集成電路可靠性設計范文

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關鍵詞：半導體可靠性設計

Abstract: the reliability of the semiconductor integrated circuit design is in the whole process of product development, prevention, strengthen the system of management thoughts as the instruction, from line design, layout design, process design, package structure design, evaluation test design, material selection, software design, and adopts various effective measures, and strive to eliminate or control semiconductor integrated circuit under specified conditions and within the time required, all kinds of possible failure mode, thus in the performance, cost, time (research, production cycle) factors on the basis of comprehensive balance, and realize the semiconductor integrated circuit products the reliability indexes provisions.

Keywords: semiconductor design reliability

中圖分類號： O471 文獻標識碼：A文章編號：

1. 可靠性設計應遵循的基本原則

（1）必須將產品的可靠性要求轉化成明確的、定量化的可靠性指標。

（2）必須將可靠性設計貫穿于產品設計的各個方面和全過程。

（3）從國情出發盡可能地采用當今國內外成熟的新技術、新結構、新工藝。

（4）設計所選用的線路、版圖、封裝結構，應在滿足預定可靠性指標的情況下盡量簡化，避免復雜結構帶來的可靠性問題。

（5）可靠性設計實施過程必須與可靠性管理緊密結合。

2. 可靠性設計的基本依據

（1）合同書、研制任務書或技術協議書。

（2）產品考核所遵從的技術標準。

（3）產品在全壽命周期內將遇到的應力條件（環境應力和工作應力）。

（4）產品的失效模式分布，其中主要的和關鍵的失效模式及其機理分析。

（5）定量化的可靠性設計指標。

（6）生產（研制）線的生產條件、工藝能力、質量保證能力。

3. 設計前的準備工作

（1）將用戶對產品的可靠性要求，在綜合平衡可靠性、性能、費用和研制（生產）周期等因素的基礎上，轉化為明確的、定量化的可靠性設計指標。

（2）對國內外相似的產品進行調研，了解其生產研制水平、可靠性水平（包括產品的主要失效模式、失效機理、已采取的技術措施、已達到的質量等級和失效率等）以及該產品的技術發展方向。

(3) 對現有生產（研制）線的生產水平、工藝能力、質量保證能力進行調研，可通過通用和特定的評價電路，所遵從的認證標準或統計工藝控制（SPC）技術，獲得在線的定量化數據。

4. 可靠性設計程序

（1）分析、確定可靠性設計指標，并對該指標的必要性和科學性等進行論證。

（2）制定可靠性設計方案。設計方案應包括對國內外同類產品（相似產品）的可靠性分析、可靠性目標與要求、基礎材料選擇、關鍵部件與關鍵技術分析、應控制的主要失效模式以及應采取的可靠性設計措施、可靠性設計結果的預計和可靠性評價試驗設計等。

（3）可靠性設計方案論證（可與產品總體方案論證同時進行）。

（4）設計方案的實施與評估，主要包括線路、版圖、工藝、封裝結構、評價電路等的可靠性設計以及對設計結果的評估。

（5）樣品試制及可靠性評價試驗。

（6）樣品制造階段的可靠性設計評審。

（7）通過試驗與失效分析來改進設計，并進行“設計－試驗－分析－改進”循環，實現產品的可靠性增長，直到達到預期的可靠性指標。

（8）最終可靠性設計評審。

（9）設計定型。設計定型時，不僅產品性能應滿足合同要求，可靠性指標是否滿足合同要求也應作為設計定型的必要條件。

5. 集成電路可靠性設計的基本內容

（1）線路可靠性設計。

線路可靠性設計是在完成功能設計的同時，著重考慮所設計的集成電路對環境的適應性和功能的穩定性。半導體集成電路的線路可靠性設計是根據電路可能存在的主要失效模式，盡可能在線路設計階段對原功能設計的集成電路網絡進行修改、補充、完善，以提高其可靠性。如半導體芯片本身對溫度有一定的敏感性，而晶體管在線路達到不同位置所受的應力也各不相同，對應力的敏感程度也有所不同。因此，在進行可靠性設計時，必須對線路中的元器件進行應力強度分析和靈敏度分析（一般可通過SPICE和有關模擬軟件來完成），有針對性地調整其中心值，并對其性能參數值的容差范圍進行優化設計，以保證在規定的工作環境條件下，半導體集成電路整體的輸出功能參數穩定在規定的數值范圍，處于正常的工作狀態。

線路可靠性設計的一般原則是：1）線路設計應在滿足性能要求的前提下盡量簡化；2）盡量運用標準元器件，選用元器件的種類盡可能減少，使用的元器件應留有一定的余量，避免滿負荷工作；3）在同樣的參數指標下，盡量降低電流密度和功耗，減少電熱效應的影響；4）對于可能出現的瞬態過電應力，應采取必要的保護措施。如在有關端口采用箝位二極管進行瞬態電壓保護，采用串聯限流電阻限制瞬態脈沖過電流值。

（2）版圖可靠性設計。

版圖可靠性設計是按照設計好的版圖結構由平面圖轉化成全部芯片工藝完成后的三維圖像，根據工藝流程按照不同結構的晶體管（雙極型或MOS型等）可能出現的主要失效模式來審查版圖結構的合理性。如電遷移失效與各部位的電流密度有關，一般規定有極限值，應根據版圖考察金屬連線的總長度，要經過多少爬坡，預計工藝的誤差范圍，計算出金屬涂層最薄位置的電流密度值以及出現電遷移的概率。此外，根據工作頻率在超高頻情況下平行線之間的影響以及對性能參數的保證程度，考慮有無出現縱向或橫向寄生晶體管構成潛在通路的可能性。對于功率集成電路中發熱量較大的晶體管和單元，應盡量分散安排，并盡可能遠離對溫度敏感的電路單元。

（3）工藝可靠性設計。

為了使版圖能準確無誤地轉移到半導體芯片上并實現其規定的功能，工藝設計非常關鍵。一般可通過工藝模擬軟件（如SUPREM等）來預測出工藝流程完成后實現功能的情況，在工藝生產過程中的可靠性設計主要應考慮：1）原工藝設計對工藝誤差、工藝控制能力是否給予足夠的考慮（裕度設計），有無監測、監控措施（利用PCM測試圖形）；2）各類原材料純度的保證程度；3）工藝環境潔凈度的保證程度；4）特定的保證工藝，如鈍化工藝、鈍化層的保證，從材料、工藝到介質層質量（結構致密度、表面介面性質、與襯底的介面應力等）的保證。

（4）封裝結構可靠性設計。

封裝質量直接影響到半導體集成電路的可靠性。封裝結構可靠性設計應著重考慮：1）鍵合的可靠性，包括鍵合連接線、鍵合焊點的牢固程度，特別是經過高溫老化后性能變脆對鍵合拉力的影響；2）芯片在管殼底座上的粘合強度，特別是工作溫度升高后，對芯片的剪切力有無影響。3）管殼密封后氣密性的保證；4）封裝氣體質量與管殼內水汽含量，有無有害氣體存在腔內；5）功率半導體集成電路管殼的散熱情況；6）管殼外管腳的銹蝕及易焊性問題。

（5）可靠性評價電路設計。

為了驗證可靠性設計的效果或能盡快提取對工藝生產線、工藝能力有效的工藝參數，必須通過相應的微電子測試結構和測試技術來采集。所以，評價電路的設計也應是半導體集成電路可靠性設計的主要內容。一般有以下三種評價電路：1) 工藝評價用電路設計。主要針對工藝過程中誤差范圍的測定，一般采用方塊電阻、接觸電阻構成的微電子測試結構來測試線寬、膜厚、工藝誤差等。2) 可靠性參數提取用評估電路設計。針對雙極性和CMOS電路的主要失效模式與機理，借助一些單管、電阻、電容，盡可能全面地研究出一些能評價其主要失效機理的評估電路。3) 宏單元評估電路設計。針對雙極型和CMOS型電路主要失效模式與機理的特點，設計一些能代表復雜電路中基本宏單元和關鍵單元電路的微電子測試結構，以便通過工藝流程研究其失效的規律性。

