第17章 电子系统的可靠性和电磁兼容性设计

1TM郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵2012年春季《电子系统设计与实践》第17章电子系统的可靠性和电磁兼容性设计2TM2《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵可靠性是衡量电子系统优劣的一个重要因素。可靠性的理论基础始于20世纪30年代初，最初是将统计方法运用于工业产品的质量控制中。二战期间，许多复杂系统如航空电子、通信系统等暴露出了严重的可靠性设计缺陷，随后兴起的太空研究促进了可靠性学科的发展。如今，可靠性已应用到各个领域，已成为衡量产品质量和竞争力的重要指标。表9.1.1列出了常见的有关可靠性的设计标准。17.1概述3TM3《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵下面分别介绍可靠性对硬件设计和软件设计的具体要求。（1）硬件方面一个系统在遇到强烈环境干扰的情况下，性能可能会出现一些暂时的不稳定，这是不可避免的，而可靠性设计所能做的是：17.1概述4TM4《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵如何抑制这些干扰，使其不致于给后面的电路带来更大的影响。即使出现某种干扰，不会引起严重的后果，也不会带来重大经济损失。使系统在干扰信号引起状态混乱后，仍能正确地引导系统，使其重新开始正常工作。17.1概述5TM5《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵下面分别介绍可靠性对硬件设计和软件设计的具体要求。（1）硬件方面一个系统在遇到强烈环境干扰的情况下，性能可能会出现一些暂时的不稳定，这是不可避免的，而可靠性设计所能做的是：如何抑制这些干扰，使其不致于给后面的电路带来更大的影响。即使出现某种干扰，不会引起严重的后果，也不会带来重大经济损失。使系统在干扰信号引起状态混乱后，仍能正确地引导系统，使其重新开始正常工作。17.1概述6TM6《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵（2）软件方面电子系统的软件可靠性主要体现在以下几方面：恶劣环境下的抗干扰能力电子系统的正常运行电子系统的自我保护能力应用程序的错误识别17.1概述7TM7《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵出于分析、评估及提高系统可靠性的考虑，设计者需要对可靠性指标有一定的了解。由于系统故障的出现有可能是随机的，需要通过统计方法总结故障发生的分布规律和与之对应的维修时间的分布规律。17.2可靠性涉及的性能指标8TM8《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵①可靠度②故障率③平均无故障时间（MTTF）/平均维修时间（MTTR）④利用率17.2可靠性涉及的性能指标9TM9《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵在设计系统的时候，应先根据系统的性能指标和功能要求决定系统的结构形式、划分软硬件的分工，确定具体电路形式及元器件选型等设计工作。系统的设计方案在很大程度上也就决定了系统的可靠性。在系统方案设计时应遵循如下原则。（1）简化方案（2）避免片面追求高性能指标和过多的功能（3）合理划分软/硬件功能（4）尽可能用数字电路代替模拟电路（5）变被动为主动17.3电子系统可靠性设计方法10TM10《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵硬件系统的设计主要是在系统元器件级别上的设计，包括元器件的选取、系统的布局等。（1）元器件的合理选用（2）电阻和电位器（3）电容器（4）存储器（5）嵌入式处理器17.3.1电子系统硬件可靠性设计17.3电子系统可靠性设计方法11TM11《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵电子元器件是构建电子系统的基本组成部分，对系统的可靠性起着至关重要的作用。因此在电子系统设计过程中，必须保证电子元器件的可靠性。由于某种原因使电子元器件丧失了应有的功能，造成电子元器件失效，则需要更换电子元器件。17.3.2常用元器件的可靠性分析17.3电子系统可靠性设计方法12TM12《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵（1）冗余设计（2）减少环境因素对可靠性的影响（3）抗振动设计（4）三防设计17.3.3提高电子系统可靠性的具体措施17.3电子系统可靠性设计方法13TM13《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵嵌入式系统是软件、硬件的结合体，需要两部分相互配合、协调一致，任何一部分出现的不稳定都将影响整个系统的正常工作。硬件可靠性经过近30年的发展，已经建立了一套完整的量化指标、测试手段和实际可行的措施。与硬件可靠性的发展相比，软件可靠性相对迟滞，尚无完整的定量规范可以使用。17.4嵌入式软件的可靠性设计14TM14《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵软件可靠性与硬件可靠性之间主要存在以下区别。最明显的是硬件有老化损耗现象，硬件失效是物理故障，是器件物理变化的必然结果，硬件可靠性的决定因素是时间，受设计、生产、运用所有过程的影响硬件的纠错维护可通过修复或更换失效的系统而重新恢复功能，软件只能重新设计基于预估计可靠性测试和可靠性的逐步提升等技术对软件和硬件有不同的意义。为提高硬件可靠性可采用冗余技术，而同一软件的冗余不能提高可靠性。硬件可靠性检验方法已建立，并已标准化且有一套完整的理论；而软件可靠性验证方法仍未建立，更没有完整的理论体系。17.4.1嵌入式软件的可靠性设计17.4嵌入式软件的可靠性设计15TM15《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵影响其可靠性的因素主要包括：①需求分析定义错误，如用户提出的需求不完整，用户需求变更未及时消化，软件开发者和用户对需求的理解不同等；②设计错误，如处理的结构和算法错误，缺乏对特殊情况和错误处理的考虑等；③编码错误，如语法错误、变量初始化错误等；④测试错误，如数据准备错误，测试用例错误等；⑤文档错误，如文档不齐全，文档相关内容不一致，文档版本不一致，缺乏完整性等。