嵌入式實時控制系統(tǒng)硬件可靠性研究

楊玥

【摘要】 本文首先對研究嵌入式實時控制系統(tǒng)硬件可靠性的意義進行了介紹，然后對硬件可靠性的定義及提升硬件可靠性的作用進行了總結，重點從電路可靠性、PCB設計可靠性兩個方面對電源線路、信號傳輸線路、元器件選擇、時鐘布線、延遲匹配等內(nèi)容進行了研究，討論分析了如何對上述幾方面內(nèi)容進行優(yōu)化，以提升系統(tǒng)硬件的可靠性。

【關鍵詞】 嵌入式 實時控制 硬件 可靠性

嵌入式實時控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應用場景，其系統(tǒng)的可靠性直接關系到系統(tǒng)的控制效果和系統(tǒng)的維護難度。系統(tǒng)復雜度的提升、元器件數(shù)量的增多、傳輸信號間的相互干擾等在一定程度上都會降低嵌入式實時控制系統(tǒng)硬件的運行可靠性，為保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性，就必須利用相關技術或手段對硬件進行設計和分析，降低其故障概率，提升其工作性能。

一、硬件可靠性定義

硬件可靠性是指硬件系統(tǒng)在限定時間和限定環(huán)境下正確完成規(guī)定功能的概率，對其進行定量分析可以對硬件系統(tǒng)的故障密度函數(shù)在一定時間內(nèi)進行積分，求出其故障概率，進而由故障概率得到無故障工作概率。

硬件系統(tǒng)的工作條件和工作環(huán)境不同，其所具有的可靠性會出現(xiàn)不同的差異性，硬件系統(tǒng)的工作時間不同，對其進行可靠性分析也會得出不同的結果，且，工作時間的延長必然會降低硬件系統(tǒng)的可靠性。

二、嵌入式實時控制系統(tǒng)硬件電路可靠性分析與設計

嵌入式實時系統(tǒng)功能復雜，信號種類多，響應時間短，時鐘信號頻率高，需要驅(qū)動被控對象做出快速檢測、響應以及處理等操作。

2.1 供電系統(tǒng)可靠性分析與設計

硬件系統(tǒng)的供電電源容易將噪聲耦合到電路系統(tǒng)中，所耦合進入電路系統(tǒng)的噪聲會降低電能的穩(wěn)定度，進而使得供電系統(tǒng)的可靠性降低。為降低該問題對硬件系統(tǒng)可靠性的影響，可以采用隔離變壓器、濾波器等對硬件系統(tǒng)進行優(yōu)化處理，如在電網(wǎng)中接入隔離變壓器、在供電電路的電源與地之間添加去耦電容等，不同容量的電容所對應的噪聲頻率不同，實際中可以依照使用需求具體設計。

2.2 信號傳輸線路可靠性分析與設計

硬件系統(tǒng)中的傳輸線路過長或者線路輸入輸出端設計不合理時會造成信號誤判，降低系統(tǒng)可靠性。（1）使用光電耦合器或者濾波器等對傳輸線路的輸入輸出端進行電氣隔離，防止干擾信號進入傳輸線路中影響判別結果；（2）應用負載阻抗匹配技術提升信號在傳輸線路中的傳輸質(zhì)量，減少長距離傳輸所引起的信號畸變問題，如在源端和負載端匹配設計RLC網(wǎng)絡來消除反射、交叉干擾、振鈴等噪聲干擾；（3）使用阻抗匹配雙絞線設計方案來減少長距離傳輸下的傳輸線特性阻抗參數(shù)對傳輸信號的影響，若能夠配合使用光電耦合等硬件設計方案，可以達到更優(yōu)的抗干擾效果；（4）對總線負載進行平衡匹配設計，避免嵌入式實時系統(tǒng)的控制芯片出現(xiàn)負載不均衡或紊亂，某些未使用的引腳，可以將其接高電平或接地，避免其懸空。

2.3 空間電磁場的干擾與可靠性設計

嵌入式實時控制系統(tǒng)可能工作在空間電磁干擾較為嚴重的環(huán)境下，高頻電源、強電設備等都會降低系統(tǒng)的可靠性，此時可以使用接地金屬外殼等對系統(tǒng)核心模塊等進行電磁屏蔽，降低空間電磁干擾對系統(tǒng)信號的影響。

三、電路板可靠性分析與設計

電路板布線和布局的合理性直接關系到各線路和元器件的工作狀態(tài)，不合理的設計方案會減少元器件壽命，甚至導致其燒毀。特別的，嵌入式實時控制系統(tǒng)所使用的時鐘頻率較高，電路板設計不當，還會引起線路間的相互干擾，降低硬件系統(tǒng)工作可靠性。

3.1 電源與地線布線原則

理想情況下，電源線的線寬應與所傳輸?shù)碾娏飨嗥ヅ洌煌€路的走向應該盡量一致。條件允許時，還可以對變壓器、穩(wěn)壓電源等進行獨立設計與制板。

地線設計時應該注意區(qū)分模擬地和數(shù)字地，避免兩類地線的混淆，布線時盡量使兩者分開，在最后進行匯聚。硬件系統(tǒng)，工作頻率低于1MHz的線路可使用單點接地設計方案；高于30MHz的線路可以使用多點接地設計方案；介于上述界限頻率間的線路可以使用混合接地設計方案。

3.2 時鐘布線原則

時鐘信號的同步性與穩(wěn)定性直接關系到硬件系統(tǒng)工作的準確度，為保證系統(tǒng)正常運行，應盡量選擇PCB電路板中心位置或接地良好位置布置時鐘電路，盡量縮短時鐘與控制芯片間的距離。此外還可以對時鐘元件進行接地處理、隔離處理，避免布線影響其他信號線的信號傳輸。

當嵌入式實時控制系統(tǒng)為高速系統(tǒng)時，過孔、引線以及其他元器件等都會呈分布式電感或電容特性，這些特性會影響系統(tǒng)的性能，降低系統(tǒng)可靠性，因而在設計PCB板時應該將信號頻率納入考慮范圍，對布線進行優(yōu)化設計。

參 考 文 獻

[1] 藍志洋，黃明華. 嵌入式系統(tǒng)硬件可靠性和抗干擾性技術[J]. 現(xiàn)代電子技術，2005，28（14）：51-53