集成电路可靠性设计范文
时间：2023-10-11 17:24:50
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篇1
关键词：半导体可靠性设计
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
中图分类号： O471 文献标识码：A文章编号：
1. 可靠性设计应遵循的基本原则
（1）必须将产品的可靠性要求转化成明确的、定量化的可靠性指标。
（2）必须将可靠性设计贯穿于产品设计的各个方面和全过程。
（3）从国情出发尽可能地采用当今国内外成熟的新技术、新结构、新工艺。
（4）设计所选用的线路、版图、封装结构，应在满足预定可靠性指标的情况下尽量简化，避免复杂结构带来的可靠性问题。
（5）可靠性设计实施过程必须与可靠性管理紧密结合。
2. 可靠性设计的基本依据
（1）合同书、研制任务书或技术协议书。
（2）产品考核所遵从的技术标准。
（3）产品在全寿命周期内将遇到的应力条件（环境应力和工作应力）。
（4）产品的失效模式分布，其中主要的和关键的失效模式及其机理分析。
（5）定量化的可靠性设计指标。
（6）生产（研制）线的生产条件、工艺能力、质量保证能力。
3. 设计前的准备工作
（1）将用户对产品的可靠性要求，在综合平衡可靠性、性能、费用和研制（生产）周期等因素的基础上，转化为明确的、定量化的可靠性设计指标。
（2）对国内外相似的产品进行调研，了解其生产研制水平、可靠性水平（包括产品的主要失效模式、失效机理、已采取的技术措施、已达到的质量等级和失效率等）以及该产品的技术发展方向。
(3) 对现有生产（研制）线的生产水平、工艺能力、质量保证能力进行调研，可通过通用和特定的评价电路，所遵从的认证标准或统计工艺控制（SPC）技术，获得在线的定量化数据。
4. 可靠性设计程序
（1）分析、确定可靠性设计指标，并对该指标的必要性和科学性等进行论证。
（2）制定可靠性设计方案。设计方案应包括对国内外同类产品（相似产品）的可靠性分析、可靠性目标与要求、基础材料选择、关键部件与关键技术分析、应控制的主要失效模式以及应采取的可靠性设计措施、可靠性设计结果的预计和可靠性评价试验设计等。
（3）可靠性设计方案论证（可与产品总体方案论证同时进行）。
（4）设计方案的实施与评估，主要包括线路、版图、工艺、封装结构、评价电路等的可靠性设计以及对设计结果的评估。
（5）样品试制及可靠性评价试验。
（6）样品制造阶段的可靠性设计评审。
（7）通过试验与失效分析来改进设计，并进行“设计－试验－分析－改进”循环，实现产品的可靠性增长，直到达到预期的可靠性指标。
（8）最终可靠性设计评审。
（9）设计定型。设计定型时，不仅产品性能应满足合同要求，可靠性指标是否满足合同要求也应作为设计定型的必要条件。
（1）线路可靠性设计。
线路可靠性设计是在完成功能设计的同时，着重考虑所设计的集成电路对环境的适应性和功能的稳定性。半导体集成电路的线路可靠性设计是根据电路可能存在的主要失效模式，尽可能在线路设计阶段对原功能设计的集成电路网络进行修改、补充、完善，以提高其可靠性。如半导体芯片本身对温度有一定的敏感性，而晶体管在线路达到不同位置所受的应力也各不相同，对应力的敏感程度也有所不同。因此，在进行可靠性设计时，必须对线路中的元器件进行应力强度分析和灵敏度分析（一般可通过SPICE和有关模拟软件来完成），有针对性地调整其中心值，并对其性能参数值的容差范围进行优化设计，以保证在规定的工作环境条件下，半导体集成电路整体的输出功能参数稳定在规定的数值范围，处于正常的工作状态。
线路可靠性设计的一般原则是：1）线路设计应在满足性能要求的前提下尽量简化；2）尽量运用标准元器件，选用元器件的种类尽可能减少，使用的元器件应留有一定的余量，避免满负荷工作；3）在同样的参数指标下，尽量降低电流密度和功耗，减少电热效应的影响；4）对于可能出现的瞬态过电应力，应采取必要的保护措施。如在有关端口采用箝位二极管进行瞬态电压保护，采用串联限流电阻限制瞬态脉冲过电流值。
（2）版图可靠性设计。
版图可靠性设计是按照设计好的版图结构由平面图转化成全部芯片工艺完成后的三维图像，根据工艺流程按照不同结构的晶体管（双极型或MOS型等）可能出现的主要失效模式来审查版图结构的合理性。如电迁移失效与各部位的电流密度有关，一般规定有极限值，应根据版图考察金属连线的总长度，要经过多少爬坡，预计工艺的误差范围，计算出金属涂层最薄位置的电流密度值以及出现电迁移的概率。此外，根据工作频率在超高频情况下平行线之间的影响以及对性能参数的保证程度，考虑有无出现纵向或横向寄生晶体管构成潜在通路的可能性。对于功率集成电路中发热量较大的晶体管和单元，应尽量分散安排，并尽可能远离对温度敏感的电路单元。
