[工学]《单片机及嵌入式系统》第2版.doc

26单片机及嵌入式系统（第2版）第5章 嵌入式系统的可靠性设计5.1概述5.1.1可靠性的基本指标1. 可靠度2. 失效率3. 平均故障间隔时间4. 平均修复时间5. 利用率5.1.2故障因素1. 内部因素2. 环境因素3. 人为因素5.2故障检测技术5.2.1嵌入式系统的脱机自检1. 指令系统自检2. RAM的自检图5.1固定模式自检图5.2游动模式自检流程图图5.3数据图案平移法流程图3. 只读存储器ROM自检4. 外设驱散及接口的自检图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5.2.2嵌入式系统的在线故障检测1. 程序监视器图5.9程序监视器原理框图图5.10译码器逻辑图图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图5.13继电器状态反馈流程图图5.14电机信息反馈电路框3. 检错及纠错编码图5.15内存加奇偶校验原理框图图5.16纠错电路原理图图5.178位数据诲明码纠错电路 4. 超时故障检测图5.18某化工工艺温度控制过程图5.19超时中断硬件计数器图5.20用户程序段结构图5.21中断服务程序结构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图5.23掉电控制波形图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引脚图图5.27具有ADM691的瞬时掉电保护电路5.3硬件可靠性设计5.3.1硬件故障1. 电器故障2. 机械故障3. 介质故障4. 人为故障5.3.2影响硬件可靠性的因素1. 元器件失效图5.28失效率与时间关系特性2. 使用不当图5.29确定负载上限图5.30确定负载下限3. 结构及工艺上的因素5.3.3硬件可靠性措施1. 元器件的选择2. 元器件的老化筛选3. 降额使用4. 可靠的电路设计5. 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6. 环境设计7. 人为因素设计5.4软件可靠性设计5.4.1软件故障的特点5.4.2软件可靠性指标1. 可靠度2. 平均故障间隔时间3. 利用率5.4.3软件错误的来源1. 没有认真进行需求调查2. 编程中的错误3. 规范错4. 性能错5. 中断与堆栈操作6. 人为因素5.4.4软件可靠性模型1. 以故障率为基础的模型2. 以无故障率为基础的模型5.4.5提高软件可靠性的方法1. 认真仔细地进行规范设计图5.37编写规范的简化过程图5.38三取二表决系线2. 使用好的程序设计方法3. 选择合适的程序设计语言4. 细心编程5. 仔细测试6. 提高软件设计人员的素质7. 去除干扰8. 多使用9. 其他5.5系统的抗干扰设计5.5.1抗干扰的三要素5.5.2干扰的来源及耦合方式1. 干扰的来源2. 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5.5.3系统的抗干扰措施1. 设计抗干扰性能好的电路2. 克服信号传输过程中的干扰图5.41信号与共、串模干扰的关系3. 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图5.46滤除电网干扰的供电电路4. 良好的接地措施图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图5.49电路板内接地电咀耦合图5.50几个电路一共接地图5.51数字地与模拟地的连接图5.52系统各部分接地示意图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7. 滤波、去耦和屏蔽图5.53几种典型的馈通滤波器8. 防雷电、防浪涌干扰图5.54TVS伏安特性图5.55TVS的几种典型应用5.6总线的有关问题5.6.1总线上的交叉串扰图5.56总线间电容耦合及其等效电路5.6.2总线的延时5.6.3总线上的反射与终端网络1. 总线上的反射2. 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图5.59恒压源匹配网络图5.60驱动器串接电阻3. 外总线的匹配网络图5.61简单的终端电阻图5.62终端分压网络图5.63IEEE488总线匹配网络图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5.7.1设计过程1. 系统设计的进程图5.66系统可靠性设计进程2. 生产及使用中应注意的问题5.7.2可靠性的分配方法1. 可靠性方框图的逐步展开图5.67可靠性框图的展开过程2. 可靠性的预估3. 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IOH0.4mA，IOL8mA，并且它的IIH20A，IIL200A。试计算该门最多可驱动多少个这样的门？（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接地原则。5.35说明嵌入式系统的可靠性设计进程。5.36若已知某系统由4个分系统构成，分系统的失效率分别为10.003