#《单片机和嵌入式系统》(第2版)5

1、第5章嵌入式系统的可靠性设计5.1概述可靠性的基本指标可靠度1. 失效率平均故障间隔时间2. 平均修复时间利用率故障因素内部因素1. 环境因素人为因素5.2故障检测技术嵌入式系统的脱机自检1. 指令系统自检RAM的自检图5.1固定模式自检开殆初殆化所有单元检査耳他单兀给出错溟倍息检任谨数单元是取下-个故据格式数期格式置初值T取下送数-t地址否M仲给出错谓怙息检査議锯格武a是否图5.2游动模式自检流程图开州图5.3数据图案平移法流程图表钊1基本數据图案顺序号二逬制代码00000000100000011200000111300001111400011111500111111601111111711

2、11110811111009111110001011110000111110000012110000001310000000只读存储器ROM自检2. 外设驱散及接口的自检-ikQI10卡V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输人信号I)/A输出按口ml图5.6A/D、D/A变换器自检硬件框图图5.7某阀门自检框图图5.8完整的自检程序流程图图5.8完整的自检程序流程图嵌入式系统的在线故障检测程序监视器NTx图5.9程序监视器原理框图图5.10译码器逻辑图I0U213+5VQ8031RES1：.TE.Y7CV3BY,A久PN1NEPROM2764r*的片选ce22ki

3、l-r-T±hnO.lpHIFl741SI23HISLI75kiill1nrIODO卩图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进入图5.13继电器状态反馈流程图A.'I?变换器电机电源电流隔离放衣辭图5.14电机信息反馈电路框3. 检错及纠错编码+5V+5V图5.15内存加奇偶校验原理框图JNMI表民2海阴码技检与码怅的关系mnkmnk110663572s17127120374825524741511951150Z531261010231013»5.3诲阴码及其校验方理bit内蓉OjsD14DjjD|2OujH<CHd

4、mOjajChrDDxD*HiD)D；D】HrxH-Hobit&MZ20131211109876543211=0©Du巧风: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严Ds©U百忑忑6D*氐Pi-Thfc®Dh©nSD,.©©Hm1p2D广6巩比图5.16纠错电路原理图74E.

5、S474LS74LS674LS2B0280280280巧助%D;足EEHiDjEEILh2csWR74LSI别06EIII356710II12CSWRIKD(jD?图5.178位数据诲明码纠错电路表昆4梭验数摇表地址校验字含义400000000000正确400100000000Ho400200000000H,400300000001Do400400000000Ha4005OQOQOQ10Dj4006000Q01Q06400700001000d34OOB00000000H,400900010000D,400A00100000nE400B01000000Ds40QC1Q0Q000004. 超时故障

6、检测图5.18某化工工艺温度控制过程图5.18某化工工艺温度控制过程输出接口1CPCL.RQD+5V1-T图5.19超时中断硬件计数器遂宦时初值图5.20用户程序段结构屮断服务程序清融发器取计数单元取计数单元计数虹元;加I故障处理5. A/D变换器的在线检测6. 瞬时掉电保护图5.22瞬时掉电保护硬件框图修改堆我开中断取離旨地址无条件转到段首地址图5.21中断服务程序结构图5.23掉电控制波形屮断处理程序死術环掉电川断处理程序旦位启动返回掉电赴掉电恢域处印松序图5.24掉电保护软件流程图5.25瞬时掉电保护硬件电路图5.26ADM691引脚图DrAINT.AiSanWRRESETRD图5.27

7、具有ADM691的瞬时掉电保护电路5.3硬件可靠性设计硬件故障1. 电器故障机械故障2. 介质故障人为故障532影响硬件可靠性的因素元器件失效图5.28失效率与时间关系特性5.5元器件的先蚊率元件失效率(SlWOh)电容元件失效率(M1000M电容电容焊点0.0002插座接点0.05变压器0.5二极管0H13晶体骨0.04集成电路大、中、小规攬)0.01可变电迅0,01石英晶曾0.05导线镀接点0.00002电阻0.0021. 使用不当pic关&关V-&Ah关J&质1Ahb七An图5.29确定负载上限开&.r&&如&图5.30确定负载下限

8、结构及工艺上的因素533硬件可靠性措施元器件的选择1. 元器件的老化筛选降额使用2. 可靠的电路设计冗余设计图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图5.34双机并联系统框图输出输人图5.35三机表决系统框图图5.36利用信号封锁提高可靠性CS清零3. 环境设计人为因素设计5.4软件可靠性设计软件故障的特点软件可靠性指标可靠度1. 平均故障间隔时间利用率软件错误的来源没有认真进行需求调查1. 编程中的错误规范错4性能错中断与堆栈操作3. 人为因素软件可靠性模型1. 以故障率为基础的模型以无故障率为基础的模型提高软件可靠性的方法1.1.认真仔细地进行规范设计任务要求完成

9、程序图5.38三取二表决系线图5.37编写规范的简化过程2.3.使用好的程序设计方法选择合适的程序设计语言细心编程2. 仔细测试提高软件设计人员的素质3. 去除干扰多使用4. 其他5.5系统的抗干扰设计抗干扰的三要素干扰的来源及耦合方式1. 干扰的来源干扰的耦合方式图5.39干扰的静电耦合图5.40电磁耦全等效电路系统的抗干扰措施设计抗干扰性能好的电路1. 克服信号传输过程中的干扰乐串模干扰图5.41信号与共、串模干扰的关系2. 电源电路的抗干扰措施图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Z滤法器】1打印机交流諾圧

10、嵌A系图5.46滤除电网干扰的供电电路4.良好的接地措施V电引线电阻冊放大器与忙号源接地(b)两端接她春效屯路5fM)UQ-II_IHi屉氐迥单端接地爭效屯路图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电路|碍|电賂图5.49电路板内接地电咀耦合图5.50几个电路一共接地模心电路模拟电路模眾电跻数字电跻数字电路数字电路dhd_id图5.52系统各部分接地示意图双型滤渡器瞬变抑制H电滤渡器5仔细设计印刷电路板，增强抗干扰能力6. 认真进行结构设计滤波、去耦和屏蔽尘l. cL匚塑滤絃器JL8.防雷电、防浪涌干扰图5.54TVS伏安特性-mt1-m(bl彖流器保护(c)单端传送保护图

11、5.55TVS的几种典型应用5.6总线的有关问题561总线上的交叉串扰咼两线间训會电容咼两线间训會电容等效电路图5.56总线间电容耦合及其等效电路总线的延时总线上的反射与终端网络1. 总线上的反射终端匹配网络图5.57电阻分压网络图5.58利用二极管嵌位的网络腿圧器图5.59恒压源匹配网络图5.60驱动器串接电阻2. 外总线的匹配网络图5.61简单的终端电阻图5.63IEEE488总线匹配网络95V信号33QQ5信弓!50flk地图5.64SCSI总线匹配网络图5.65始端与终端均接上拉电阻5.7可靠性的总体设计设计过程1.系统设计的进程系统设计进程可靠性设计进程2.生产及使用中应注意的问题可

12、靠性的分配方法1.可靠性方框图的逐步展开'23卜4主系统1分系统一Ia|bIIC|一rdpIIIrvnrVII一子乐统一|1-vol一Lv-IX1元器件一II二三图5.67可靠性框图的展开过程1. 可靠性的预估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

13、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。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

14、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P0P3与H0H3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P0P3，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=20卩A,IIL=-200卩A。试计算该门最多可驱

15、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