6. 可靠性設計技術

可靠性設計技術分類方法很多，這里以半導體集成電路所受應力不同造成的失效模式與機理為線索來分類，將半導體集成電路可靠性設計技術分為：1）耐電應力設計技術：包括抗電遷移設計、抗閂鎖效應設計、防靜電放電設計和防熱載流子效應設計；2）.耐環境應力設計技術：包括耐熱應力、耐機械應力、耐化學應力和生物應力、耐輻射應力設計；3）穩定性設計技術：包括線路、版圖和工藝方面的穩定性設計。

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【關鍵詞】裸芯片；電老煉；質量控制

1.引言

工程使用大量的元器件，元器件的可靠性已成為工程可靠性的基礎。隨著型號產品輕量化、小型化的發展趨勢，組件、混合電路的應用日益普及[1]。組件、混合電路內部往往使用數量不等的裸芯片，常見的裸芯片類型主要有二、三極管，集成電路，電容等。電老煉是剔除存在早期失效缺陷的元器件的最有效的方法，但由于受到技術、資金等因素的制約，國內外特別是國內半導體生產廠往往缺少對裸芯片進行電老煉的手段。因此裝入工程使用的組件、混合電路的裸芯片未經過電老煉環節，組件、混合電路的電老煉應力又不能滿足剔除裝入其中的存在早期失效缺陷裸芯片的要求。裸芯片的質量與可靠性已成為制約型號產品可靠性的瓶頸，所以有必要對裸芯片的質量控制方法進行研究[2]。

2.國內外裸芯片的質量控制現狀

目前國內外裸芯片的質量控制主要有兩種模式：

（1）KGD芯片的質量控制[3]

KGD（Know Good Die，已知良好芯片）芯片是經過測試、電老煉篩選等質量控制環節的芯片，從理論上說此類芯片在裝入組件、混合電路時已剔除了存在早期失效缺陷的產品，從可靠性角度看已進入相應質量等級的浴盆曲線底部。

KGD芯片進行電老煉采用兩種方法：

①分立芯片電老煉。其特點是使用臨時封裝的載體夾具對劃化片后的單個芯片進行電老煉，使用靈活，適合批量不大的產品。

②晶圓級電老煉。其特點是對整個晶圓進行電老煉，費用教高，適合大批量生產，在有足夠的需求批量條件下采用。

國外有專門對裸芯片進行電老煉的設備，如美國AEHR公司生產的FOX系列產品。

雖然KGD芯片的質量與可靠性具有很大優勢，但KGD芯片的電老煉環節所需要的技術高、費用昂貴，因此受到資金、技術等因素的制約，國內半導體生產廠缺少對裸芯片進行電老煉的手段，很難提供KGD芯片。

（2）測試芯片的質量控制

測試芯片經過晶圓級探針的測試環節，有時輔以晶圓級的高溫貯存和抽樣封裝進行電老煉和壽命試驗等評價考核試驗。對于型號工程，國內半導體器件裸芯片生產廠一般采用此種方法提供裸芯片。但是由于裝入組件、混合電路的芯片未經過電老煉篩選，芯片抽樣封裝進行的評價考核試驗不能完全反映裝機時芯片的可靠性水平，因此此類芯片的質量與可靠性水平具有不確定性。

3.國產裸芯片的質量控制方法

從以上分析可以看出，目前國內半導體器件生產廠缺少對裸芯片進行電老煉的手段，提供的裸芯片往往具有存在早期失效缺陷的產品，而目前對裸芯片質量與可靠性的評價是抽樣性質的（如GJB2438《混合集成電路通用規范》），不能完全反映裝機時芯片的可靠性水平。產品的質量與可靠性是由設計、生產決定的，因此對工程產品使用的裸芯片的質量控制應從設計、生產工藝控制到芯片測試篩選，可靠性評價考核試驗等全過程進行。

（1）設計階段控制

裸芯片的質量控制必須從設計階段抓起。設計階段控制主要通過可靠性設計、模型驗證、設計規則驗證等環節實施，力求最大程度上消除因設計不當造成的質量與可靠性問題。

（2）生產工藝過程階段控制

生產工藝過程控制主要通過以下方面進行：

（a）過程識別文件（PID）的建立；

（b）統計過程控制（SPC）技術的實施；

（c）工序能力指數CPK的提高。非關鍵工序的CPK≥1.33，關鍵工序的CPK≥1.5。

通過以上環節的控制，力求最大程度上消除因生產過程不當造成的質量與可靠性問題。

（3）芯片測試篩選

（a）晶圓級測試篩選按下表規定100%進行。

順序 篩選項目 試驗條件

1 高溫貯存 +（125±2）℃，96小時，N2氣氛

2 溫度循環 -（55±3）℃）～+（125±2）℃，恒溫時間不少于30分鐘，轉換時間不超過1分鐘，10次循環

3 常溫測試 按產品詳細規范，對關鍵參數規定一致性的要求

4 內部鏡檢 集成電路按GJB548內部目檢的條件A的規定；分立器件按GJB128的內部目檢的規定。

注：對PDA規定控制要求。

（b）劃片后的芯片鏡檢

產品按集成電路按GJB548內部目檢的條件A的規定；分立器件按GJB128內部目檢的規定。

（4）可靠性評價考核試驗[4]

每批次晶圓應進行可靠性評價考核試驗。

（a）可靠性評價考核試驗的SEM檢查

從每批次的每一晶圓片中選取5個芯片（每1/4扇面和中心各選取1個），每批次的全部晶圓中取得的芯片進行SEM檢查，按GJB128（適用于半導體分立器件）、GJB548（適用于集成電路）有關規定，檢查一般金屬化層、鈍化層臺階、鈍化層。合格判定數（c）為0。

（b）可靠性評價考核試驗的篩選和質量一致性檢驗

從每批次的每一晶圓片中至少選取5個芯片（每1/4扇面和中心各選取至少1個）進行封裝，應保證可靠性評價考核試驗的篩選合格品的數量滿足可靠性評價考核試驗的質量一致性檢驗的要求。

①產品按下表規定100%進行可靠性評價考核試驗的篩選。

表1 可靠性評價考核試驗的篩選

順序 篩選項目 試驗條件

1 常溫測試 +（25±5）℃

2 高溫貯存 +（125±2）℃，96小時

3 溫度循環 -（55±3）℃～+（125±2）℃，恒溫時間不少于30分鐘，轉換時間不超過1分鐘，10次循環

4 恒定加速度 Y1方向，20000g，至少1分鐘

5 電老煉前電性能測試 +（25±5）℃

6 電老煉 分立器件：常溫；集成電路：+（125±2）℃；240小時

7 電老煉后電性能測試 按產品詳細規范，對關鍵參數規定參數變化量的要求

8 高溫測試 +（125±2）℃，按產品詳細規范，對關鍵參數規定一致性的要求

9 低溫測試 -（55±3）℃，按產品詳細規范，對關鍵參數規定一致性的要求

注：對不合格品應進行失效分析。如內引線在芯片鍵合區失效，該批次晶圓作拒收處理。PDA實行一定的控制要求。

②可靠性評價考核試驗的質量一致性檢驗

按下表規定進行質量一致性檢驗考核，采用零失效方案。

表2 質量一致性檢驗

試驗項目 試驗條件或要求 抽樣標準 備注

穩態壽命 Ta=+（100±3）℃，1000小時，加電，其余按產品詳細規范 45（0） 對關鍵參數規定一致性的要求

4.結束語

對裸芯片進行質量控制是保證工程產品可靠性的一個關鍵環節。針對國內半導體器件生產廠不能對裸芯片進行電老煉的現狀，本文通過對裸芯片的設計階段控制、生產工藝過程控制、芯片測試篩選、可靠性評價考核試驗等環節，對面向工程應用的國產裸芯片的質量控制方法進行了初步探索研究。

參考文獻

[1]張欣.淺析電子產品制造業中的庫存管理[J].電子世界，2013（2）：17-18.

