基于功能单元的电路网络可靠性分析.pdf

引用格式:郭美祺.基于功能单元的电路网络可靠性分析.航空计算技术():.():.基于功能单元的电路网络可靠性分析郭美祺(航空工业西安航空计算技术研究所陕西 西安)摘 要:随着电子技术集成化的发展电路的集成度和复杂度提高电路结构逐渐向模块化、网络化发展其内部元器件对电路系统可靠性的影响已不能用单一的串并联模型进行分析 各器件实现连通是电路正常进行信号传递的基础因此以连通可靠性作为指标以电路功能模块作为网络基本单元提出一种电路可靠性分析方法 方法在简化电路网络的同时能够分析不同可靠性水平的器件对电路本身的可靠性影响 其具体分为以下步骤:)基于功能模块的电路网络建模及节点失效率计算)网络可靠性精确/近似计算及分析)不同质量等级器件对电路整体可靠性的影响分析 这些过程运用于具体电路网络案例证明了方法的可行性关键词:电路网络功能单元可靠性分析连通可靠性中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:)/).:引言随着科技的发展电子系统正向规模大、集成度高、数字化的方向进步 电子系统内部元器件种类、数量都急剧上升 电路内部元器件的故障会影响整个电路系统的工作 在电子电路的可靠性水平上一方面高质量元器件的选用能够提升电路整体可靠性但不同器件的质量提升为系统整体提升带来的效益不同另一方面在电路设计中器件的冗余设计可以提升电路的使用可靠性为建立器件与系统之间的可靠性关系越来越多的研究者开始关注电路可靠性分析 简单电路一般采用可靠性框图法()进行建模以描述元器件与电路之间的可靠性关系 文献 利用贝叶斯网络以门电路为基本单元画出有向无环图并利用此建立电路的条件概率分布以此推算出针对软差错的电路可靠度 等基于深度自动编码器以门电路基本单元对电路进行可靠性预计 这两种方法应用于集成电路中其计算复杂度会随元器件个数门电路收稿日期:修订日期:基金项目:国家科技重大专项项目资助()作者简介:郭美祺()女陕西西安人工程师硕士第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .数量的增加而成指数级增长 随着电子电路的复杂化发展数字电路开始具有复杂网络特征 文献 对电路建立等效网络模型利用复杂网络理论通过计算图的特征参数衡量电子电路的可靠性和抗毁性分析其实质是描述拓扑图的静态特征并不考虑各节点本身的状态改变 考虑到电子系統中实际应用的混合电路越来越趋于“大数字小模拟”即数字电路所占的比例越来越大封装成型的数字电路形成了明显的功能分区而模拟电路多是以功能划分模块 欧阳丹彤等在电路诊断中提出了复杂网络划分思想将电路元器件分为基本元件、多输入元件和起始元件以起始元件分块并进行电路分块诊断本文拟针对电路中元器件可靠性水平如何影响整个电路可靠性的问题展开研究 为了在考虑元器件级可靠性的基础上简化电路网络模型提出一种基于功能单元划分的电路网络可靠性分析方法 该方法能够减少网络中节点的个数进而简化整个网络规模同时该方法基于各个元器件的可靠性对电路整体可靠性进行计算便于后续对元器件可靠性变化为电路整体带来的影响进行分析 具体内容如下:)以电路内部最小功能单元对电路进行节点划分提出元器件与电路网络之间的可靠性建模方法)提出电路网络可靠度的精确算法以及近似算法并进行不同器件质量等级变化对系统的影响分析 电路网络可靠性分析方法.电路网络建模本文以电路功能模块为基本单元构建电路网络模块内部元器件为串联模型即功能模块内任一元器件失效即看作节点失效)对于数字集成电路其本身及其外围电路元器件可看作一个功能模块)对于模拟功能电路根据其本身电路功能划分网络拓扑抽象过程是对节点、链路及网络连接关系的提取需要注意保留节点链路的某些属性特征(如是否有向是否有源、有汇等)根据网络节点等效方法通过把电路中的功能模块等效为网络的节点将连接各个节点之间的连接线等效为有向/无向边就可以得到电路的网络模型 一般以邻接矩阵全面刻画节点之间的相连关系 根据电路网络模型 中各节点间的连接关系可以得到其所对应的网络邻接矩阵 邻接矩阵 中元素 值的定义如下:节点 到节点 有链路连接 节点 到节点 无链路连接().