#《單片機和嵌入式系統(tǒng)》(第2版)5

1、第5章嵌入式系統(tǒng)的可靠性設(shè)計5.1概述可靠性的基本指標可靠度1. 失效率平均故障間隔時間2. 平均修復(fù)時間利用率故障因素內(nèi)部因素1. 環(huán)境因素人為因素5.2故障檢測技術(shù)嵌入式系統(tǒng)的脫機自檢1. 指令系統(tǒng)自檢RAM的自檢圖5.1固定模式自檢開殆初殆化所有單元檢査耳他單兀給出錯溟倍息檢任謹數(shù)單元是取下-個故據(jù)格式數(shù)期格式置初值T取下送數(shù)-t地址否M仲給出錯謂怙息檢査議鋸格武a是否圖5.2游動模式自檢流程圖開州圖5.3數(shù)據(jù)圖案平移法流程圖表釗1基本數(shù)據(jù)圖案順序號二逬制代碼00000000100000011200000111300001111400011111500111111601111111711

2、11110811111009111110001011110000111110000012110000001310000000只讀存儲器ROM自檢2. 外設(shè)驅(qū)散及接口的自檢-ikQI10卡V圖5.4利用輸入接口檢測輸出狀態(tài)圖5.5利用輸入接口檢測輸出狀態(tài)輸人信號I)/A輸出按口ml圖5.6A/D、D/A變換器自檢硬件框圖圖5.7某閥門自檢框圖圖5.8完整的自檢程序流程圖圖5.8完整的自檢程序流程圖嵌入式系統(tǒng)的在線故障檢測程序監(jiān)視器NTx圖5.9程序監(jiān)視器原理框圖圖5.10譯碼器邏輯圖I0U213+5VQ8031RES1：.TE.Y7CV3BY,A久PN1NEPROM2764r*的片選ce22ki

3、l-r-T±hnO.lpHIFl741SI23HISLI75kiill1nrIODO卩圖5.118031上的一種看門狗電路2.狀態(tài)反饋圖5.12繼電器控制及狀態(tài)反饋電路進入圖5.13繼電器狀態(tài)反饋流程圖A.'I?變換器電機電源電流隔離放衣辭圖5.14電機信息反饋電路框3. 檢錯及糾錯編碼+5V+5V圖5.15內(nèi)存加奇偶校驗原理框圖JNMI表民2海陰碼技檢與碼悵的關(guān)系mnkmnk110663572s17127120374825524741511951150Z531261010231013»5.3誨陰碼及其校驗方理bit內(nèi)蓉OjsD14DjjD|2OujH<CHd

4、mOjajChrDDxD*HiD)D；D】HrxH-Hobit&MZ20131211109876543211=0©Du巧風:瓦U口66口血PjDu©TJjj©Dr的D©i_Db®Dj©QjO2©Qj©H-J-DL5©DM©D-fl©U©DhiDt©D.,©©D-®HfP嚴Ds©U百忑忑6D*氐Pi-Thfc®Dh©nSD,.©©Hm1p2D廣6鞏比圖5.16糾錯電路原理圖74E.

5、S474LS74LS674LS2B0280280280巧助%D;足EEHiDjEEILh2csWR74LSI別06EIII356710II12CSWRIKD(jD?圖5.178位數(shù)據(jù)誨明碼糾錯電路表昆4梭驗數(shù)搖表地址校驗字含義400000000000正確400100000000Ho400200000000H,400300000001Do400400000000Ha4005OQOQOQ10Dj4006000Q01Q06400700001000d34OOB00000000H,400900010000D,400A00100000nE400B01000000Ds40QC1Q0Q000004. 超時故障

6、檢測圖5.18某化工工藝溫度控制過程圖5.18某化工工藝溫度控制過程輸出接口1CPCL.RQD+5V1-T圖5.19超時中斷硬件計數(shù)器遂宦時初值圖5.20用戶程序段結(jié)構(gòu)屮斷服務(wù)程序清融發(fā)器取計數(shù)單元取計數(shù)單元計數(shù)虹元;加I故障處理5. A/D變換器的在線檢測6. 瞬時掉電保護圖5.22瞬時掉電保護硬件框圖修改堆我開中斷取離旨地址無條件轉(zhuǎn)到段首地址圖5.21中斷服務(wù)程序結(jié)構(gòu)圖5.23掉電控制波形屮斷處理程序死術(shù)環(huán)掉電川斷處理程序旦位啟動返回掉電赴掉電恢域處印松序圖5.24掉電保護軟件流程圖5.25瞬時掉電保護硬件電路圖5.26ADM691引腳圖DrAINT.AiSanWRRESETRD圖5.27