[2]黃云，恩云飛，師謙，等.KGD質量和可靠性保障技術[J].半導體，2005，30（5）：40-43.

[3]思云飛，黃云.KGD技術發展與挑戰[J].電子質量，2003 （9）：2-4.

[4]羅雯，魏建中，陽輝，等.電子元器件可靠性試驗工程[M].北京：電子工業出版社，2005.

作者簡介：

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關鍵詞:故障診斷 模擬電路 神經網絡

隨著模擬電子技術的飛速發展,電子電路集成化程度和制版工藝逐漸提高,電路的功能化和模塊化趨勢日益明顯,元件的密集度不斷增加,從而導致電路內部可及節點越來越少,甚至有些電路內部不存在可及節點,這給模擬電路的檢測和故障診斷技術提出了新的挑戰. 雖然傳統的交流故障字典法可以利用外部端口測試的方法完成故障診斷,但該方法需要改變測試激勵的頻率作多次測試,診斷過程復雜,測試時間較長。 因此,如何利用模擬電路有限的可及節點快速、有效診斷模擬電路內部的故障是該領域內亟待解決的問題。

1.模擬電路故障診斷技術的現狀

在模擬電路發生故障后, 要求能及時將故障診斷出來,以便檢修、調試、替換。對某些用于重要設備的模擬電路, 還要求能進行故障預測, 也就是對電路在正常工作時的響應作持續不斷的監測, 以確定哪些元件將要失效, 以便在故障發生前把那些將要失效的元件替換掉, 以避免故障發生。所有這些, 通常的人工診斷技術已無法滿足需要, 因而, 模擬電路故障的自動智能診斷成為一個亟待解決的問題。

模擬電路故障診斷的發展并不理想, 造成這種現象的原因大致有以幾個方面。

(1) 模擬電路的故障現象往往十分復雜, 任何一個元件的參數變值超過其容差時就屬故障, 因此模擬電路的故障狀態是無限的, 故障特性是連續的。

(2) 模擬電路的輸入―輸出關系比較復雜, 即使是線性電路, 其輸出響應與各個元件參量之間的關系也往往是非線性的, 何況許多實際電路中還存在著非線性元件。

(3) 雖然模擬電路中非故障元件的參數標稱值是已知的, 但具體電路的實際值會在其標稱值上下作隨機性的變動, 一般并不正好等于其標稱值。另外, 模擬電路有的一些復雜因素, 諸如元件非線性的表征誤差、測試誤差等等, 也會給診斷帶來很大因難。

2.智能故障診斷

將智能手段引入診斷過程中后,常常單一應用神經網絡或專家系統,不能有效的解決故障診斷中許多不確定因素,影響故障診斷的準確性,無法大規模投入使用。故將模糊技術、專家系統和神經網絡有機地結合,進行優勢互補,尋求以集成智能為核心的診斷方法。

系統主要由模糊處理、神經網絡和專家系統子系統及結果融合等組成,采集數據首先輸入到模糊處理模塊進行模糊處理,然后送人工神經網絡模塊進行推理,而專家系統以神經網絡的輸出結果為依據進行反向不確定性推理,同時記錄推理軌跡。兩套推理系統的輸出結果可能不相符,故需要將推理結果進行融合處理以提高診斷的可靠性,再根據融合結果檢索操作指導數據庫得到指導信息,最后得到診斷結論。

神經網絡從樣本中學習有效信息并應用于快速推理,但其診斷結論中難免存在干擾甚至錯誤;而專家系統診斷可靠,但系統完善困難,有時診斷正確而輸出可能低于閾值,造成漏診。因此,兩個系統的診斷結論需要進行融合處理,提高整個系統的綜合診斷性能。

3.結束語

在實際應用中, 經常綜合應用多種故障診斷方法, 這樣可以充分發揮出各種故障診斷方法的優勢, 彌補單一診斷方法的不足。

參考文獻:

[1] 楊士元. 模擬系統的故障診斷與可靠性設計[M]. 北京:清華大學出版社, 1993.

[2] 申華. 集成電路可測性設計中網表的解析與實現[J ] .中國集成電路,2007 ,97 (6) : 54 - 57.

[3] 孫增圻. 智能控制與技術[M]. 北京: 清華大學出版社,2000.

[4] 朱大奇. 電子設備故障診斷原理與實踐[M]. 北京:電子工業出版社, 2004.

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關鍵詞：單片機；干擾；耦合；電磁兼容

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0023-01

1 概述

基于單片機應用構建的微機測控系統所處的環境較為惡劣和復雜，要求測控系統能可靠、安全運行。在實際應用中，受來自測控系統內部和外部的各種電氣干擾以及系統結構設計、元器件選用、制造工藝和外部環境條件等因素影響，可能造成數據采集誤差加大、控制狀態失靈、數據受干擾發生變化、程序運行失常等不良后果。從分析系統干擾模型入手，在系統技術設計中，通過抑制干擾源、破壞干擾的耦合通道并對敏感電路進行重點保護，以達到消除干擾，提高系統可靠性和安全性的目的。根據系統組成和使用環境，針對系統硬件和軟件，可采取多種抗干擾措施，開展產品研制工作。

2 干擾模型

形成干擾的基本要素有三個：（1）干擾源。指產生干擾的元件、設備或信號，如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源，具體表現為：du/dt，di/dt量值較大。（2）傳播路徑。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導線的傳導和空間的輻射。（3）敏感器件。指容易擾的對象。如：A/D、D/A變換器，單片機，數字IC，弱信號放大器等。

干擾模型組成如圖1所示。

3 基本措施

元器件方面，在降額使用的前提下，遵循如下選用原則：①選用集成度較高的元器件，能選用集成芯片就不用分離元件，能選用大規模集成芯片就不選用小規模集成芯片；②選用寄生效果小的無引腳表面貼裝元件，其次是放射狀引腳元件，最后是軸向平行引腳元件；③電阻器的選擇，從阻值范圍、電阻溫度系數、比功率、工作穩定性、噪聲、可靠性等性能指標比較選擇合適的電阻器結構類型，如金屬膜電阻、碳膜電阻、合成電阻及線繞型電阻。

電路方面，一是采用濾波器技術，在抗干擾技術中使用最多的是低通濾波器，可根據信號源的內阻和負載阻抗來選擇濾波器的結構形式；二是采用去耦電路設計，在電路中適當地配置去耦電容，提供和吸收集成電路開門和關門瞬間的充放電能量，并旁路掉器件的高頻噪聲；三是采用隔離技術，從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來，僅保持信號聯系，不發生電的聯系，常用的隔x方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等。

4 應用實務

對于由主機單元、測量單元、后向通道接口單元、人機對話單元、通訊控制單元、數字信號傳輸單元、電源單元及軟件等組成的單片機測控系統，可在系統硬件和軟件設計中采取適用的抗干擾措施。

4.1 硬件抗干擾設計

根據系統硬件構成特點，主要就主機單元和數字信號傳輸單元的抗干擾設計進行闡述。主機單元即單片機最小應用系統，主機單元的抗干擾設計涉及時鐘電路配置、總線電路的抗干擾設計，RAM數據掉電保護等。時鐘信號不僅是受噪聲干擾最敏感的部位，同時也是CPU對外發射輻射干擾和引起內部干擾的噪聲源。因此，在滿足系統功能要求的前提下，應盡量降低時鐘頻率將有助于提高整個系統的抗干擾性能。

4.2 軟件抗干擾設計

通過軟件系統的可靠性設計，達到最大限度地降低干擾對系統工作的影響，確保單片機及時發現因干擾導致程序出現的錯誤，并使系統恢復到正常工作狀態或及時報警的目的。主要方法有：開機自檢、軟件陷阱（程序“跑飛”檢測）、軟件“看門狗”等。