节点链路的失效率计算节点的失效率计算包含内部元器件失效率预计及节点整体失效率计算)元器件失效率计算可靠性预计是在电子产品的设计阶段以应力分析为基础对元器件可靠性进行估计的一种方法 元器件在稳定使用的时候处于浴盆曲线的平稳阶段其可靠度可看作指数分布失效率为常数 而影响该失效率的因素包括元器件环境系数、质量系数、温度应力系数、电应力等 可靠性预计以大量统计数据为基础建立电子设备的故障率与各种因素之间的关系的协变量模型通过选择相应的失效率计算式及各参数的取值以估计元器件的可失效率 其中根据元器件质量等级的不同其质量系数的选择也有所不同)节点失效率计算本文中节点主要由单片集成电路和外围电路组成根据.节所述节点失效模型满足 串联模型因此节点失效率为其包含所有器件的失效率之和.电路网络可靠性分析方法.连通可靠性参数“连通可靠性”考虑元器件之间存在连通路径的概率而各节点之间的互联互通是电路进行信号传输的基础 网络拓扑根据是否有源节点可分为有源网络和无源(即多源)网络两种形式二者的连通可靠性参数有所不同 无源网络连通可靠性参数包括:)两端可靠度是指维持网络中两个端点之间连接的概率其反应网络中两个节点间至少存在一条通路的概率)端可靠度指网络中 个端点之间保持连通的概率即在网络中 是网络中所有端点集合中的每个端点之间存在至少一条路径的概率)全端可靠性是指整个网络的所有端点保持连接的能力即在网络的所有端点集 中的每个端点之间存在至少一条路径的概率与无源网络相比有源网络源点固定其连通可靠度参数根据汇点不同分为以下三种:)可靠度指网络的源点 和终点 保持连通的概率)可靠度指网络的源点 与特定的端点集()保持连通的概率)可靠度指网络的源点 保持与网络中所有其他节点连通的概率.网络连通可靠度计算方法由于网络可靠度计算方法种类繁多因此这里针对复杂程度不同的网络化控制系统归纳和总结两类 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期计算方法)简单网络对象对结构简单的网络可以利用图变换法、不交积和法、容斥原理法等方法对网络可靠度进行计算以典型精确算法不交积和法为例其主要思想是:将网络连通这一总事件的发生概率为其分解的几个不交事件的概率和 其计算步骤如下:确定该网络所求节点范围列出使这些节点相互连通的最小路集分别记为 则这些最小路集连通的概率是其包含的网络部件可靠的概率乘积:由最小路集确定出所有的不相交事件记为 其中:计算各不相交事件 的发生概率 :网络可靠度为各不相交事件的概率和即 )复杂网络的连通可靠性算法对结构复杂的网络由于连通可靠性精确算法存在的 难问题可以采用定界法或蒙特卡洛仿真法来计算网络可靠度 其中蒙特卡洛法由于不受问题维度限制在网络可靠性研究中广泛应用 其主要思想是建立一个包含参数的概率模型或随机过程使它的参数等于问题的解通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征最后给出所求解的近似值 这是一种近似的估计算法其准确性依赖于样本量和生成数的随机性 案例应用.案例介绍本文采用某数据传输监控系统作为案例对象进行可靠性分析 该系统的主要功能是实现与主平台的数据与控制参数传递 其主要功能单元分为:)系统的主处理器及其复位电路)挂载在 的 地址空间 连接 与接口模块)程序存储器)数据存储器)存储器其为防止数据错误可进行检二纠一校验)接口电路其进行主平台与 之间的连接 该系统的功能原理如图 所示 根据功能节点划分该电路网络拓扑图如图 所示.案例网络可靠性分析.节点失效率该案例中假设链路失效率为 节点失效率采用元器件应力预计法对各部件内的元器件失效率进行预计 如:为高质量等级微处理器芯片结温一般为 根据进口器件失效率计算公式预计为:()(.)./图 某数据传输监控系统功能原理图图 某数据传输监控系统网络拓扑图各节点包含元器件型号、个数及失效率如表所示表 各节点元器件型号表节点编号 元器件型号个数失效率/节点失效率/逻辑电路电容器电阻器.存储器.存储器电阻器.存储器电阻器.存储器.总线驱动总线控制器脉冲变压器晶振电阻器.接口器件.接口器件.主平台 年 月郭美祺:基于功能单元的电路网络可靠性分析 .网络可靠度计算该案例为有向网络其主要工作为将 的数据传输入存储器中并通过 及接口电路传入主平台同时主平台需要通过接口电路传输指令给 因此该网路需保证 与 双向连通且 节点与 节点双向连通 因此该电路网络可靠度选用 可靠度作为参数进行表示 这里分别采用不交积和法和蒙特卡洛仿真法来计算网络在 (年)的可靠度)不交积和法不交积和法其具体步骤如下:枚举法列出网络最小路集如下:因此该网络由最小路集可得知在该网络拓扑图中共有 个不相交事件:因此该网络可靠度 为这些不相交事件的概率和:().