（3）工艺可靠性设计。
为了使版图能准确无误地转移到半导体芯片上并实现其规定的功能，工艺设计非常关键。一般可通过工艺模拟软件（如SUPREM等）来预测出工艺流程完成后实现功能的情况，在工艺生产过程中的可靠性设计主要应考虑：1）原工艺设计对工艺误差、工艺控制能力是否给予足够的考虑（裕度设计），有无监测、监控措施（利用PCM测试图形）；2）各类原材料纯度的保证程度；3）工艺环境洁净度的保证程度；4）特定的保证工艺，如钝化工艺、钝化层的保证，从材料、工艺到介质层质量（结构致密度、表面介面性质、与衬底的介面应力等）的保证。
（4）封装结构可靠性设计。
封装质量直接影响到半导体集成电路的可靠性。封装结构可靠性设计应着重考虑：1）键合的可靠性，包括键合连接线、键合焊点的牢固程度，特别是经过高温老化后性能变脆对键合拉力的影响；2）芯片在管壳底座上的粘合强度，特别是工作温度升高后，对芯片的剪切力有无影响。3）管壳密封后气密性的保证；4）封装气体质量与管壳内水汽含量，有无有害气体存在腔内；5）功率半导体集成电路管壳的散热情况；6）管壳外管脚的锈蚀及易焊性问题。
（5）可靠性评价电路设计。
为了验证可靠性设计的效果或能尽快提取对工艺生产线、工艺能力有效的工艺参数，必须通过相应的微电子测试结构和测试技术来采集。所以，评价电路的设计也应是半导体集成电路可靠性设计的主要内容。一般有以下三种评价电路：1) 工艺评价用电路设计。主要针对工艺过程中误差范围的测定，一般采用方块电阻、接触电阻构成的微电子测试结构来测试线宽、膜厚、工艺误差等。2) 可靠性参数提取用评估电路设计。针对双极性和CMOS电路的主要失效模式与机理，借助一些单管、电阻、电容，尽可能全面地研究出一些能评价其主要失效机理的评估电路。3) 宏单元评估电路设计。针对双极型和CMOS型电路主要失效模式与机理的特点，设计一些能代表复杂电路中基本宏单元和关键单元电路的微电子测试结构，以便通过工艺流程研究其失效的规律性。
6. 可靠性设计技术
可靠性设计技术分类方法很多，这里以半导体集成电路所受应力不同造成的失效模式与机理为线索来分类，将半导体集成电路可靠性设计技术分为：1）耐电应力设计技术：包括抗电迁移设计、抗闩锁效应设计、防静电放电设计和防热载流子效应设计；2）.耐环境应力设计技术：包括耐热应力、耐机械应力、耐化学应力和生物应力、耐辐射应力设计；3）稳定性设计技术：包括线路、版图和工艺方面的稳定性设计。
篇2
【关键词】裸芯片；电老炼；质量控制
1.引言
工程使用大量的元器件，元器件的可靠性已成为工程可靠性的基础。随着型号产品轻量化、小型化的发展趋势，组件、混合电路的应用日益普及[1]。组件、混合电路内部往往使用数量不等的裸芯片，常见的裸芯片类型主要有二、三极管，集成电路，电容等。电老炼是剔除存在早期失效缺陷的元器件的最有效的方法，但由于受到技术、资金等因素的制约，国内外特别是国内半导体生产厂往往缺少对裸芯片进行电老炼的手段。因此装入工程使用的组件、混合电路的裸芯片未经过电老炼环节，组件、混合电路的电老炼应力又不能满足剔除装入其中的存在早期失效缺陷裸芯片的要求。裸芯片的质量与可靠性已成为制约型号产品可靠性的瓶颈，所以有必要对裸芯片的质量控制方法进行研究[2]。
2.国内外裸芯片的质量控制现状
目前国内外裸芯片的质量控制主要有两种模式：
（1）KGD芯片的质量控制[3]
KGD（Know Good Die，已知良好芯片）芯片是经过测试、电老炼筛选等质量控制环节的芯片，从理论上说此类芯片在装入组件、混合电路时已剔除了存在早期失效缺陷的产品，从可靠性角度看已进入相应质量等级的浴盆曲线底部。
KGD芯片进行电老炼采用两种方法：
①分立芯片电老炼。其特点是使用临时封装的载体夹具对划化片后的单个芯片进行电老炼，使用灵活，适合批量不大的产品。
②晶圆级电老炼。其特点是对整个晶圆进行电老炼，费用教高，适合大批量生产，在有足够的需求批量条件下采用。
国外有专门对裸芯片进行电老炼的设备，如美国AEHR公司生产的FOX系列产品。
虽然KGD芯片的质量与可靠性具有很大优势，但KGD芯片的电老炼环节所需要的技术高、费用昂贵，因此受到资金、技术等因素的制约，国内半导体生产厂缺少对裸芯片进行电老炼的手段，很难提供KGD芯片。
（2）测试芯片的质量控制
