嵌入式系统可靠性设计(1)

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系统设计原则

    在控制系统的时候, 首先是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：

******简化方案*****

    系统的可靠性是由组成系统的各个单元只到每个元件的可靠性决定的，所以应该尽量提高元器件或独立单元的可靠性。从失效率的角度, 系统的失效率是其所有组成元件的总和, 避免一个元件失效的最好方法是在系统中省去这个元件。所以,只要能满足系统的性能和功能指标，就尽可能地简化系统结构。当然，如果某种附加有利于提高系统可靠性, 则是必要的, 例如抗干扰设计、容错设计、冗余设计等。一切实现都是最终的目的，在这基础上舍弃一些不必要的功能，达到简化设计方案的目的，从而可以使得整个系统的可靠性得到很大的提高。

*****避免片面追求高性能指标和过多的功能*****

    随着技术的发展, 产品的性能和功能应该是越来越强的，但在一定阶段内和力所能及的技术条件下，应注意协调高指标与可靠性的关系。如果给系统定下过高的指标，势必使系统复杂化, 一方面使用过多的元器件, 直接降低了系统的可靠性；另一方面增加了设计中的不合理、不可靠隐患的机会。

******合理划分软硬件功能******

    这是嵌入式控制系统特有的问题，由于微处理器的参与，软件在数据处理、逻辑用分析、通信和分时处理等方面具有硬件难以比拟的功能，而且软件在通过实践的验证后, 就不存在失效性的问题。在方案设计时, 能够方便地用软件完成的功能一定要坚决地贯彻“以软代硬”的原则。另一方面就嵌入式控制系统而言, 功能再强大的软件也需要硬件的支持,如果软件担负的任务过多, 既增加开发的难度又不易保证软件的可靠性。所以需要合理地划分软硬件功能, “ 以软代硬”至少要在MCU时间资源允许的前提下进行。现在有很多可编程的集成芯片, 一方面简化了硬件电路，提高了其可靠性, 另一方面又促成了更进一步“以软代硬”的可能。嵌入式控制系统是由软件和硬件构成的，两者必然相辅相成,不能偏废任何一方。

******尽可能用数字电路代替模拟电路*****

    数字电路稳定性好、抗干扰能力强、可标准化设计、易于器件集成制造。数字式集成电路代替模拟式是电子技术发展的一个趋势。另外, 还要尽可能多地采用集成芯片且集成度越高越好，集成芯片密封性好、机械性能好、焊点少, 其失效率比同样功能的分离电路要低得多。

******变被动为主动******

    影响系统可靠性的因素很多，在发生的时间和程度上的随机性也很大，在设计方案时,对易遭受不可靠因素干扰的薄弱环节应主动地采取可靠性保障措施，以免在问题发生时被动地应付。抗干扰技术和容错设计是变被动为主动的两个重要手段。系统设计中采用了抗EMC技术和冗余的程序设计，能够主动的抗击一定程度的干扰以及达到一定程度的容错

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硬件系统可靠性设计

    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、系统的布局等方面。

*****元器件的合理选用*****

    可以说, 系统的彻底失效都是以元器件的失效而告终的。所以，在设计和研制嵌入式系统的时候, 合理地使用元器件, 是保障系统可靠性的基本技术。合理地使用一方面是指设计阶段, 根据应用条件，选择合适的器件及其工作点; 另一方面是指研制阶段对器件进行筛选，使用可靠的器件。在系统设计中选用军工级别的芯片而不是普通的工业级别的芯片，能够有效的提高芯片的可靠性和减少外部干扰，如温度等对芯片的干扰。系统设计在元器件的选择上遵循了选取功能能够满足系统要求的最高可靠性元器件，比如说在选择隔离放大器时候，由于AD202的可靠性比ISO100要好得多，而且采用载波原理进行信号的传送，隔离效果也更好一些，所以虽然其价格较高，在系统中还是选择了AD202来隔离点火头测量时候点火头和AD转化芯片信号。

*****电阻和电位器******

    固定电阻和电位器可按照其制造材料分类，如合金型(线绕、合金箔)、薄膜型(碳膜、金属膜)和合成型(合成实芯、合成薄膜、玻璃釉)等, 随着电子技术的发展，新型品种也不断出现。在使用固定电阻和电位器时, 应考虑阻值的稳定性、工作频率、功率负荷、噪声等。由于电位器无论是性能指标还是可靠性，都比同类的固定电阻要差很多，一般其失效率比固定电阻要大10~100倍。所以，在电路中要尽量少用电位器，同时对某些可能因电位器失效造成严重故障的电路应采取相应的容错措施，如开路、短路保护等。在点火控制器系统中有一个对工作电池测量的分压设计，由于该输入电压的最高值是+27V，如果采用电位器分压，一旦电位器失效，那么就可能造成ADC0809的输入电压超高，引起ADC0809的损坏，所以在设计过程中采用了两个比值为9：1电阻进行分压，以减少系统的不可靠度。

