

图5.60驱动器串接电阻

图5.61简单的终端电阻

图5.62终端分压网络

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图5.63IEEE488总线匹配网络

图5.64SCSI总线匹配网络

图5.65始端与终端均接上拉电阻

5.7可靠性的总体设计

5.7.1设计过程

1. 系统设计的进程

图5.66系统可靠性设计进程

2. 生产及使用中应注意的问题

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5.7.2可靠性的分配方法

1. 可靠性方框图的逐步展开

图5.67可靠性框图的展开过程

2. 可靠性的预估

3. 可靠性分配的工程实现

习题

5.1可靠度和失效率分别是如何定义的？ 5.210000个元件，运行10000小时，有20个失效，其万小时可靠度为多少？失效率为多少？平均故障间隔时间为多少？

5.3有1000台设备，要求其MTBF为10000小时，对该产品进行1000小时实验运行，最多允许多少台设备出现故障？

5.4嵌入式计算机系统的故障原因表现在哪几个方面？ 5.5对CPU指令系统自检的要求主要是什么？ 5.6说明RAM自检的几种方法。 5.7叙述ROM自检的过程。

5.8用所熟悉的芯片设计开关量输出接口的自检电路，并编写相应的自检程序。 5.9用所熟悉的芯片设计A/D及D/A变换器的自检电路，并编写相应的自检程序。

5.10若已知某继电器工作电压为6V，设计一个用继电器的常开接点控制电源通断、常闭接点用于状态反馈的电路。自定芯片及接口地址，画出硬件电路，并编写使继电器接通及状态检测程序，规定若三次发出控制命令仍不能使继电器吸合则报警。假设继电器吸合时间为10ms。

5.11叙述程序监视器的工作原理。

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5.12简单说明利用奇偶校验对RAM进行在线故障检测的过程。

5.13对于一个字节和两个字节的内存RAM单元, 利用海明码纠错时需用几位海明码？ 5.14在对8位数据进行海明码纠错时，其中P0～P3与H0～H3的关系是怎样的？ 5.15说明利用海明码纠错时，硬件译码器和异或门是如何恢复正确数据的。 5.16说明如何利用P0～P3 ，通过软件查表是如何恢复正确数据的。 5.17叙述超时故障检测的硬、软件工作原理。 5.18叙述嵌入式计算机系统硬件故障的主要原因。 5.19解释失效率与时间的关系曲线。

5.20在使用中，未用到的与门、与非门的输入端通常应如何处理？直接悬空为什么不好？ 5.21已知某门电路的IOH＝－0.4mA，IOL＝8mA，并且它的IIH＝20μA，IIL＝－200μA。试计算该门最多可驱动多少个这样的门？（假定输入电容可以忽略） 5.22若集电极开路门的电流如本章所述，试决定3个集电极开路门去驱动两个负载门时, 公共负载RL的阻值范围。

5.23硬件的可靠性措施有哪几个方面？

5.24若3个可靠度为0.9的部件构成一个系统，则该系统的可靠度为多少？若这三个部件并联构成冗余系统，其可靠度又应为多少？

5.25简述双机热备份系统在实现中应着重解决的三个问题。 5.26说明软件故障的特点及其错误来源。

5.27假定某软件有200个固有错误，开始时的MTTF为2小时，若c取4，若使固有错误减少到10个，需要多少调试时间？

5.28在上题中, 若人为地加入40个错误，在调试结束时发现了加入的39个错误。那么，原有的固有错误尚有多少个还未发现？ 5.29叙述提高软件可靠性的方法。 5.30解释抗干扰的三要素。

5.31说明嵌入式系统中，进行电路设计时如何考虑抗干扰问题。 5.32说明电源电路中的抗干扰措施。

5.33为了减少干扰的影响，在信号传输过程中应采取哪些措施？ 5.34说明嵌入式系统各部分的接地原则。 5.35说明嵌入式系统的可靠性设计进程。

5.36若已知某系统由4个分系统构成，分系统的失效率分别为λ1＝0.003，λ2＝0.0025，λ3＝0.004，λ4＝0.001，系统100小时的可靠度为0.7。试对4个分系统按均等法和航空无线电公司的方法进行可靠性分配。 5.37叙述瞬时掉电保护的工作原理。

5.38为克服雷电及强瞬时干扰，应采取什么措施？

5.39引起总线交叉串扰的因素是什么？如何减少串扰的影响？ 5.40总线上的延时及反射的原因是什么？减少它们的途径有哪些？

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5.12简单说明利用奇偶校验对RAM进行在线故障检测的过程。

5.13对于一个字节和两个字节的内存RAM单元, 利用海明码纠错时需用几位海明码？ 5.14在对8位数据进行海明码纠错时，其中P0～P3与H0～H3的关系是怎样的？ 5.15说明利用海明码纠错时，硬件译码器和异或门是如何恢复正确数据的。 5.16说明如何利用P0～P3 ，通过软件查表是如何恢复正确数据的。 5.17叙述超时故障检测的硬、软件工作原理。 5.18叙述嵌入式计算机系统硬件故障的主要原因。 5.19解释失效率与时间的关系曲线。

5.20在使用中，未用到的与门、与非门的输入端通常应如何处理？直接悬空为什么不好？ 5.21已知某门电路的IOH＝－0.4mA，IOL＝8mA，并且它的IIH＝20μA，IIL＝－200μA。试计算该门最多可驱动多少个这样的门？（假定输入电容可以忽略） 5.22若集电极开路门的电流如本章所述，试决定3个集电极开路门去驱动两个负载门时, 公共负载RL的阻值范围。

5.23硬件的可靠性措施有哪几个方面？

5.24若3个可靠度为0.9的部件构成一个系统，则该系统的可靠度为多少？若这三个部件并联构成冗余系统，其可靠度又应为多少？

5.25简述双机热备份系统在实现中应着重解决的三个问题。 5.26说明软件故障的特点及其错误来源。

5.27假定某软件有200个固有错误，开始时的MTTF为2小时，若c取4，若使固有错误减少到10个，需要多少调试时间？

5.28在上题中, 若人为地加入40个错误，在调试结束时发现了加入的39个错误。那么，原有的固有错误尚有多少个还未发现？ 5.29叙述提高软件可靠性的方法。 5.30解释抗干扰的三要素。

5.31说明嵌入式系统中，进行电路设计时如何考虑抗干扰问题。 5.32说明电源电路中的抗干扰措施。

5.33为了减少干扰的影响，在信号传输过程中应采取哪些措施？ 5.34说明嵌入式系统各部分的接地原则。 5.35说明嵌入式系统的可靠性设计进程。

5.36若已知某系统由4个分系统构成，分系统的失效率分别为λ1＝0.003，λ2＝0.0025，λ3＝0.004，λ4＝0.001，系统100小时的可靠度为0.7。试对4个分系统按均等法和航空无线电公司的方法进行可靠性分配。 5.37叙述瞬时掉电保护的工作原理。

5.38为克服雷电及强瞬时干扰，应采取什么措施？

5.39引起总线交叉串扰的因素是什么？如何减少串扰的影响？ 5.40总线上的延时及反射的原因是什么？减少它们的途径有哪些？

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