测试芯片经过晶圆级探针的测试环节，有时辅以晶圆级的高温贮存和抽样封装进行电老炼和寿命试验等评价考核试验。对于型号工程，国内半导体器件裸芯片生产厂一般采用此种方法提供裸芯片。但是由于装入组件、混合电路的芯片未经过电老炼筛选，芯片抽样封装进行的评价考核试验不能完全反映装机时芯片的可靠性水平，因此此类芯片的质量与可靠性水平具有不确定性。
3.国产裸芯片的质量控制方法
从以上分析可以看出，目前国内半导体器件生产厂缺少对裸芯片进行电老炼的手段，提供的裸芯片往往具有存在早期失效缺陷的产品，而目前对裸芯片质量与可靠性的评价是抽样性质的（如GJB2438《混合集成电路通用规范》），不能完全反映装机时芯片的可靠性水平。产品的质量与可靠性是由设计、生产决定的，因此对工程产品使用的裸芯片的质量控制应从设计、生产工艺控制到芯片测试筛选，可靠性评价考核试验等全过程进行。
（1）设计阶段控制
裸芯片的质量控制必须从设计阶段抓起。设计阶段控制主要通过可靠性设计、模型验证、设计规则验证等环节实施，力求最大程度上消除因设计不当造成的质量与可靠性问题。
（2）生产工艺过程阶段控制
生产工艺过程控制主要通过以下方面进行：
（a）过程识别文件（PID）的建立；
（b）统计过程控制（SPC）技术的实施；
（c）工序能力指数CPK的提高。非关键工序的CPK≥1.33，关键工序的CPK≥1.5。
通过以上环节的控制，力求最大程度上消除因生产过程不当造成的质量与可靠性问题。
（3）芯片测试筛选
（a）晶圆级测试筛选按下表规定100%进行。
顺序 筛选项目 试验条件
1 高温贮存 +（125±2）℃，96小时，N2气氛
2 温度循环 -（55±3）℃）～+（125±2）℃，恒温时间不少于30分钟，转换时间不超过1分钟，10次循环
3 常温测试 按产品详细规范，对关键参数规定一致性的要求
4 内部镜检 集成电路按GJB548内部目检的条件A的规定；分立器件按GJB128的内部目检的规定。
注：对PDA规定控制要求。
（b）划片后的芯片镜检
产品按集成电路按GJB548内部目检的条件A的规定；分立器件按GJB128内部目检的规定。
（4）可靠性评价考核试验[4]
每批次晶圆应进行可靠性评价考核试验。
（a）可靠性评价考核试验的SEM检查
从每批次的每一晶圆片中选取5个芯片（每1/4扇面和中心各选取1个），每批次的全部晶圆中取得的芯片进行SEM检查，按GJB128（适用于半导体分立器件）、GJB548（适用于集成电路）有关规定，检查一般金属化层、钝化层台阶、钝化层。合格判定数（c）为0。
（b）可靠性评价考核试验的筛选和质量一致性检验
从每批次的每一晶圆片中至少选取5个芯片（每1/4扇面和中心各选取至少1个）进行封装，应保证可靠性评价考核试验的筛选合格品的数量满足可靠性评价考核试验的质量一致性检验的要求。
①产品按下表规定100%进行可靠性评价考核试验的筛选。
表1 可靠性评价考核试验的筛选
顺序 筛选项目 试验条件
1 常温测试 +（25±5）℃
2 高温贮存 +（125±2）℃，96小时
3 温度循环 -（55±3）℃～+（125±2）℃，恒温时间不少于30分钟，转换时间不超过1分钟，10次循环
4 恒定加速度 Y1方向，20000g，至少1分钟
5 电老炼前电性能测试 +（25±5）℃
6 电老炼 分立器件：常温；集成电路：+（125±2）℃；240小时
7 电老炼后电性能测试 按产品详细规范，对关键参数规定参数变化量的要求
8 高温测试 +（125±2）℃，按产品详细规范，对关键参数规定一致性的要求
9 低温测试 -（55±3）℃，按产品详细规范，对关键参数规定一致性的要求
注：对不合格品应进行失效分析。如内引线在芯片键合区失效，该批次晶圆作拒收处理。PDA实行一定的控制要求。
②可靠性评价考核试验的质量一致性检验
按下表规定进行质量一致性检验考核，采用零失效方案。
表2 质量一致性检验
试验项目 试验条件或要求 抽样标准 备注
稳态寿命 Ta=+（100±3）℃，1000小时，加电，其余按产品详细规范 45（0） 对关键参数规定一致性的要求
4.结束语
对裸芯片进行质量控制是保证工程产品可靠性的一个关键环节。针对国内半导体器件生产厂不能对裸芯片进行电老炼的现状，本文通过对裸芯片的设计阶段控制、生产工艺过程控制、芯片测试筛选、可靠性评价考核试验等环节，对面向工程应用的国产裸芯片的质量控制方法进行了初步探索研究。
参考文献
[1]张欣.浅析电子产品制造业中的库存管理[J].电子世界，2013（2）：17-18.