7、具有ADM691的瞬時掉電保護電路5.3硬件可靠性設(shè)計硬件故障1. 電器故障機械故障2. 介質(zhì)故障人為故障532影響硬件可靠性的因素元器件失效圖5.28失效率與時間關(guān)系特性5.5元器件的先蚊率元件失效率(SlWOh)電容元件失效率(M1000M電容電容焊點0.0002插座接點0.05變壓器0.5二極管0H13晶體骨0.04集成電路大、中、小規(guī)攬)0.01可變電迅0,01石英晶曾0.05導(dǎo)線鍍接點0.00002電阻0.0021. 使用不當pic關(guān)&關(guān)V-&Ah關(guān)J&質(zhì)1Ahb七An圖5.29確定負載上限開&.r&&如&圖5.30確定負載下限

8、結(jié)構(gòu)及工藝上的因素533硬件可靠性措施元器件的選擇1. 元器件的老化篩選降額使用2. 可靠的電路設(shè)計冗余設(shè)計圖5.31串并聯(lián)系統(tǒng)圖5.32并串聯(lián)系統(tǒng)圖5.33三傳感器并聯(lián)冗余圖5.34雙機并聯(lián)系統(tǒng)框圖輸出輸人圖5.35三機表決系統(tǒng)框圖圖5.36利用信號封鎖提高可靠性CS清零3. 環(huán)境設(shè)計人為因素設(shè)計5.4軟件可靠性設(shè)計軟件故障的特點軟件可靠性指標可靠度1. 平均故障間隔時間利用率軟件錯誤的來源沒有認真進行需求調(diào)查1. 編程中的錯誤規(guī)范錯4性能錯中斷與堆棧操作3. 人為因素軟件可靠性模型1. 以故障率為基礎(chǔ)的模型以無故障率為基礎(chǔ)的模型提高軟件可靠性的方法1.1.認真仔細地進行規(guī)范設(shè)計任務(wù)要求完成

9、程序圖5.38三取二表決系線圖5.37編寫規(guī)范的簡化過程2.3.使用好的程序設(shè)計方法選擇合適的程序設(shè)計語言細心編程2. 仔細測試提高軟件設(shè)計人員的素質(zhì)3. 去除干擾多使用4. 其他5.5系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計抗干擾的三要素干擾的來源及耦合方式1. 干擾的來源干擾的耦合方式圖5.39干擾的靜電耦合圖5.40電磁耦全等效電路系統(tǒng)的抗干擾措施設(shè)計抗干擾性能好的電路1. 克服信號傳輸過程中的干擾樂串模干擾圖5.41信號與共、串模干擾的關(guān)系2. 電源電路的抗干擾措施圖5.42電網(wǎng)電壓中的脈沖干擾圖5.43變壓器初次級屏蔽圖5.44防雷電變壓器的結(jié)構(gòu)圖5.45濾除串模和共模干擾的濾波器Z濾法器】1打印機交流諾圧

10、嵌A系圖5.46濾除電網(wǎng)干擾的供電電路4.良好的接地措施V電引線電阻冊放大器與忙號源接地(b)兩端接她春效屯路5fM)UQ-II_IHi屜氐迥單端接地爭效屯路圖5.47放大器及其接地圖5.48屏蔽雙絞線及同軸電纜的接地電路|礙|電賂圖5.49電路板內(nèi)接地電咀耦合圖5.50幾個電路一共接地模心電路模擬電路模眾電躋數(shù)字電躋數(shù)字電路數(shù)字電路dhd_id圖5.52系統(tǒng)各部分接地示意圖雙型濾渡器瞬變抑制H電濾渡器5仔細設(shè)計印刷電路板，增強抗干擾能力6. 認真進行結(jié)構(gòu)設(shè)計濾波、去耦和屏蔽塵l. cL匚塑濾絃器JL8.防雷電、防浪涌干擾圖5.54TVS伏安特性-mt1-m(bl彖流器保護(c)單端傳送保護圖

11、5.55TVS的幾種典型應(yīng)用5.6總線的有關(guān)問題561總線上的交叉串擾咼兩線間訓(xùn)會電容咼兩線間訓(xùn)會電容等效電路圖5.56總線間電容耦合及其等效電路總線的延時總線上的反射與終端網(wǎng)絡(luò)1. 總線上的反射終端匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.57電阻分壓網(wǎng)絡(luò)圖5.58利用二極管嵌位的網(wǎng)絡(luò)腿圧器圖5.59恒壓源匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.60驅(qū)動器串接電阻2. 外總線的匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.61簡單的終端電阻圖5.63IEEE488總線匹配網(wǎng)絡(luò)95V信號33QQ5信弓!50flk地圖5.64SCSI總線匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.65始端與終端均接上拉電阻5.7可靠性的總體設(shè)計設(shè)計過程1.系統(tǒng)設(shè)計的進程系統(tǒng)設(shè)計進程可靠性設(shè)計進程2.生產(chǎn)及使用中應(yīng)注意的問題可