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引言

物聯網時代，物聯網系統中的嵌入式系統對互聯網開放。本質可靠的嵌入式系統有可能遭遇互聯網病毒或惡意入侵的攻擊事件而出現安全問題，這是物聯網時代嵌入式系統面臨的新挑戰。在物聯網系統的安全架構中，有一個明顯的非安全入侵界面，設立歸一化安全交互通道、實現交互通道界面的安全管理，是物聯網系統中嵌入式系統安全性設計的重要原則。

1電子系統的智能化與集群化

我們從電子系統的時代變革中，可以明顯看出電子系統的智能化、集群化趨勢。傳統電子系統，是孤立的泛性產品系統（沒有歸一化內核）；智能電子系統，是歸一化微控制器內核基礎上智能產品系統，并從單個產品走向集群（分布式集群、總線集群、局域網集群）；物聯網電子時代的嵌入式系統，是普遍具有互聯網接入功能的智能電子系統，有緊耦合與松耦合接入兩種狀態。松耦合的智能電子系統是一個獨立的產品系統，通常在網下使用，需要時接入，如手機、桌面電腦、智能家電等；緊耦合的智能電子系統與互聯網構成一個物聯網應用系統，如市政交通管理系統、小區物業安全管理的實時監視電子系統。目前，傳統電子系統基本被淘汰，智能電子系統與物聯網電子系統會長期并存。與3個電子時代相對應的開發環境變遷，是產品開發的平臺化與可靠性設計內容的變遷。傳統電子時代是電子工程師單打獨斗的時代，電子產品的功能性設計、低功耗設計、可靠性設計完全依靠電子工程師的聰明才智，由電子工程師獨立完成。智能電子時代，產品硬件體系設計是電子工程師在微控制器、大規模集成電路的功能模塊基礎上的配置設計；產品的軟件體系設計是集成開發環境、操作系統、計算機工程方法基礎上的應用程序設計。微控制器、集成電路、集成開發環境、操作系統、計算機工程方法等，構成了形形的知識平臺。這些平臺不只是簡單的知識集成，而是具有人工智能、可以代替人類個體腦力勞動的知識力量平臺。例如，原先設計一個數據采集系統時，電子工程師必須了解模擬信號到數字信號的轉換設計的知識與技術，如今，有了A／D轉換芯片，便可省去電子工程師的這部分腦力勞動。又如，沒有實時多任務操作系統時，電子工程師設計嵌入式程序時，必須認真考慮多任務系統程序的實時協調與管理，有了實時多任務操作系統，所有這些任務的協調與管理都由操作系統依靠協議自動實現。因此，智能電子時代的電子產品系統設計，進入到人工智能的平臺化開發時代。與智力替代的平臺開發模式相對應的是可靠性設計內容的變遷。傳統電子系統的可靠性完全依靠電子工程師的精心設計。智能電子時代，電子系統的可靠性、安全性設計進入到智能化、平臺化的設計時代，從而使智能電子系統的可靠性、安全性設計到達最高境界。物聯網電子時代，智能電子系統對互聯網開放，導致互聯網中各種不安全因素對智能電子系統的入侵。因此，物聯網電子系統安全性、可靠性設計的一個重要方法是對入侵窗口的管理設計。

2物聯網系統的安全性架構

物聯網安全體現在一個個具體的物聯網系統中，進行物聯網安全性設計時，應充分了解物聯網系統的安全性架構。

（1）物聯網與物聯網系統

通常，人們用應用層、網絡層、感知層來概括物聯網。應用層描述了物聯網應用中形形的物聯網應用系統，人們通常論及的物聯網都是一個個具體的物聯網系統。早期，人們用應用層、網絡層、感知層來描述物聯網，缺失了控制層，在許多物聯網系統中，控制層是必不可少的內容，我們可以用網絡層、感知層與控制層來構建物聯網系統模型。

（2）物聯網系統模型

圖1是一個由互聯網與嵌入式集群系統構成的物聯網系統最簡模型。嵌入式集群系統通常都是一個嵌入式系統的局域網，互聯網直接服務于物聯網的網絡層與管理層，每個局域網中的嵌入式應用系統都有可能直接與互聯網相連。感知層、控制層由嵌入式系統構成，嵌入式局域網將它們聯接起來，形成嵌入式集群系統。當這個嵌入式集群系統與互聯網相連后，便構成一個具體的物聯網系統。通常，嵌入式集群系統是一個安全、可靠的嵌入式系統局域網。接入互聯網時，會出現新的可靠性、安全性問題，即互聯網惡意入侵產生的安全性問題。在物聯網系統模型中，它體現為一個非安全的入侵界面。

（3）物聯網系統的安全性架構

從圖1的模型可以看出，物聯網系統是本質可靠的嵌入式系統與本質非可靠的互聯網構成的交互系統。嵌入式系統與互聯網可以有多個渠道交互（因為嵌入式系統都有獨立的互聯網接入功能），這些交互渠道都可能會帶來可靠性、安全性問題。在嵌入式系統的高可靠性基礎上，物聯網系統安全性設計的重點是入侵界面的管控與感知層、控制層的安全防護設計。

3物聯網系統的安全性設計原則

物聯網應用系統中，許多安全性問題最終都會反映在嵌入式系統的感知層與控制層上。嵌入式系統的安全性問題是由互聯網的安全性因素引起的。因此，最大限度地減少互聯網對嵌入式系統的入侵渠道，是物聯網應用系統安全性設計的重要原則。物聯網應用系統的安全性設計模型如圖2所示。物聯網系統的安全性設計目標，是要建立一個歸一化的安全性管理界面。所有交互行為都通過歸一化界面進行管理，可以大大減少互聯網的入侵渠道，有利于減少安全漏洞與實現系統安全性的集中管理，防止出現安全患。實現界面安全的防入侵管理是入口的驗證環節設計。密碼驗證是最常使用的一種方法，還有數符密碼與生物特征密碼（指紋、掌紋、人臉、虹膜等）。除此以外，在交互中實時使用的校驗碼也是行之有效的方法。感知層、控制層的安全防護設計也是物聯網系統安全設計的重要一環。感知層能迅速感知系統的應急狀態，并即時啟動系統的應急處理（關閉并進入安全狀態）。2016年3．15晚會，恰逢谷歌“AlphaGo”掀起的人工智能熱潮，央視在會上演示了讓人驚心動魄的智能電子系統的安全漏洞。畫面上演示了不法分子通過手中的設備侵入無人機系統，接管了無人機，而無人機機主無能為力；一位黑客在一戶人家的外面成功入侵該住宅的Wi－Fi，并控制了該家庭的所有智能設備，包括智能洗衣機、烤箱和智能攝像頭，可以讓滾筒洗衣機空轉、讓烤箱的溫度飆升到危險數值甚至引發火災，讓智能攝像頭隨意轉動拍攝，偷窺用戶的室內活動和隱私等。這些都是物聯網時代嵌入式系統的安全隱患。嵌入式系統本身是安全可靠的，因為它是一個是封閉型的本質安全系統。多年來，家庭中的洗衣機、電冰箱、烤箱、微波爐、電視機等智能設備從來沒有出現過上述的安全事故。只有嵌入式應用系統開放后，才會出現安全漏洞。上述安全事故是在智能設備接入Wi－Fi網絡或互聯網后，形成的非安全的入侵渠道所致。物聯網系統中智能硬件的安全漏洞在于對互聯網的開放，這個安全漏洞是可控的。只要減少互聯網接入的通道數量，在這些接入通道中設立可靠的校驗、準入管理環節，就能保證系統安全。

4物聯網時代嵌入式系統面臨的新挑戰

篇6

關鍵詞：監控系統；硬件電路板；可靠性

中圖分類號：TN79 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）06-0097-02

常規意義上的監控系統主要有硬件部分以及軟件部分所構成。同時，在現階段的實際工作當中，各種電子裝置與設備監控系統所設置的電路板裝配方式仍然以印刷電路板為主。在印刷電路板的作用之下，電路板負擔著完成電子設備大量應用功能的工作任務。由此，不難發現，即便電路原理圖能夠保障設計的正確與有效，但由于印制電路板設計的誤差，也勢必會對整個電子設備應用的可靠性產生極為不利的影響。從這一角度上來說，電子設備監控系統中硬件電路板的可靠性設計是至關重要的工作內容之一，本文試對其作詳細分析與說明。