[2]黄云，恩云飞，师谦，等.KGD质量和可靠性保障技术[J].半导体，2005，30（5）：40-43.
[3]思云飞，黄云.KGD技术发展与挑战[J].电子质量，2003 （9）：2-4.
[4]罗雯，魏建中，阳辉，等.电子元器件可靠性试验工程[M].北京：电子工业出版社，2005.
作者简介：
篇3
关键词:故障诊断 模拟电路 神经网络
随着模拟电子技术的飞速发展,电子电路集成化程度和制版工艺逐渐提高,电路的功能化和模块化趋势日益明显,元件的密集度不断增加,从而导致电路内部可及节点越来越少,甚至有些电路内部不存在可及节点,这给模拟电路的检测和故障诊断技术提出了新的挑战. 虽然传统的交流故障字典法可以利用外部端口测试的方法完成故障诊断,但该方法需要改变测试激励的频率作多次测试,诊断过程复杂,测试时间较长。 因此,如何利用模拟电路有限的可及节点快速、有效诊断模拟电路内部的故障是该领域内亟待解决的问题。
1.模拟电路故障诊断技术的现状
在模拟电路发生故障后, 要求能及时将故障诊断出来,以便检修、调试、替换。对某些用于重要设备的模拟电路, 还要求能进行故障预测, 也就是对电路在正常工作时的响应作持续不断的监测, 以确定哪些元件将要失效, 以便在故障发生前把那些将要失效的元件替换掉, 以避免故障发生。所有这些, 通常的人工诊断技术已无法满足需要, 因而, 模拟电路故障的自动智能诊断成为一个亟待解决的问题。
模拟电路故障诊断的发展并不理想, 造成这种现象的原因大致有以几个方面。
(1) 模拟电路的故障现象往往十分复杂, 任何一个元件的参数变值超过其容差时就属故障, 因此模拟电路的故障状态是无限的, 故障特性是连续的。
(2) 模拟电路的输入―输出关系比较复杂, 即使是线性电路, 其输出响应与各个元件参量之间的关系也往往是非线性的, 何况许多实际电路中还存在着非线性元件。
(3) 虽然模拟电路中非故障元件的参数标称值是已知的, 但具体电路的实际值会在其标称值上下作随机性的变动, 一般并不正好等于其标称值。另外, 模拟电路有的一些复杂因素, 诸如元件非线性的表征误差、测试误差等等, 也会给诊断带来很大因难。
2.智能故障诊断
将智能手段引入诊断过程中后,常常单一应用神经网络或专家系统,不能有效的解决故障诊断中许多不确定因素,影响故障诊断的准确性,无法大规模投入使用。故将模糊技术、专家系统和神经网络有机地结合,进行优势互补,寻求以集成智能为核心的诊断方法。
系统主要由模糊处理、神经网络和专家系统子系统及结果融合等组成,采集数据首先输入到模糊处理模块进行模糊处理,然后送人工神经网络模块进行推理,而专家系统以神经网络的输出结果为依据进行反向不确定性推理,同时记录推理轨迹。两套推理系统的输出结果可能不相符,故需要将推理结果进行融合处理以提高诊断的可靠性,再根据融合结果检索操作指导数据库得到指导信息,最后得到诊断结论。
神经网络从样本中学习有效信息并应用于快速推理,但其诊断结论中难免存在干扰甚至错误;而专家系统诊断可靠,但系统完善困难,有时诊断正确而输出可能低于阈值,造成漏诊。因此,两个系统的诊断结论需要进行融合处理,提高整个系统的综合诊断性能。
3.结束语
在实际应用中, 经常综合应用多种故障诊断方法, 这样可以充分发挥出各种故障诊断方法的优势, 弥补单一诊断方法的不足。
参考文献:
[1] 杨士元. 模拟系统的故障诊断与可靠性设计[M]. 北京:清华大学出版社, 1993.