12、靠性的分配方法1.可靠性方框圖的逐步展開'23卜4主系統(tǒng)1分系統(tǒng)一Ia|bIIC|一rdpIIIrvnrVII一子樂統(tǒng)一|1-vol一Lv-IX1元器件一II二三圖5.67可靠性框圖的展開過程1. 可靠性的預(yù)估可靠性分配的工程實現(xiàn)習題5.1可靠度和失效率分別是如何定義的？5.210000個元件，運行10000小時，有20個失效，其萬小時可靠度為多少？失效率為多少？平均故障間隔時間為多少？5.3有1000臺設(shè)備，要求其MTBF為10000小時，對該產(chǎn)品進行1000小時實驗運行，最多允許多少臺設(shè)備出現(xiàn)故障？5.4嵌入式計算機系統(tǒng)的故障原因表現(xiàn)在哪幾個方面？5.5對CPU指令系統(tǒng)自檢的要求主

13、要是什么？5.6說明RAM自檢的幾種方法。5.7敘述ROM自檢的過程。5.8用所熟悉的芯片設(shè)計開關(guān)量輸出接口的自檢電路，并編寫相應(yīng)的自檢程序。5.9用所熟悉的芯片設(shè)計A/D及D/A變換器的自檢電路，并編寫相應(yīng)的自檢程序。5.10若已知某繼電器工作電壓為6V，設(shè)計一個用繼電器的常開接點控制電源通斷、常閉接點用于狀態(tài)反饋的電路。自定芯片及接口地址，畫出硬件電路，并編寫使繼電器接通及狀態(tài)檢測程序，規(guī)定若三次發(fā)出控制命令仍不能使繼電器吸合則報警。假設(shè)繼電器吸合時間為10ms。5.11敘述程序監(jiān)視器的工作原理。5.12簡單說明利用奇偶校驗對RAM進行在線故障檢測的過程。5.13對于一個字節(jié)和兩個字節(jié)的內(nèi)

14、存RAM單元,利用海明碼糾錯時需用幾位海明碼？5.14在對8位數(shù)據(jù)進行海明碼糾錯時，其中P0P3與H0H3的關(guān)系是怎樣的？5.15說明利用海明碼糾錯時，硬件譯碼器和異或門是如何恢復(fù)正確數(shù)據(jù)的。5.16 說明如何利用P0P3，通過軟件查表是如何恢復(fù)正確數(shù)據(jù)的。5.17 敘述超時故障檢測的硬、軟件工作原理。5.18敘述嵌入式計算機系統(tǒng)硬件故障的主要原因。5.19 解釋失效率與時間的關(guān)系曲線。5.20 在使用中，未用到的與門、與非門的輸入端通常應(yīng)如何處理？直接懸空為什么不好？5.21 已知某門電路的IOH=0.4mA,IOL=8mA,并且它的IIH=20卩A,IIL=-200卩A。試計算該門最多可驅(qū)

15、動多少個這樣的門？（假定輸入電容可以忽略）5.22若集電極開路門的電流如本章所述，試決定3個集電極開路門去驅(qū)動兩個負載門時,公共負載RL的阻值范圍。5.23 硬件的可靠性措施有哪幾個方面？5.24 若3個可靠度為0.9的部件構(gòu)成一個系統(tǒng)，則該系統(tǒng)的可靠度為多少？若這三個部件并聯(lián)構(gòu)成冗余系統(tǒng)，其可靠度又應(yīng)為多少？5.25 簡述雙機熱備份系統(tǒng)在實現(xiàn)中應(yīng)著重解決的三個問題。5.26 說明軟件故障的特點及其錯誤來源。5.27假定某軟件有200個固有錯誤，開始時的MTTF為2小時，若c取4,若使固有錯誤減少到10個，需要多少調(diào)試時間？5.28 在上題中,若人為地加入40個錯誤,在調(diào)試結(jié)束時發(fā)現(xiàn)了加入的39個錯誤。那么,原有的固有錯誤尚有多少個還未發(fā)現(xiàn)？5.29 敘述提高軟件可靠性的方法。5.30 解釋抗干擾的三要素。5.31 說明嵌入式系統(tǒng)中,進行電路設(shè)計時如何考慮抗干擾問題。5.32 說明電源電路中的抗干擾措施。5.33 為了減少干擾的影響,在信號傳輸過程中應(yīng)采取哪些措施？5.34 說明嵌入式系統(tǒng)各部分的