嵌入式系統(tǒng)的可靠性方法和流程探討

朱志勇

（南京康尼電子科技有限公司，江蘇 南京，210009）

0 引言

以數(shù)字化、物聯(lián)化、智能化趨勢(shì)為特點(diǎn)的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)深入人們的生活，在日常的使用中非常廣泛。其可靠性不僅關(guān)系到正常使用，而且關(guān)系到使用者的人身安全，若發(fā)生嚴(yán)重故障可能會(huì)令使用者受到嚴(yán)重的人身傷害?？煽啃允桥c產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的重要的因素，根據(jù)定義，可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件、規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品是否具備高可靠性是決定產(chǎn)品能否應(yīng)用到高端領(lǐng)域的基本前提[1]。

嵌入式系統(tǒng)通常集傳感器、集成電路、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)、軟件等技術(shù)于一體，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期定義的功能。但由于不斷追求系統(tǒng)功能多樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)可擴(kuò)展性不斷增強(qiáng)，復(fù)雜度不斷增加，運(yùn)行頻率不斷提高，因此，保障系統(tǒng)的可靠性越來越困難。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)系統(tǒng)可靠性的研究與應(yīng)用已歷經(jīng)幾十年，在軍工產(chǎn)品和民用產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。本文基于筆者對(duì)可靠性工程理論的了解和學(xué)習(xí)，結(jié)合理論和筆者的工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品可靠性工程相關(guān)的流程和方法進(jìn)行了梳理。

1 我國(guó)可靠性標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀

我國(guó)已經(jīng)發(fā)布的可靠性標(biāo)準(zhǔn)有400余項(xiàng)，其中能夠提高可靠性標(biāo)準(zhǔn)整體水平的通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)占比較少，且主要集中在可靠性的名詞、術(shù)語、通用試驗(yàn)方法等方面，此外，可靠性設(shè)計(jì)、評(píng)審、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量等也偏低，致使標(biāo)準(zhǔn)對(duì)可靠性提升的指導(dǎo)意義不強(qiáng)[2]。

2016年9月，國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB / Z 299D《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》完成了修訂后的審查。國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299D合并代替GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》和GJB/Z 108A-2006《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》，將滿足武器裝備現(xiàn)代化建設(shè)中對(duì)可靠性方面的需要，也為工業(yè)和民用產(chǎn)品在維修性、保障性、測(cè)試性和安全性等領(lǐng)域的工作提供更加扎實(shí)的基礎(chǔ)。2016年11月23日，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)模型及數(shù)據(jù)手冊(cè)》在廣州通過了標(biāo)準(zhǔn)審查。該標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)首個(gè)基于國(guó)產(chǎn)元器件的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。有此可見可靠性標(biāo)準(zhǔn)的制定和研究已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛重視。

2 可靠性總體框架

2.1 可靠性工程

可靠性工程是指為了達(dá)到系統(tǒng)的可靠性要求所進(jìn)行的一系列技術(shù)和管理活動(dòng)，貫穿于產(chǎn)品系統(tǒng)工程的壽命周期過程中?？煽啃怨こ膛c系統(tǒng)工程兩者之間必須相互協(xié)同，同步開展。不考慮可靠性的系統(tǒng)工程將缺乏實(shí)際應(yīng)用意義，脫離系統(tǒng)工程研究的可靠性也難以得到顯著成效。

2.2 可靠性流程

圖1 產(chǎn)品生命周期的可靠性工作流程Fig.1 Product reliability process in life cycle

可靠性流程應(yīng)圍繞可靠性總體指標(biāo)展開，從制定可靠性工作計(jì)劃開始，應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)需求定義的階段完成功能模塊分解和模塊可靠性指標(biāo)的定義[3]。通過對(duì)功能模塊進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，衡量分配到各系統(tǒng)中的可靠性指標(biāo)是否合理，系統(tǒng)可靠性能否達(dá)到總體目標(biāo)，否則應(yīng)當(dāng)在平衡性能、風(fēng)險(xiǎn)、成本、工期的基礎(chǔ)上，改進(jìn)系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)。通過此過程識(shí)別出可靠性關(guān)鍵件，并且輸出各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)[4]。根據(jù)實(shí)際需要，經(jīng)常將故障模式和影響分析（FMECA），故障樹[5]等方法用于輔助模塊分析。對(duì)涉及安全相關(guān)系統(tǒng)，需在此階段形成危害登記冊(cè)，從而可以掌握相關(guān)危害的嚴(yán)酷度，對(duì)危害加以管控[6]。如果屬于耐用工業(yè)品，還需進(jìn)行全壽命周期費(fèi)用（LCC）分析[7]。