[2] 申华. 集成电路可测性设计中网表的解析与实现[J ] .中国集成电路,2007 ,97 (6) : 54 - 57.
[3] 孙增圻. 智能控制与技术[M]. 北京: 清华大学出版社,2000.
[4] 朱大奇. 电子设备故障诊断原理与实践[M]. 北京:电子工业出版社, 2004.
篇4
关键词：单片机；干扰；耦合；电磁兼容
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0023-01
1 概述
基于单片机应用构建的微机测控系统所处的环境较为恶劣和复杂，要求测控系统能可靠、安全运行。在实际应用中，受来自测控系统内部和外部的各种电气干扰以及系统结构设计、元器件选用、制造工艺和外部环境条件等因素影响，可能造成数据采集误差加大、控制状态失灵、数据受干扰发生变化、程序运行失常等不良后果。从分析系统干扰模型入手，在系统技术设计中，通过抑制干扰源、破坏干扰的耦合通道并对敏感电路进行重点保护，以达到消除干扰，提高系统可靠性和安全性的目的。根据系统组成和使用环境，针对系统硬件和软件，可采取多种抗干扰措施，开展产品研制工作。
2 干扰模型
形成干扰的基本要素有三个：（1）干扰源。指产生干扰的元件、设备或信号，如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源，具体表现为：du/dt，di/dt量值较大。（2）传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。（3）敏感器件。指容易扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。
干扰模型组成如图1所示。
3 基本措施
元器件方面，在降额使用的前提下，遵循如下选用原则：①选用集成度较高的元器件，能选用集成芯片就不用分离元件，能选用大规模集成芯片就不选用小规模集成芯片；②选用寄生效果小的无引脚表面贴装元件，其次是放射状引脚元件，最后是轴向平行引脚元件；③电阻器的选择，从阻值范围、电阻温度系数、比功率、工作稳定性、噪声、可靠性等性能指标比较选择合适的电阻器结构类型，如金属膜电阻、碳膜电阻、合成电阻及线绕型电阻。
电路方面，一是采用滤波器技术，在抗干扰技术中使用最多的是低通滤波器，可根据信号源的内阻和负载阻抗来选择滤波器的结构形式；二是采用去耦电路设计，在电路中适当地配置去耦电容，提供和吸收集成电路开门和关门瞬间的充放电能量，并旁路掉器件的高频噪声；三是采用隔离技术，从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，仅保持信号联系，不发生电的联系，常用的隔x方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。
4 应用实务
对于由主机单元、测量单元、后向通道接口单元、人机对话单元、通讯控制单元、数字信号传输单元、电源单元及软件等组成的单片机测控系统，可在系统硬件和软件设计中采取适用的抗干扰措施。
4.1 硬件抗干扰设计
根据系统硬件构成特点，主要就主机单元和数字信号传输单元的抗干扰设计进行阐述。主机单元即单片机最小应用系统，主机单元的抗干扰设计涉及时钟电路配置、总线电路的抗干扰设计，RAM数据掉电保护等。时钟信号不仅是受噪声干扰最敏感的部位，同时也是CPU对外发射辐射干扰和引起内部干扰的噪声源。因此，在满足系统功能要求的前提下，应尽量降低时钟频率将有助于提高整个系统的抗干扰性能。
4.2 软件抗干扰设计
通过软件系统的可靠性设计，达到最大限度地降低干扰对系统工作的影响，确保单片机及时发现因干扰导致程序出现的错误，并使系统恢复到正常工作状态或及时报警的目的。主要方法有：开机自检、软件陷阱（程序“跑飞”检测）、软件“看门狗”等。
篇5
引言
物联网时代，物联网系统中的嵌入式系统对互联网开放。本质可靠的嵌入式系统有可能遭遇互联网病毒或恶意入侵的攻击事件而出现安全问题，这是物联网时代嵌入式系统面临的新挑战。在物联网系统的安全架构中，有一个明显的非安全入侵界面，设立归一化安全交互通道、实现交互通道界面的安全管理，是物联网系统中嵌入式系统安全性设计的重要原则。
1电子系统的智能化与集群化