1 監控系統硬件可靠性指標

在整個監控系統硬件當中，系統所對應的可靠性指標主要涉及以下幾個方面：

①可靠度以及可靠度函數?？煽慷戎笜酥饕侵府a品在（0，t）時間范圍之內不發生失效反應的概率，而可靠度函數則是建立在既定工作時間、產品故障前運行時間基礎之上的函數關系。

②故障分布函數以及故障密度。故障分布函數主要是指產品在運行條件以及運行時間均表現為恒定狀態下，喪失規定功能的總概率函數，而故障密度所指的則是在t時刻后的一個單位時間內，出現故障產品數與總產品數之間的對應比值。

③失效率函數。該指標主要是指在條件既定狀態下，產品在某時刻后單位時間內出現失效的概率。

④平均壽命指標。對于不可修復的產品而言，該指標是指在產品發生故障之前所對應的工作時間。而對于可修復的產品而言，該指標是指在產品前一次發生故障與本次故障之間的工作時間間隔。

⑤指數分布指標。主要是其壽命的指數分布的服從特征。

2 監控系統硬件電路板的可靠性分析

對于監控系統而言，壽命是衡量硬件電路板可靠性的關鍵指標之一。在現階段的可靠性工程當中，針對監控板而言，比較常見的壽命分布模式可以分為以下幾種類型：二項分布、泊松分布、指數分布、正態分布、對數正態分布。由于監控系統當中的監控板主要是由相關電子元器件所構成的。結合有關電子器件的失效理論可以得出：絕大部分電子設備與裝置的壽命分布呈現出明顯的指數分布狀態，針對于監控系統監控板而言同樣如此。

結合上述分析，在有關監控系統可靠性框圖的構建過程當中，需要結合監控板所運行任務的差異性做出相應的考量，主要可以分為以下兩種情況：首先，從基本任務的角度上來說，整個監控系統所對應的可靠性框圖最為核心的思想在于保障監控系統整體運行的正常與規范。在剔除各種運行故障的基礎之上，確保監控系統功率輸出的正常與有效。其次，從特殊任務的角度上來說，整個監控系統所對應的可靠性框圖最核心的思想在于保障整個監控系統的不停機性。對于監控系統監控板而言，即便當中的一部分出現了運行故障，但仍然需要將整個系統的輸出功率限制在一定的允許范圍當中，可適當允許系統的運行功能有所降低，但需要最大限度的避免因無功率輸出而引發的停運事故。

對于我國而言，現階段針對電子設備所采取的可靠性計算方法可基本概括為：首先對相關電子元器件所對應的失效率數值加以判定，進而計算得出各個模塊分別對應的失效率數值，最后將可靠性框圖當中所涵蓋的模塊所對應失效率進行統計，由此獲取最為精確與全面的可靠性數值。

對于監控系統硬件電路板而言，首先，在有關監控系統硬件電路板分立元器件可靠性的計算過程當中，電阻裝置、電容設備、以及二極管裝置均屬于監控系統硬件電路板中分立元器件的組成部分。以電容裝置為例，其在正常運行狀態下所對應的工作失效率模型可按照如下方式進行構建，如式（1）：

失效率（單位：10-6/h）=基本失效率×環境系數×質量系數×電容量系數×串聯電阻系數×種類系數 （1）

在該計算模型當中，相關的失效率及系數取值大小均可通過對電路板所處工作環境的判定，以及相關元器件在出廠狀態下的理論參數來進行判定，最終可計算得出電容器所對應的工作失效率數值。

其次，在有關監控系統硬件各模塊電路的可靠度計算過程當中，首先需要完成對各個模塊當中所涵蓋電路工作失效率數值的計算，進而將所計算得出的電路失效率數值進行匯總處理，得到的是相對于單獨運行模塊而言的失效率。在此基礎之上，通過對可靠度計算公式的應用，即可計算得出監控系統硬件電路板當中相關模塊的可靠度取值情況。

3 監控系統硬件電路板（PCB）設計檢查要點與布

線原則

①根據電子學設計的邊界條件（空間真空環境），對重點發熱元器件在印制電路板的位置和發熱等情況，建立數學模型，進行EDA仿真熱分析，計算元器件、印制板的溫度，檢驗元器件工作溫度范圍是否滿足要求，檢驗元器件的結溫是否滿足降額要求；發熱量大的元器件通過熱管等散熱器件將熱量引出，元器件的散熱途徑（導熱散熱途徑和輻射散熱途徑）是否通暢和連貫，同時，應盡可能使導熱路徑最短；對于熱功耗大的元器件，應在器件下面與電路板接地部分設計熱過孔，填充金屬材料，實現熱傳導功能。

②一般情況下，首先應對電源線和地線進行布線，以保證電路板的電氣性能。在條件允許的范圍內，盡量加寬電源、地線寬度，它們的關系是：地線>電源線>信號線，通常信號線寬為：0.2～0.3 mm，最細寬度可達0.05～0.07 mm，電源線一般為1.2～2.5 mm。

4 硬件電路板信號完整性設計

在監控系統硬件電路板設計的過程中，對于電路板信號的完整性設計也是影響其可靠性的關鍵因素，因此必須要注重電路板信號完整性的設計。其中應當遵循的準則包括以下幾個方面：

①在進行正式的設計工作之前，必須要對所使用的元器件以及相關的工藝進行科學的選擇，并且據此進行設計方案的確定，才能確保設計的科學性與合理性。

②預布線階段是對電路板層疊誤差和接地信號等問題進行處理的階段，這一階段主要是對各種可能出現的問題以及計算誤差進行科學的處理，以此保證線路層疊的有效性。同時，盡可能讓接地層與電源層成對布放，這樣能夠更加有效的保證信號的完整性。對于信號的完整性規劃需要根據信號參數以及其必須的拓撲結構范圍進行仿真模擬，才能從中找到最為理想的參數范圍，并且將此范圍作為布線的最終依據，成為PCB布線的主要約束條件。

③串擾是信號線之間不希望有的耦合，鄰近信號線的耦合會導致串擾而且改變信號線的阻抗。我們必須減少串擾。比如我們可以根據相鄰平行信號線的耦合分析來確定信號線間距或平行線長度。

④對于信號延遲以及其產生的影響是在布線時必須要充分考慮的關鍵問題，因此在實際的工作中，我們可以利用終端接線器的使用來對信號的完整性質量進行控制，從而有效的減少信號延遲所帶來的不利影響。

⑤轉換器是設計工作中常用的一種設備，轉換器的轉換速度越慢則信號完整性越好，同時利用不同的驅動技術也可以完成不同的轉換任務，所以我們可以在設計過程中，利用新的可編程技術，充分利用不同驅動技術的優越性，使其作用能夠充分發揮，以此來提升信號的完整性。

⑥當簡單的布線以及裝配工作完成之后，需要進行完整的電路板測試，將其測試結果與仿真結果進行對比，從中發現設計過程中存在的不足之處，以此作為依據，為后續的設計工作提供更充分的數據參考。

5 結 語

隨著社會和經濟的快速發展，集成電路和新型器件的應用也日漸廣泛，從另一方面來說，這也使得電路板的設計日漸復雜，因此對于電路板設計的可靠性要求也越來越高。監控系統已經成為現代社會中必不可少的硬件設備，對于監控系統電路板的設計工作，必須要對其可靠性的相關因素進行充分的考慮，才能確保各項設計成果的有效性，從而保證產品性能的安全性和完整性，促進相關工作的持續開展。

參考文獻：

[1] 李強.談PCB電路板的設計[J].商情，2011，（1）.