軟硬件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，圍繞產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的使用載荷和環(huán)境載荷，通過可靠性設(shè)計(jì)消除或減少關(guān)鍵故障模式[8]。同時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行產(chǎn)品的可制造性設(shè)計(jì)，如果產(chǎn)品的可制造性不良，不但會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品制造的成品率低的問題，而且也會(huì)在制造過程中產(chǎn)生制造缺陷，造成最終產(chǎn)品的可靠性降低[9]。

在完成系統(tǒng)集成后，除了驗(yàn)證系統(tǒng)功能，還應(yīng)開展降級(jí)模式試驗(yàn)，早期故障試驗(yàn)，高應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)等工作，可以在試產(chǎn)前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中遺留的問題，提高產(chǎn)品可靠性[10]。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)[11]。試驗(yàn)中發(fā)生的問題如果得不到解決，在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中必然也會(huì)發(fā)生，將直接影響到可靠性指標(biāo)的達(dá)成。

事實(shí)上，無論多么完善的設(shè)計(jì)都無法完全識(shí)別產(chǎn)品的使用載荷與環(huán)境載荷，在使用中不可避免地還是會(huì)出現(xiàn)失效，因此收集使用后的失效數(shù)據(jù)用于產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)是非常重要且有效的工作內(nèi)容。圖1為產(chǎn)品生命周期的可靠性工作流程。

3 可靠性方法

3.1 系統(tǒng)的可靠性方法

系統(tǒng)的失效分為系統(tǒng)失效和隨機(jī)失效兩類，可以從這兩個(gè)方面提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)性的失效通?？梢酝ㄟ^可靠性預(yù)計(jì)，選用成熟的技術(shù)方案，通過嚴(yán)密的設(shè)計(jì)計(jì)算等方法避免，對(duì)于殘留的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤還可以通過驗(yàn)證測(cè)試排除。避免系統(tǒng)失效開展的研發(fā)活動(dòng)同樣會(huì)間接降低隨機(jī)失效。例如，如果產(chǎn)品使用的技術(shù)方案越成熟，產(chǎn)品的制造系統(tǒng)也更加容易保障產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，因而會(huì)降低隨機(jī)失效的發(fā)生。隨機(jī)失效與產(chǎn)品的使用環(huán)境因素，物料選型，等因素非常相關(guān)，也應(yīng)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行可靠性評(píng)估。

可靠性關(guān)鍵件在各個(gè)子系統(tǒng)中對(duì)可靠性指標(biāo)均起到非常重要的作用，根據(jù)故障模式和影響分析（FEMECA）可以識(shí)別出最不希望發(fā)生的故障事件作為頂事件。故障樹分析法（FTA）是一種非常直觀并且常用的可靠性預(yù)計(jì)方法。故障樹可以用來指明能夠引發(fā)頂事件的各種因素的組合邏輯關(guān)系。根據(jù)可靠性理論，故障樹事件（包括頂事件和中間事件）的發(fā)生概率在“與”門結(jié)構(gòu)中按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

故障樹事件的發(fā)生概率在“或”門結(jié)構(gòu)中按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：X為頂事件；xi為底事件（i=1，2，……，n）； P(xi)為底事件發(fā)生的概率。

某軌道交通產(chǎn)品用于數(shù)字量輸入的硬件電路如圖2所示。輸入的信號(hào)為110 V直流電壓，輸入口電路采用電阻R1（36 Κ，2 W）進(jìn)行限流保護(hù)，采用光耦器件進(jìn)行隔離處理。采用電阻R2（2.7 Κ, 1 W）與并聯(lián)光耦用于抑制噪聲干擾。此外，光耦的次級(jí)設(shè)計(jì)了RC低通濾波電路以濾除高頻干擾。與RC低通濾波電路串聯(lián)施密特觸發(fā)器用于防止輸入信號(hào)不穩(wěn)定引起電路的輸出信號(hào)的質(zhì)量較差。