我们从电子系统的时代变革中，可以明显看出电子系统的智能化、集群化趋势。传统电子系统，是孤立的泛性产品系统（没有归一化内核）；智能电子系统，是归一化微控制器内核基础上智能产品系统，并从单个产品走向集群（分布式集群、总线集群、局域网集群）；物联网电子时代的嵌入式系统，是普遍具有互联网接入功能的智能电子系统，有紧耦合与松耦合接入两种状态。松耦合的智能电子系统是一个独立的产品系统，通常在网下使用，需要时接入，如手机、桌面电脑、智能家电等；紧耦合的智能电子系统与互联网构成一个物联网应用系统，如市政交通管理系统、小区物业安全管理的实时监视电子系统。目前，传统电子系统基本被淘汰，智能电子系统与物联网电子系统会长期并存。与3个电子时代相对应的开发环境变迁，是产品开发的平台化与可靠性设计内容的变迁。传统电子时代是电子工程师单打独斗的时代，电子产品的功能性设计、低功耗设计、可靠性设计完全依靠电子工程师的聪明才智，由电子工程师独立完成。智能电子时代，产品硬件体系设计是电子工程师在微控制器、大规模集成电路的功能模块基础上的配置设计；产品的软件体系设计是集成开发环境、操作系统、计算机工程方法基础上的应用程序设计。微控制器、集成电路、集成开发环境、操作系统、计算机工程方法等，构成了形形的知识平台。这些平台不只是简单的知识集成，而是具有人工智能、可以代替人类个体脑力劳动的知识力量平台。例如，原先设计一个数据采集系统时，电子工程师必须了解模拟信号到数字信号的转换设计的知识与技术，如今，有了A／D转换芯片，便可省去电子工程师的这部分脑力劳动。又如，没有实时多任务操作系统时，电子工程师设计嵌入式程序时，必须认真考虑多任务系统程序的实时协调与管理，有了实时多任务操作系统，所有这些任务的协调与管理都由操作系统依靠协议自动实现。因此，智能电子时代的电子产品系统设计，进入到人工智能的平台化开发时代。与智力替代的平台开发模式相对应的是可靠性设计内容的变迁。传统电子系统的可靠性完全依靠电子工程师的精心设计。智能电子时代，电子系统的可靠性、安全性设计进入到智能化、平台化的设计时代，从而使智能电子系统的可靠性、安全性设计到达最高境界。物联网电子时代，智能电子系统对互联网开放，导致互联网中各种不安全因素对智能电子系统的入侵。因此，物联网电子系统安全性、可靠性设计的一个重要方法是对入侵窗口的管理设计。
2物联网系统的安全性架构
物联网安全体现在一个个具体的物联网系统中，进行物联网安全性设计时，应充分了解物联网系统的安全性架构。
（1）物联网与物联网系统
通常，人们用应用层、网络层、感知层来概括物联网。应用层描述了物联网应用中形形的物联网应用系统，人们通常论及的物联网都是一个个具体的物联网系统。早期，人们用应用层、网络层、感知层来描述物联网，缺失了控制层，在许多物联网系统中，控制层是必不可少的内容，我们可以用网络层、感知层与控制层来构建物联网系统模型。
（2）物联网系统模型
图1是一个由互联网与嵌入式集群系统构成的物联网系统最简模型。嵌入式集群系统通常都是一个嵌入式系统的局域网，互联网直接服务于物联网的网络层与管理层，每个局域网中的嵌入式应用系统都有可能直接与互联网相连。感知层、控制层由嵌入式系统构成，嵌入式局域网将它们联接起来，形成嵌入式集群系统。当这个嵌入式集群系统与互联网相连后，便构成一个具体的物联网系统。通常，嵌入式集群系统是一个安全、可靠的嵌入式系统局域网。接入互联网时，会出现新的可靠性、安全性问题，即互联网恶意入侵产生的安全性问题。在物联网系统模型中，它体现为一个非安全的入侵界面。
（3）物联网系统的安全性架构
从图1的模型可以看出，物联网系统是本质可靠的嵌入式系统与本质非可靠的互联网构成的交互系统。嵌入式系统与互联网可以有多个渠道交互（因为嵌入式系统都有独立的互联网接入功能），这些交互渠道都可能会带来可靠性、安全性问题。在嵌入式系统的高可靠性基础上，物联网系统安全性设计的重点是入侵界面的管控与感知层、控制层的安全防护设计。
3物联网系统的安全性设计原则