[2] 曲利新.空間電子設備電路板可靠性可測試性設計檢查[J].現代電子技術，2011，（19）.

[3] 孫林.電氣安全智能監控系統設計[J].神州，2013，（3）.

篇7

網絡硬件對計算機網絡可靠性的影響，具體表現為計算機網絡基礎物質設備對網絡可靠性的影響，可以分為兩個部分，一部分是網絡傳輸設備對計算機網絡可靠性的影響，另一部分則是計算機網絡終端設備對計算機網絡可靠性的影響。

1.1網絡傳輸設備對計算機網絡可靠性的影響

主要表現為對網絡電纜的鋪設以及管理過程中維護工作的進行。在我國以往的計算機網絡問題中，對于網絡電纜的鋪設及維護一直是一大難題。雖然無線網絡在當今社會得到迅速普及和發展，但是有線電纜則具有更強的穩定性，因此也受到更大程度的重視。在有線電纜的鋪設及維護過程中很容易受到地形等地理環境的干擾，從而影響到正常的排線工作，不利于網絡可靠性的維護。以此，在以后的網線鋪設過程中要留有一定的糾錯余地，盡可能的選擇雙線布局，以便及時更改路線。

1.2網絡終端設備對計算機網絡可靠性的影響

網絡終端設備，也即用戶客戶端。用戶使用網絡的最主要的目的就是及時高效的獲取原始、準確的信息，因此該設備的可靠性受到用戶很大的關注，也成為維護計算機網絡可靠性的重要部分。基于此，用戶在選擇終端設備時，應選擇那些大型企業生產的正版計算機，在維護過程中，應裝載較為先進的管理軟件，以維護該系統運行的穩定性。

2網絡管理對計算機網絡可靠性的影響

計算機網絡是一個復雜的、虛擬化的、不分地域的環境空間，因此其維護和管理的成本較大，且管理起來極為不宜；同時計算機網絡是一各規模龐大的完整系統，某一環節的出錯就有可能導致整個系統的潰敗，因此在網絡管理的過程中，不僅要靠人工操作，還要引進先進的管理軟件進行協同工作。

3計算機網絡的可靠性優化設計方法

3.1計算機網絡的糾錯性設計

該設計是指在計算機的某一傳輸或者運行環節出錯時，可以選擇其他的條件或路徑，以保證計算機網絡的正常使用及運行。如雙網絡中心的應用、多連接途徑的應用。雙網絡中心是指，在用戶進行網絡中心設置時，可以設置兩個網絡中心，一旦其中一個網絡中心出現故障時，還有備用網絡中心保持計算機的正常使用；多連接途徑是指計算機用戶在接收網絡信號時，可以通過多路由發射接收，亦可通過無線和有線網絡的雙重使用為網絡安全提供雙重保障。此外在計算機內部集成電路的設計上可以采用模塊化設計的方式，以保證計算機硬件設備在不影響其他使用功能的前提下進行局部維修，大幅度提高計算機網絡的可靠性。

3.2計算機網絡體系設計

在保障計算機硬件可備用的前提下，需要引進先進的計算機網絡體系，通過多層化的網絡設計，使網絡適用于更廣泛的地域、適應更復雜的環境，從整體上提高網絡運行的可靠性以及安全性，充分體現網絡高端設備的性能。

4結語

篇8

關鍵詞：數字式時間繼電器 抗干擾 濾波

0 引 言

隨著數字技術和相關專業的不斷發展，繼電保護技術也有了很大發展，如靜態繼電器在電力系統中的應用，其中數字式時間繼電器作為基礎元件，已廣泛應用于各種繼電保護及自動控制回路中，使被控制設備或電路的動作獲得所需延時，并用以實現主保護與后備保護的選擇性配合。

數字式時間繼電器用于繼電保護，首先用于替換電磁型和晶體管型時間繼電器。它可縮短過流保護的級差，減少維護量，提高保護的動作正確率。保護了主系統及主設備的安全穩定運行。由于它具有精度高、穩定性好、整定方便、直觀、改變定值無需進行校驗、整定范圍寬等特點，深受用戶的歡迎。由此數字式時間繼電器在電力系統中得到廣泛應用。

但近幾年，數字式時間繼電器在電力系統中多次出現誤動，給用戶造成很大的損失。誤動的原因如系統環境差、使用維護問題、產品質量問題、器件損壞、抗干擾性能差等等原因，但最難處理的問題是數字式時間繼電器抗干擾性能差，本文在此針對數字式時間繼電器抗干擾性能方面，提出了自己的看法，供參考。

1 提高抗干擾能力方法

1.1 干擾的主要來源

在電力系統運行中的繼電器受到干擾主要是電磁干擾，來源有以下幾種

(1)直流低壓回路斷開電感性負載（如接觸器、中間繼電器等）或電磁型電流、電壓繼電器觸點抖動時，常會產生快速瞬變脈沖組電波；

(2)高壓變電所臨近高壓電器設備操作時產生的感應干擾；

(3)移動電話、攜帶式步話機和相鄰或附近設備發生的調頻電磁波及電弧放電時產生的高頻電磁輻射；

(4)設備中脈沖電路、時鐘回路、開關電源、收發訊機等通過空間傳播的電磁能量；

(5)帶電荷的操作人員觸及到設備的導電部件時產生放電。

1.2 電磁干擾的傳播方式

電磁干擾的傳播方式主要有兩種形式，即傳導和輻射。傳導是通過導線以電流或電壓的形式作用在繼電器上。輻射是通過空間以電磁場的形式作用于繼電器上。對于數字式時間繼電器主要的傳導路徑為電源線。因此抑制傳導干擾的主要部分在數字式時間繼電器的電源部分。

1.3 提高抗干擾的措施

根據電磁干擾的來源和干擾方式及數字式時間繼電器的工作特點，對數字式時間繼電器提高抗干擾能力采用的措施主要從以下方面進行解決。

(1) 電源輸入端增加EMI 濾波器。EMI 濾波器是一種低通濾波器，由無源元件構成的多端口網絡。它不僅能衰減由傳導傳播干擾方式引起的干擾，同時也對輻射干擾方式的干擾有顯著的抑制作用。這樣的濾波器對于低頻（20—100kHz）特別有效。再通過選用合適的鐵氧體材料鐵芯，它的抑制頻率范圍可增大到400MHz。

由于數字式時間繼電器的體積小，受結構的限制，成型的EMI 濾波器一般體積較大，不適用。而繼電器工作頻率不高，設計及工藝相對要求不高，同時也可降低成本，因此在電路里直接設計出EMI濾波器是非常可行的，濾波器電路圖見圖1。

濾波器中介質電容、電感均可改變，適當變化期間的耦合，對于線路開關、接觸器、執行機構，觸點抖動產生的瞬變干擾能起到充分的抑制作用。

(2) 數字電路抗干擾一般措施

①時鐘頻率應在工作允許的條件下選用最低的；② 必須對電源線，控制線去耦以防止外部干擾進入；③ 每個集成電路的電源與地之間要加去耦電容。要求電容的高頻性能好；④ 在速度不快的信號線上加去耦電容。

(3) 合理設計印刷電路板 ① 印刷板上的電源與地線要呈“井”字形布線，以均衡電流，降低線路電阻；②布線時高、低壓線分開，交、直流分開；③輸入、輸出線不要緊靠時鐘發生器、電源線等電磁熱線，不要緊靠復位線、控制線等脆弱信號線；④ 相鄰板間交叉布線；⑤ 盡量減少電源線走線的有效包圍面積，這樣可以減少電磁耦合；⑥相鄰層布線應互相垂直；⑦走線不要有分支，以防導致反射和產生諧波；⑧正確接入旁路電容。數字電路在工作時，電流突變較大，會產生很強噪聲信號，應按圖4 在電源線上正確接入旁路電容；⑨ 接地點集中。

(4) 合理配線 ① 輸入電源線與地線應盡量短；② 板與板間的連線或接插件連線應盡量短。且線與線間分開；③ 配線時，電源線與觸點引出線應分開；④ 正、負電源線應互相絞合，以降低共模干擾。

(5) 采用新工藝 ① 采用貼裝技術采用表面貼裝裝封技術，可以顯著減少由于器件的引線較長而產生的雜散寄生電容、電感，簡化了屏蔽的設計，所以在很大程度上減少了電磁干擾和射頻干擾。②采用多層線路板從2 層印制電路板改為4 層印制電路板，可大大改善發射和抗擾度性能。

2 結 語

以上分析了數字式時間繼電器抗干擾的問題。經實際應用，解決了以前數字式時間繼電器所存在的干擾問題，動作可靠性有很大提高，在某項電力系統中現場應用，也得到了證實。

參考文獻：

[1] 晏國華.控制與保護設備的可靠性設計試驗手冊[M].阿城繼電器廠，1992.