圖2 數(shù)量輸入電路Fig.2 Digital signal input circuit

在系統(tǒng)需求定義的階段，上述輸入口被識(shí)別為可靠性關(guān)鍵件，輸入接口異常為“高”是導(dǎo)向嚴(yán)重故障的事件，因而有必要采用故障樹分析法對(duì)輸入口進(jìn)一步分析。經(jīng)分析此頂事件輸入口電路異常出現(xiàn)“高”電平會(huì)在光耦U1發(fā)生短路失效，或非門U2失效導(dǎo)致輸出常低，或非門U2出現(xiàn)輸出開路時(shí)發(fā)生。故障樹如圖3所示。

3.2 硬件的可靠性方法

減少硬件隨機(jī)失效應(yīng)當(dāng)考慮物料的優(yōu)選，電磁兼容性設(shè)計(jì)，環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，電路的可靠性防護(hù)，印制線路板的工藝設(shè)計(jì)，組裝的可制造性，環(huán)境適應(yīng)性等方面的因素。避免系統(tǒng)性失效應(yīng)從降額設(shè)計(jì)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)計(jì)算，采用仿真技術(shù)，開展熱設(shè)計(jì)，信號(hào)完整性檢查等方面著手。

提高硬件可靠性的一個(gè)重要方法是進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，并結(jié)合故障樹分析是否符合項(xiàng)目要求。國(guó)際上用于可靠性預(yù)計(jì)的手冊(cè)或標(biāo)準(zhǔn)有很多，如：美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn) MΙL-HDBΚ-217，Telcordia SR-332、RDF、HRD、西門子 SN29500和 ΙEC TR 62380[12]。2017年公布實(shí)施的ΙEC 61709合并替代了 ΙEC 61709:2011 and ΙEC TR 62380:2004 包含了對(duì)工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的電子組件的可靠性預(yù)計(jì)。雖然美國(guó)國(guó)防部停止了更新美軍標(biāo)Mil-Hdbk-217，但是實(shí)際設(shè)計(jì)中仍然經(jīng)常用于計(jì)算各個(gè)硬件故障發(fā)生的概率，評(píng)估硬件系統(tǒng)的可靠性。參照美軍標(biāo)Mil-Hdbk-217F 6.11章節(jié)，光耦器件的可靠性預(yù)計(jì)模型為：

其中: λb為光耦器件的基本故障率，查表可知數(shù)值為0.013；πT為溫度因子，按照40℃預(yù)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)光耦器件所處的環(huán)境溫度，查表得到πT為1.6；根據(jù)器件的品牌質(zhì)量情況，供貨渠道的成熟度評(píng)估質(zhì)量因子πQ，由于未達(dá)到普軍級(jí)（JAN），選取等級(jí)為更低級(jí)（Lower），查表得到對(duì)應(yīng)值為5.5；πE為環(huán)境因子，由于此產(chǎn)品用于軌道交通，屬于地面移動(dòng)設(shè)備，對(duì)應(yīng)等級(jí)GM，查表得到對(duì)應(yīng)的πE數(shù)值為8.0。

圖3 異常輸入的故障樹Fig.3 Fault tree with abnormal input

表1 輸入口元器件的失效率及占比Table 1 Failure rate and proportion of component of input port

根據(jù)可靠性預(yù)計(jì)模型計(jì)算：

依照上述方法計(jì)算出其他各種器件的失效率。參照ΙEC 61709標(biāo)準(zhǔn)的附錄A 章節(jié)“器件的失效模式”，獲得各種器件典型失效模式占總失效率的百分比[13]。器件失效率計(jì)算結(jié)果和各失效模式的占比如表1所示。得到上述計(jì)算結(jié)果后更新故障樹，得出輸入口模塊的輸入異常表現(xiàn)為“高”的概率數(shù)值，結(jié)果如圖4所示，輸入口異常為“高”頂事件的故障率為4.78e-7次/ h。在獲得頂事件的故障率后，根據(jù)此故障率數(shù)值評(píng)估得到此輸入口的失效率水平是滿足系統(tǒng)分配給輸入口模塊的可靠性指標(biāo)要求的。