******电容器的选用******

    电容器根据其介质材料的不同可分为无机介质、有机介质和电解介质三类，若考虑具体的材料则种类众多、性能各异，电容器的选用可从以下方面考虑：频率范围、容量稳定性、噪声性能、电压负荷、承受功率。对于用于电源滤波这类场合的电容器, 应该考虑其承受功率负荷的问题, 当电流脉动较大时, 电容器的温度也会升高, 性能指标下降, 最终导致被击穿失效。系统中在集成芯片的电源和地之间设计滤波电路，所使用大量的电容器；同时对于电源稳压时候也需要滤波电容但是由于系统电源采用电池供电，所以不会产生太大的尖峰和浪涌输出（即脉动不大），所以电容不太容易被击穿，所以系统中，电源滤波电容选取0.33uf和0.01uf的无极性电容，芯片滤波选用0.1uf无极性电容。

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抗干扰问题是每个单片机设计工程师心中永远的噩梦！

试想一下，当你辛辛苦苦将程序做出来了，静态测试时一切功能都正常。一到了实际的工作环境中去，却频繁死机……面对客户和老板的强大压力，你开始调动你脑袋瓜里的每一个细胞思考对策……加滤波电容、加复位电路、加看门狗、加磁珠、加屏蔽……为了追求最合理的布局/布线，你将单面版画了一稿又一稿，最后终于不惜血本地换成了双面版……还是不行？干脆连CPU也换了，重新移植软件、调试（你已经累得舌头都缩不回去了）……好了，总算是通过了。你心满意足的交差……结果，采购部一核算成本，比外面同类产品的销售价还高。于是你的设计被束之高阁，项目被无限期搁置……

朋友，你有没有这种体会？

但是，现实就是如此，为了产品的价格竞争力，你的老板或客户可能会希望你将一切该省的（当然也包括一些不该省的）器件都省去。或者用便宜的器件（比如，CPU用台湾的）代替。

那么，如何在不增加硬件开销的情况下，做足软件里的文章，将系统的抗干扰能力提升到最佳呢？

——这就是本贴想引申出来的话题。希望大家就以下几个方面发表高论：

1、软件看门狗
2、软件陷阱
3、指令冗余
4、程序口令
5、复位标志
6、软件滤波
7、其他高招

daicheng

技术讨论专题之二：将硬件抗干扰进行到底！

抗干扰问题是每个单片机设计工程师永远的话。匠人上次贴了一篇《技术讨论专题之一：将软件抗干扰进行到底！》，和大家探讨了一些软件抗干扰的措施。这个话题也引发了一场争论（当然也夹杂了一些漫骂），即：抗干扰到底应该从软件着手还是从硬件着手？其实，我觉得这种争论是不会有什么结果的（在不同的场合，会有不同的应对措施）。大家不如摈弃前嫌，再走到一块来，将硬件抗干扰进行到底！

对于硬件抗干扰，其实匠人也没有什么特别的体会。所以匠人想做一个聆听者，听听大师们的现身说法。希望大家就以下几个方面发表高论：

1、滤波电路
2、去耦电容
3、隔离技术
4、屏蔽技术
5、接地技术
6、静电干扰
7、电源干扰
8、PCB布局/布板 技巧
9、其他……

soso

gaolixin

ban zhu shou lei
kan zhe shou jiao

pdwuderong

像是程序匠人的大作呢？

pixyice

谢谢lz分享 现在正在用。。。

chaoge__1982

楼主真是太有才了，看过这么多资料！

hjm19

谢谢楼主哈，这个东西正是我要找的，太感谢了，要是有pdf版的就好了

mayunliang

楼主肯定是高人，要常常指点一下了

sh-caideqing

谢谢！

zfq_zuo

学习一下，谢谢楼主分享了！！

andy.chang

受教了
谢谢

danielzhoufeng

硬件可靠性和硬件成本是一个矛盾的对立~对于一个真正的产品来说，往往是一个折中的选择，具体还是要根据应用的环境而定