[2] 晏國華.電站自控保護系統的電磁兼容性（EMC）與可靠性、安全性關系[M].電站設備自動化，1993..

篇9

【關鍵詞】智能化電梯；可編程控制器；邏輯控制

隨著城市建設的不斷發展，高層建筑不斷增多，電梯在國民經濟和生活中有著廣泛的應用。電梯作為高層建筑中垂直運行的交通工具已與人們的日常生活密不可分。在許多交通設備中，電梯是自動化程度最高的先進設備的一種。以前的電梯主要采用單片機控制，其性能等各方面都不太完善，現在電梯控制系統多采用PLC，從電梯的性能、器件的靈活性及安全保障方面等都有了很大的提高。實際上電梯是根據外部呼叫信號以及自身控制規律等運行的，而呼叫是隨機的，電梯實際上是一個人機交互式的控制系統，單純用順序控制或邏輯控制是不能滿足控制要求的，因此，電梯控制系統采用隨機邏輯方式控制。

目前電梯的控制普遍采用了兩種方式，一是采用微機作為信號控制單元，完成電梯信號的采集、運行狀態和功能的設定，實現電梯的自動調度和集選運行功能，拖動控制則由變頻器來完成；第二種控制方式用可編程控制器（PLC）取代微機實現信號集選控制。然而PLC控制電梯在不久的將來將會完全取代原有的控制方式，所以我們在這里探討PLC在電梯中的應用.

1.PLC 具有的特點

1.1 PLC不需要大量的活動元件和接線電子元件，它的接線大大減少，與此同時，系統的維修簡單，維修時間短。

1.2 PLC采用了一系列可靠性設計的方法進行設計，例如，冗余設計，斷電保護，故障診斷和信息保護及恢復等，使可靠性提高。

1.3 PLC有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不易發生操作的錯誤。

1.4 PLC是為工業生產過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用計算機更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程錯誤率大大降低，而為工業惡劣操作環境設計的硬件使可靠性大大提高。

1.5 在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件；采用先進的工藝制造流水線制造；對干擾的屏蔽、隔離和濾波等；對電源的斷電保護；對存儲器內容的保護等。

1.6 PLC的軟件方面，也采取了一系列提高系統可靠性的措施。例如，采用軟件濾波等；軟件自診斷；簡化編程語言等。

2.電梯的基本結構

電梯是機電合一的大型復雜產品，機械部分相當于人的軀體，電器部分相當于人的神經。機與電的高度合一，使電梯成了現代科學技術的綜和產品。對于電梯的結構而言，傳統的方法是分為機械部分和電氣部分，但以功能系統來描述，則更能反映電梯的特點。下面簡單介紹電梯機械部分的結構，而我們的主要目的是怎樣來控制它。

（1）曳引系統

曳引系統的主要功能是輸出與傳遞動力，使電梯運。曳引系統主要由曳引鋼絲繩、導向輪、反繩輪組成。

（2）導向系統

導向系統的主要功能是限制轎廂和對重的活動自由度，使轎廂和對重只能沿著導軌作升降運動。導向系統主要由導軌，導靴和導軌架組成。

（3）轎廂

轎廂是運送乘客和貨物的電梯組件，是電梯的工作部分。轎廂由轎廂架和轎廂體組成。

（4）門系統

門系統的主要功能是封住層站入口和轎廂入口。門系統由轎廂門、層門、開門機、門鎖裝置組成。

（5）重量平衡系統

系統的主要功能是相對平衡轎廂重量，在電梯工作中能使轎廂與對重間的重量差保持在限額之內，保證電梯的曳引傳動正常。系統主要由對重和重量補償裝置組成。

（6）電力拖動系統

電力拖動系統的功能是提供動力，實行電梯速度控制。電力拖動系統由曳引電動機，供電系統，速度反饋裝置，電動機調速裝置等組成。

（7）電氣控制系統

電氣控制系統的主要功能是對電梯的運行實行操縱和控制。電氣控制系統主要由操縱裝置，位置顯示裝置，控制屏（柜），平層裝置，選層器等組成。

3.PLC在電梯中的應用

基于PLC的電梯控制系統應當滿足如下幾個方面的功能：借助于電動機裝置實現電梯轎廂的升降動作，并在各樓層之間設置相應的上行及下行呼叫開關；電梯需要在某一層停車待客的情況下，只要按下電梯相應樓層的外呼按鈕，控制系統應當確保電梯能夠在延時狀態下自動開啟轎門。與此同時，在電梯完成該項控制動作指令且未接收到任何層外呼叫指令的情況下，控制系統應當確保電梯轎廂能夠及時響應自動關閉轎門動作；在電梯轎廂同時接收到多個響應指令的情況下，控制設備應當在設定時間內進行自動運行處理，確保各動作響應時間的有效性。隨著新型PLC的推出，程序存儲器容量增大，給編程人員帶來了更大的自由空間，使結構化編程在不增加外設的條件下成為可能。在實際應用中，PLC和變頻器組成的電梯控制系統，能完成電梯控制的各種功能要求，為了提高電梯的可靠性，旋轉編碼器計數脈沖代替了井道內的換速、停車傳感器等功能，這些都是用增加編程語句代替硬件功能，使電梯程序長度倍增。這樣直接導致PLC的程序掃描周期變大，影響了電梯的控制精度。為了解決程序功能完善化（增加程序的總長度）與減少掃描周期以提高程序的運行效率、滿足電梯的控制精度這一矛盾，使得設計程序時將程序結構化，程序結構有以下方法：

（1）分離電梯程序功能，使靠邏輯關系融合在一起的程序分成消防、急停、檢修、鎖梯、自動等功能子程序。

（2）分析主程序以及各功能子程序的關系，以高效組合程序結構。

（3）排列PLC的輸人、輸出點以及內部輔助繼電器點，使之按順序成組排列，利用功能指令減少程序步驟。按照這種方法設計編寫的程序，雖然其相對長度加大，但動態運行時相對長度減少，程序運行高效化，電梯控制精度提高。同時，結構化處理也增強了程序的易讀性、易移植性，提高了編程人員的效率，減少了工作量，給通用電梯程序的編制提供了方便。

參考文獻

[1]陳伯時主編.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]漆漢宏主編.PLC電氣控制技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

篇10

【關鍵詞】電子裝備；環境試驗；故障影響因素分析；環境應力關系

1.引言

目前，電子產品在武器裝備中的重要性越來越高，對電子產品的可靠性要求也在隨之不斷提高。電子裝備現場實際使用結果表明，電子產品的故障率仍然是影響武器裝備及戰備完好性的主要因素之一。因此，研究電子產品故障與環境應力間的關系，對于確定裝備中電子產品的可靠性試驗方法、有重點地加強產品的可靠性設計將起到極大的技術支持作用。國外的統計數據表明，對于一般的電子產品，溫度、振動和濕度對其的影響最大，分別占環境引起故障數的40%、27%和19%，因此考慮這三個因素的作用已經覆蓋了86%以上的環境對產品可靠性的影響。但是，國外的這些經驗數據對于我國電子裝備的符合性如何，我國電子裝備對哪些環境因素更為敏感，電子裝備中那些部位在那種環境因素作用下更易發生故障等均沒有進行過較為系統的研究。本文結合國內可靠性試驗的故障數據對電子裝備故障與環境應力間的對應關系進行了統計，對故障規律進行了歸納，對故障機理進行了分析，并根據分析結果提出了實驗室以最佳費效比開展可靠性試驗的建議。