3.3 軟件的可靠性方法

保證軟件的可靠性需要從需求的分析入手，充分分析軟件功能模塊的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)安全關(guān)鍵功能采用必要的設(shè)計(jì)方法，包括開展冗余設(shè)計(jì)、健壯性設(shè)計(jì)，使用簡(jiǎn)化的模塊結(jié)構(gòu)，使用良好的編碼風(fēng)格，充分分析系統(tǒng)的資源分配和時(shí)序等。同時(shí)，對(duì)潛在的功能運(yùn)行錯(cuò)誤，采取必要的防錯(cuò)處理[14]。

保證軟件的正向設(shè)計(jì)可靠性的同時(shí)，還應(yīng)依據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則開展同行評(píng)審活動(dòng)，暴露軟件缺陷。通過由本領(lǐng)域的專家對(duì)軟件結(jié)構(gòu)、功能模塊及軟件代碼審核，可以有效地發(fā)現(xiàn)軟件缺陷。軟件的常規(guī)測(cè)試則包括靜態(tài)測(cè)試，白盒測(cè)試，黑盒功能測(cè)試及性能測(cè)試等，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)需求，充分理解軟件對(duì)硬件的操作行為，制定合理和充分的測(cè)試用例。通過軟件測(cè)試過程糾正不符合預(yù)期的結(jié)果，達(dá)到提高可靠性的目的。

圖4 異常輸入的故障率Fig.4 Failure rate of abnormal input

3.4 可靠性試驗(yàn)

在產(chǎn)品完成軟硬件集成后，應(yīng)通過系列的型式試驗(yàn)確認(rèn)系統(tǒng)是否符合產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格的要求，確保產(chǎn)品在已知的應(yīng)力及可試驗(yàn)的條件下，能夠按照預(yù)先的設(shè)計(jì)完成生命周期的服務(wù)功能。產(chǎn)品的確認(rèn)應(yīng)包括產(chǎn)品的運(yùn)行參數(shù)的確認(rèn)，邊界值條件下的功能及降級(jí)模式的確認(rèn)。高加速應(yīng)力試驗(yàn)是一種經(jīng)過檢驗(yàn)的可靠性增長(zhǎng)的有效方法，可以在短期內(nèi)快速激發(fā)產(chǎn)品缺陷，經(jīng)過進(jìn)一步的改善活動(dòng)，可以起到快速提高產(chǎn)品可靠性的作用[15]。

3.5 可靠性的閉環(huán)管理及增長(zhǎng)

盡管通過周密的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證能夠最大程度地減少產(chǎn)品使用后的失效，但是由于嵌入式系統(tǒng)涉及多學(xué)科，在制造過程中也會(huì)引入潛在缺陷，在使用過程中也會(huì)超出正常應(yīng)力，以致產(chǎn)品出現(xiàn)失效，因而產(chǎn)品上市后開展失效閉環(huán)管理實(shí)現(xiàn)可靠性的增長(zhǎng)非常有意義。開展可靠性增長(zhǎng)既可以改進(jìn)已發(fā)貨產(chǎn)品的可靠性，又能夠?qū)⑾嚓P(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于下一代產(chǎn)品的研制中。

實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)的主要工作包括分析失效原因，制定改進(jìn)措施，實(shí)施和監(jiān)控改進(jìn)措施，對(duì)產(chǎn)品失效形成閉環(huán)管理實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的增長(zhǎng)。應(yīng)對(duì)反饋的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總分析，根據(jù)故障現(xiàn)象，故障類型，失效點(diǎn)位，服役時(shí)間，原因分析及效果驗(yàn)證等數(shù)據(jù)形成產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)[16]。從數(shù)據(jù)庫(kù)中識(shí)別共性故障用于指導(dǎo)下一代產(chǎn)品的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)可靠性提升。

4 結(jié)論

本文探討了嵌入式系統(tǒng)的可靠性流程和方法?？煽啃怨こ虘?yīng)與系統(tǒng)工程同步開展，從分析產(chǎn)品的可靠性要求開始，制定可靠性目標(biāo)，進(jìn)而圍繞可靠性目標(biāo)開展的可靠性分配、預(yù)計(jì)等工作。系統(tǒng)地介紹了與可靠性工程有關(guān)的系統(tǒng)及軟硬件可靠性方法。此可靠性流程及方法應(yīng)用于軌道交通門系統(tǒng)控制器的研制工作中，對(duì)保障控制器的可靠性起到了指導(dǎo)作用。通過監(jiān)控和分析已發(fā)貨產(chǎn)品的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在正常檢修過程中進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了可靠性的增長(zhǎng)。