物联网应用系统中，许多安全性问题最终都会反映在嵌入式系统的感知层与控制层上。嵌入式系统的安全性问题是由互联网的安全性因素引起的。因此，最大限度地减少互联网对嵌入式系统的入侵渠道，是物联网应用系统安全性设计的重要原则。物联网应用系统的安全性设计模型如图2所示。物联网系统的安全性设计目标，是要建立一个归一化的安全性管理界面。所有交互行为都通过归一化界面进行管理，可以大大减少互联网的入侵渠道，有利于减少安全漏洞与实现系统安全性的集中管理，防止出现安全患。实现界面安全的防入侵管理是入口的验证环节设计。密码验证是最常使用的一种方法，还有数符密码与生物特征密码（指纹、掌纹、人脸、虹膜等）。除此以外，在交互中实时使用的校验码也是行之有效的方法。感知层、控制层的安全防护设计也是物联网系统安全设计的重要一环。感知层能迅速感知系统的应急状态，并即时启动系统的应急处理（关闭并进入安全状态）。2016年3．15晚会，恰逢谷歌“AlphaGo”掀起的人工智能热潮，央视在会上演示了让人惊心动魄的智能电子系统的安全漏洞。画面上演示了不法分子通过手中的设备侵入无人机系统，接管了无人机，而无人机机主无能为力；一位黑客在一户人家的外面成功入侵该住宅的Wi－Fi，并控制了该家庭的所有智能设备，包括智能洗衣机、烤箱和智能摄像头，可以让滚筒洗衣机空转、让烤箱的温度飙升到危险数值甚至引发火灾，让智能摄像头随意转动拍摄，偷窥用户的室内活动和隐私等。这些都是物联网时代嵌入式系统的安全隐患。嵌入式系统本身是安全可靠的，因为它是一个是封闭型的本质安全系统。多年来，家庭中的洗衣机、电冰箱、烤箱、微波炉、电视机等智能设备从来没有出现过上述的安全事故。只有嵌入式应用系统开放后，才会出现安全漏洞。上述安全事故是在智能设备接入Wi－Fi网络或互联网后，形成的非安全的入侵渠道所致。物联网系统中智能硬件的安全漏洞在于对互联网的开放，这个安全漏洞是可控的。只要减少互联网接入的通道数量，在这些接入通道中设立可靠的校验、准入管理环节，就能保证系统安全。
4物联网时代嵌入式系统面临的新挑战
篇6
关键词：监控系统；硬件电路板；可靠性
中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）06-0097-02
常规意义上的监控系统主要有硬件部分以及软件部分所构成。同时，在现阶段的实际工作当中，各种电子装置与设备监控系统所设置的电路板装配方式仍然以印刷电路板为主。在印刷电路板的作用之下，电路板负担着完成电子设备大量应用功能的工作任务。由此，不难发现，即便电路原理图能够保障设计的正确与有效，但由于印制电路板设计的误差，也势必会对整个电子设备应用的可靠性产生极为不利的影响。从这一角度上来说，电子设备监控系统中硬件电路板的可靠性设计是至关重要的工作内容之一，本文试对其作详细分析与说明。
1 监控系统硬件可靠性指标
在整个监控系统硬件当中，系统所对应的可靠性指标主要涉及以下几个方面：
①可靠度以及可靠度函数。可靠度指标主要是指产品在（0，t）时间范围之内不发生失效反应的概率，而可靠度函数则是建立在既定工作时间、产品故障前运行时间基础之上的函数关系。
②故障分布函数以及故障密度。故障分布函数主要是指产品在运行条件以及运行时间均表现为恒定状态下，丧失规定功能的总概率函数，而故障密度所指的则是在t时刻后的一个单位时间内，出现故障产品数与总产品数之间的对应比值。
③失效率函数。该指标主要是指在条件既定状态下，产品在某时刻后单位时间内出现失效的概率。
④平均寿命指标。对于不可修复的产品而言，该指标是指在产品发生故障之前所对应的工作时间。而对于可修复的产品而言，该指标是指在产品前一次发生故障与本次故障之间的工作时间间隔。
⑤指数分布指标。主要是其寿命的指数分布的服从特征。
2 监控系统硬件电路板的可靠性分析
对于监控系统而言，寿命是衡量硬件电路板可靠性的关键指标之一。在现阶段的可靠性工程当中，针对监控板而言，比较常见的寿命分布模式可以分为以下几种类型：二项分布、泊松分布、指数分布、正态分布、对数正态分布。由于监控系统当中的监控板主要是由相关电子元器件所构成的。结合有关电子器件的失效理论可以得出：绝大部分电子设备与装置的寿命分布呈现出明显的指数分布状态，针对于监控系统监控板而言同样如此。
结合上述分析，在有关监控系统可靠性框图的构建过程当中，需要结合监控板所运行任务的差异性做出相应的考量，主要可以分为以下两种情况：首先，从基本任务的角度上来说，整个监控系统所对应的可靠性框图最为核心的思想在于保障监控系统整体运行的正常与规范。在剔除各种运行故障的基础之上，确保监控系统功率输出的正常与有效。其次，从特殊任务的角度上来说，整个监控系统所对应的可靠性框图最核心的思想在于保障整个监控系统的不停机性。对于监控系统监控板而言，即便当中的一部分出现了运行故障，但仍然需要将整个系统的输出功率限制在一定的允许范围当中，可适当允许系统的运行功能有所降低，但需要最大限度的避免因无功率输出而引发的停运事故。