为节点 在时刻 下的可靠度其服从指数分布:计算得网络可靠度 .)蒙特卡洛仿真法蒙特卡洛仿真法具体步骤如下:画出网络邻接矩阵进行网络拓扑建模其邻接矩阵如下:生成 之间的随机数并根据这些随机数通过反函数法、直接编程法等产生符合各节点链路失效分布的故障时间随机变量:将上述抽样得到的故障时间排序依次使其对应的节点失效并得到新的邻接矩阵 根据 计算网络可达矩阵 :初始网络故障次数 根据可达矩阵 判断节点 与 之间是否相互连通当网络第一次不满足连通条件时记当前时间为网络故障时间 若 则记网络在规定时间内故障此时 :上述步骤循环 次仿真在此基础上计算近似的网络连通可靠度 /蒙特卡洛仿真循环次数为 次计算结果.)误差分析由于单次仿真结果 服从二项分布()根据中心极限定理:()因此在 .的条件下其误差为:().由于.可以看出仿真值和精确值之间的误差在合理范围内 因此认为该计算结果正确.器件质量等级影响分析不同可靠性水平的器件选用会影响电路整体可靠度 现对电路内器件改变其失效率并分别计算电路连通可靠度 这里对、以及所有电阻分别选用不同失效率等级条件下对电路在 下的可靠度依照.节所述方法进行分析结果如表 所示表 不同失效率等级器件下电路可靠度对比元器件型号失效率/电路可靠度失效率/电路可靠度.可以看出在以上三款器件中 对整体电路可靠性的影响最大应优先保证其选用高质量器件 结论本文提出了一个基于功能划分的电路网络定量可靠性分析方法 其包括:)功能节点可靠性计算 在元器件层面利用可靠性预计方法计算器件级失效率并通过串联模型计算功能节点失效率)采用精确/近似算法进行网络可靠性分析该方法可以在考虑元器件失效率的基础上简化电 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期路网络模型对电路网络进行可靠性建模 利用该方法可以进行不同可靠性水平的器件对电路可靠性的影响分析为元器件的选用及电路的设计提供参考参考文献:.:.:.张小力王勉.防溜车控制系统的微机触发电路设计及可靠性分析.机械工程与自动化():.欧阳城添陈莉莉王曦.高层次时序电路可靠度估计方法研究进展.计算机科学():.:.:.范博.集成电路物理设计过程中复杂网络特征演化.青岛:青岛理工大学.陈勇俊.基于单片机的电梯门故障预警系统的研究及可靠性分析.广州:华南理工大学.王培培.基于复杂网络的 核电路及安全性分析.青岛:青岛理工大学.欧阳丹彤刘伯文刘梦等.结合电路结构基于分块的诊断方法.电子学报():.陈志昂.邻接矩阵下有向复杂网络的能控性研究.青岛:青岛大学.冯海林.网络系统中可靠性问题的研究.西安:西安电子科技大学.李瑞莹党炜.一种新的有源网络可靠性参数及其算法.江苏大学学报(自然科学版)():.:./.张宏财宣浩肖文光.基于 的某星载有效载荷监控系统设计.电子产品世界():.(上接第 页)图 条件下子卡功能正常 结束语对 网络模块产品 条件下偶发通信中断或数据传输错误问题进行原因分析查明了故障原因是由于模块.供电电源滤波电容在 条件下等效 电阻值偏大超出了电源转换芯片要求的滤波等效电阻值导致.电源纹波过大使得差分晶振频率输出异常造成 网络通信数据传输错误 通过更换低 值同型钽电容可以彻底解决 网络低温偶发通信故障为了有效剔除低温条件下同类故障对测试工装进行优化改进将传统的自环测试方法改为两个模块产品之间的对传测试该测试方法更加符合用户航电 网络通信原理并将该测试工装对传测试方法应用于其他同类课题测试工装改进中解决了实际工程应用中的现实问题提高了产品交付质量参考文献:武华邓发俊杨媛媛.基于 的多 子卡测试设备的设计与实现.电子技术数码世界():.刘陈.网络可靠性研究综述.电子技术():.李斌季雷.基于 的可靠传输协议.航空计算技术():.胡辛李红军曹闹昌等.航空电子总线技术研究.现代电子技术():.胡益诚张晓曦代明清等.基于 与 的信号采集系统设计.信息通信():.董卫珍衡总张磊磊等.基于 的多通道采集传输模块的设计.电子技术与软件工程():.赵琳李健.一种航电系统 网络管理系统研究与设计.电脑知识与技术():.年 月郭美祺:基于功能单元的电路网络可靠性分析