17.4.2影响软件可靠性的因素17.4嵌入式软件的可靠性设计16TM16《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵（1）建立以可靠性为核心的质量标准（2）选择开发方法（3）软件重用（4）使用开发管理工具（5）加强测试（6）可靠性设计17.4.3提高软件可靠性的方法和技术17.4嵌入式软件的可靠性设计17TM17《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵ISO9000国际质量标准（ISO/IEC9126-1991）规定，软件产品的可靠性含义是：在规定的一段时间和条件下，软件能维持其性能水平的能力有关的一组属性，可用成熟性、容错性、易恢复性三个基本子特性来度量。1）成熟性2）容错性3）易恢复性17.4.4软件产品的可靠性评估17.4嵌入式软件的可靠性设计18TM18《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵一个设计良好的软件产品不仅能够根据用户需求实现系统所要求的功能，而且能够在系统遇到各种异常情况时自动采取适当的保护措施，引导软件重新进入正常工作状态。通常，软件处理的事件有两类：一类为需要立即处理的事件，用中断的方式处理；另一类为可以依次处理的事件，用查询的方法逐一处理。软件可维护性和可测试性也属于软件可靠性的范畴，需要用多种程序设计方法来保证。一个优秀的软件应当思路清晰、结构简单、可读性好、易于维护、便于测试。17.4.5嵌入式软件的可靠性设计17.4嵌入式软件的可靠性设计19TM19《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵提高可靠性的技术一般可以分为两类，一类是避免故障，另一类是采用冗余思想的容错技术。此外，还有防错性设计和一些其他可靠性设计方法。（1）避免故障（2）软件容错技术（3）防错性程序设计（4）其他可靠性设计17.4.5嵌入式软件的可靠性设计17.4嵌入式软件的可靠性设计20TM20《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵下面介绍另外两种方法。一种方法是采用软件方式降低干扰，主要包括：①数字滤波。②软件识别干扰③看门狗技术另一种方法是校验及纠错编码。17.4.5嵌入式软件的可靠性设计17.4嵌入式软件的可靠性设计21TM21《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵可靠性管理是指在系统的设计开发、生产及使用过程中为保障可靠性而实施的计划、组织、监督、控制及指导的各种措施。可见，可靠性管理贯穿在系统的设计、研发、制造及使用维护等全过程中。有专家曾指出：可靠性不仅是设计出来的，也是生产出来的，还是维修出来的。无论是设计、生产还是维修，其中必定需要管理。没有管理也就没有可靠性。17.5可靠性管理22TM22《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵（1）需求分析阶段（2）方案设计阶段（3）研发阶段（4）生产阶段（5）使用阶段17.5可靠性管理23TM23《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵国际电工技术委员会（IEC）对电磁兼容的定义为：电磁兼容是指电子设备具备一种能力，使得它能在其所处的电磁环境中完成它本身的功能，而不会在其环境中产生不能容忍的干扰。可见，满足电磁兼容要求的电子产品意味着：系统本身抗电磁干扰能力强，不易受到外界电磁辐射信号的干扰。系统本身不应成为一个噪声源，产生对其他仪器、设备的电磁干扰。17.6.1电磁兼容的定义17.6电磁兼容的基本原理24TM24《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵系统本身抗电磁干扰能力强，不易受到外界电磁辐射信号的干扰。系统本身不应成为一个噪声源，产生对其他仪器、设备的电磁干扰。电磁兼容性设计实际上就是一个抑制电磁干扰同时提高抗干扰能力的过程。由于干扰源发出干扰能量，经过耦合途径传输到敏感设备，使敏感设备的工作受到影响，这一过程称为电磁干扰效应。因此，形成电磁干扰必须具备下列3个基本要素。电磁干扰源：指产生电磁干扰的任何元器件、设备或自然现象。耦合途径：指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通路或媒介。敏感设备：指受到电磁干扰影响，或者说，对电磁干扰发生响应的设备。17.6.1电磁兼容的定义17.6电磁兼容的基本原理25TM25《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵①电磁兼容性（EMC）②电磁干扰（EMI）：即电磁兼容性不足，干扰的本质就是缺乏兼容性③射频（RF）：一个用于通信目的的连续电磁辐射的频率范围，一般为10kHz～100GHz。这个能量可能是电子设备运行时的副产物。射频主要通过以下两种模式传送。④敏感度：对设备或系统受电磁干扰而被中断或破坏的趋势的估量。17.6.2电磁兼容的常用术语17.6电磁兼容的基本原理26TM26《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵⑤抗干扰性⑥静电放电（ESD）⑦抗辐射干扰性⑧抗传导干扰性⑨密封⑩抑制17.6.2电磁兼容的常用术语17.6电磁兼容的基本原理27TM27《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵（1）射频干扰（2）静电放电（3）电力干扰（4）自兼容性17.6.3常见的电磁兼容性问题17.6电磁兼容的基本原理28TM28《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵从频域上看，任何信号都会产生很宽频谱的射频能量。周期信号产生离散的频谱，非周期信号产生连续的频谱。对于周期信号，频率越高，辐射越强；对于非周期信号（如脉冲信号），持续的时间越短，信号的变化速率越快，则频谱越丰富，辐射越厉害。17.6.4电磁环境特性17.6电磁兼容的基本原理29TM29《电子系统设计与实践》郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵（1）传导耦合（2）磁场耦合（3）电场耦合（4）电磁场耦合根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。因此电场耦合和磁场耦合同时存在，形成电磁场耦合，只是