2.電子裝備故障機理分析

2.1 溫度循環誘發故障的機理

當溫度在上、下限溫度循環時，電子設備交替膨脹和收縮，會使設備中產生熱應力和應變。如果某些電子裝備產品內部有瞬時的熱梯度（溫度不均勻性），或產品內部鄰接材料的熱膨脹系數不匹配，則這些熱應力和應變將會加劇。這種應力和應變在缺陷處最大，它起著應力集中的作用。這種循環加載使缺陷長大.最終可大到能造成結構故障并產生電性能故障。例如，有裂紋的電鍍通孔其周圍最終完全開裂，引起開路。熱循環是使釬焊接頭和印制電路板上電鍍通孔等產生故障的首要原因。持續時間受溫度循環次數控制，每次循環.應力應變方向變化一次，循環次數也是應力應變方向的變化次數。溫度變化范圍越大，電子裝備產品內受到的應力，應變范圍越大，產品內缺陷發展為故障所需的應力應變次數（也即循環次數）越少。

溫度循環激發出的主要故障模式如下：（1）使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴大；（2）使粘接不好的接頭松弛；（3）使螺釘連接或鉚接不當的接頭松弛；（4）使機械張力不足的壓配接頭松弛；（5）使質量差的釬焊接觸電阻加大或造成開路；（6）粒子污染。

2.2 高溫誘發故障的機理

在高溫的環境條件下，電子設備一般會產生過熱的現象。過熱是電子設備產生故障的主要原因之一。故障是使設備性能退化的化學或物理變化引起的。因為隨著溫度的增加，電子、原子、分子的運動速度加快，使得電子設備的性能發生變化。隨著設備的老化，這些變化逐漸出現；當達到一定階段時.就引起嚴重的故障。到產品產生故障的時間受這些化學或物理變化的過程的速率控制，而這一速率大致按指數規律隨溫度的升高而增加。已經發現.在高于一般室內環境溫度（約20℃-25℃）范圍內條件下，故障率大致按指數規律隨溫度的升高而增加。

高溫激發出的主要的故障模式如下：

（1）不同材料膨脹系數不一致使零件粘結在一起；（2）劑粘度降低.劑外流使連接處損失能力；（3）包裝、村墊、密封、軸承和軸發生變形、粘結和失效，引起機械性的故障或破壞完整性；（4）溫度梯度的不同和不同材料膨脹不一致使得電子電路的穩定性隨之改變；（5）有機材料退色、裂開或出現裂紋；（6）變壓器和機電組件過熱；（7）繼電器和磁動或熱動裝置的接通/斷開范圍變化。

2.3 低溫誘發故障的機理

低溫的影響與高溫相反，由于電子、原子、分子運動速度減小.導致物質收縮、流動性降低、凝結交硬。又因為冶煉、軋制、設計形狀，切削刨傷、焊接淬火、鍛造塑性、彈性變形造成內應力，使構件出現明顯脆性（冷脆現象）。

低溫激發出的主要故障模式如下：（1）材料發硬變脆；（2）各種材料收縮不一致和不同零部件膨脹率的差異使零件互相咬死；（3）劑粘度增加，流動能力降低，使作用減?。唬?）電子元器件（晶體管、電窯器等）的性能發生變化；（5）變壓器和機電部件的性能發生改變；（6）破裂和開裂、脆裂、沖擊強度改變，強度降低；（7）受約束的玻璃產生靜疲勞。

2.4 振動誘發故障的機理

隨機振動是在很寬的頻率范圍內對產品施加振動。產品在不同的頻率上同時受到應力，使產品的許多共振點同時受到激勵。這就意味著具有不同共振頻率的元部件同時共振.從而使安裝不當的元件受扭曲，碰撞等而損壞定額概率增加。振動應力對揭示那些對反復的結構變形或相對運動敏感的缺陷是有效的。電路板或導線接頭是在重復性應力作用下可能導致損壞性裂紋增長的例子。

振動激發出的主要的故障模式如下：

（1）結構部件、引線或元件接頭產生疲勞，特別是類適于導線上有微裂紋、微觀裂紋和類似的缺陷；（2）電纜磨損，如在松弛的電纜結處存在類似于尖緣那樣的缺陷時；（3）制造不當的螺釘接頭松弛；（4）安裝加工不當的集成電路片離開插座；（5）匯流條及其連到電路板上的釬焊接頭受到高應力引起的釬接頭薄弱點失效；（6）與可敬相對運動的部件橋形連接的元件引線沒有充分消除應力而造成損壞，例如電路板前板的發光二極管或在背板散熱箱的功率晶體管；（7）已損壞或安裝不當的脆性絕緣材料中出現裂紋。

2.5 濕度誘發故障的機理

潮濕環境的影響是指產品或材料在潮濕條件下發生外觀或物理、化學和電性能方面的劣化并導致設備功能性失效綜合作用。在工作環境中有各種大氣污染物質可能強化潮濕氣候的影響，例如各種腐蝕性氣體與潮濕的共同作用將加劇金腐蝕的速度，而某些容易吸收水分的塵埃將助長試驗樣品表面凝露或水氣吸收，從而加劇表面絕緣性能的下降。又如某些材料表面受潮后長霉，這種霉菌濕潤之后又會影響表面電阻下降，這些都會影響產品工作性能。

濕度激發出的故障模式主要有：（1）表面吸收。當隱患與表面沾污有關時，吸收引起故障的機理是特別重要的。（2）毛細凝露。當隱患與斷裂、縫隙和細孔有關時，毛細凝露是故障的主要機理。若水分以這種方式穿透表面保護層并作用于要保護的材料時，則很可能出現故障。（3）通過松散材料的擴散是第三種故障機理。它通常不直接與隱患有關或很少有關。這種機理是很慢的，要幾天到數月。

3.電子裝備故障統計數據結果分析

從統計的數據看來，振動、溫度和濕度對電子裝備的可靠性影響很大。但是，對于一個產品的不同部件，它們對這三種應力的響應是不一樣的?，F把這三種應力的作用范圍歸納如下：

3.1 振動

重復應力或相對運動敏感的缺陷在振動應力下最易暴露。例如：電路板或導線插頭是在重復應力作用下可能導致破壞性裂紋增長。

振動應力主要誘發的故障模式如下：

（a）部件之間由于焊接不牢而斷開；（b）部件安裝不當時在振動的情況下引起開路；（c）振動使得某些產品（如電機、電源）不能正常工作而導致故障；（d）在產品裝配時由于存在拉伸或剪切應力而導致故障。

3.2 溫度

熱應力主要誘發的故障模式如下：

（a）由于在高溫環境中不能充分冷卻或在低溫條件下同步不匹配造成的性能下降；（b）低溫使得某些元器件的性能不穩定而造成故障；（c）由于熱膨脹系數不匹配，在熱應力循環作用下產品出現故障。

3.3 濕度

濕度應力主要誘發的故障模式如下：

（a）產品受潮后性能退化；（b）產品內部濕度累積到一定程度后在低溫狀態下結霜，導致產品開路；（c）產品內部濕度累積割一定程度后導致產品內部電路板爬電。

這三種應力的作用時間也有一定的規律：

（1）溫度應力引起的故障暴露最早；（2）振動應力引起的故障，在一定的時間累積后工藝故障、加工故障和元器件故障先后出現；（3）濕度應力和綜合應力引起的故障由于需要一定的時間累積，所以暴露的相對較晚；（4）60%的缺陷可以在前160h的綜合環境試驗中暴露，并且可以大量暴露由溫度引起的元器件故障和振動引起的工藝故障。