对于我国而言，现阶段针对电子设备所采取的可靠性计算方法可基本概括为：首先对相关电子元器件所对应的失效率数值加以判定，进而计算得出各个模块分别对应的失效率数值，最后将可靠性框图当中所涵盖的模块所对应失效率进行统计，由此获取最为精确与全面的可靠性数值。
对于监控系统硬件电路板而言，首先，在有关监控系统硬件电路板分立元器件可靠性的计算过程当中，电阻装置、电容设备、以及二极管装置均属于监控系统硬件电路板中分立元器件的组成部分。以电容装置为例，其在正常运行状态下所对应的工作失效率模型可按照如下方式进行构建，如式（1）：
失效率（单位：10-6/h）=基本失效率×环境系数×质量系数×电容量系数×串联电阻系数×种类系数 （1）
在该计算模型当中，相关的失效率及系数取值大小均可通过对电路板所处工作环境的判定，以及相关元器件在出厂状态下的理论参数来进行判定，最终可计算得出电容器所对应的工作失效率数值。
其次，在有关监控系统硬件各模块电路的可靠度计算过程当中，首先需要完成对各个模块当中所涵盖电路工作失效率数值的计算，进而将所计算得出的电路失效率数值进行汇总处理，得到的是相对于单独运行模块而言的失效率。在此基础之上，通过对可靠度计算公式的应用，即可计算得出监控系统硬件电路板当中相关模块的可靠度取值情况。
3 监控系统硬件电路板（PCB）设计检查要点与布
线原则
①根据电子学设计的边界条件（空间真空环境），对重点发热元器件在印制电路板的位置和发热等情况，建立数学模型，进行EDA仿真热分析，计算元器件、印制板的温度，检验元器件工作温度范围是否满足要求，检验元器件的结温是否满足降额要求；发热量大的元器件通过热管等散热器件将热量引出，元器件的散热途径（导热散热途径和辐射散热途径）是否通畅和连贯，同时，应尽可能使导热路径最短；对于热功耗大的元器件，应在器件下面与电路板接地部分设计热过孔，填充金属材料，实现热传导功能。
②一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保证电路板的电气性能。在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，它们的关系是：地线>电源线>信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3 mm，最细宽度可达0.05～0.07 mm，电源线一般为1.2～2.5 mm。
4 硬件电路板信号完整性设计
在监控系统硬件电路板设计的过程中，对于电路板信号的完整性设计也是影响其可靠性的关键因素，因此必须要注重电路板信号完整性的设计。其中应当遵循的准则包括以下几个方面：
①在进行正式的设计工作之前，必须要对所使用的元器件以及相关的工艺进行科学的选择，并且据此进行设计方案的确定，才能确保设计的科学性与合理性。
②预布线阶段是对电路板层叠误差和接地信号等问题进行处理的阶段，这一阶段主要是对各种可能出现的问题以及计算误差进行科学的处理，以此保证线路层叠的有效性。同时，尽可能让接地层与电源层成对布放，这样能够更加有效的保证信号的完整性。对于信号的完整性规划需要根据信号参数以及其必须的拓扑结构范围进行仿真模拟，才能从中找到最为理想的参数范围，并且将此范围作为布线的最终依据，成为PCB布线的主要约束条件。
③串扰是信号线之间不希望有的耦合，邻近信号线的耦合会导致串扰而且改变信号线的阻抗。我们必须减少串扰。比如我们可以根据相邻平行信号线的耦合分析来确定信号线间距或平行线长度。
④对于信号延迟以及其产生的影响是在布线时必须要充分考虑的关键问题，因此在实际的工作中，我们可以利用终端接线器的使用来对信号的完整性质量进行控制，从而有效的减少信号延迟所带来的不利影响。
⑤转换器是设计工作中常用的一种设备，转换器的转换速度越慢则信号完整性越好，同时利用不同的驱动技术也可以完成不同的转换任务，所以我们可以在设计过程中，利用新的可编程技术，充分利用不同驱动技术的优越性，使其作用能够充分发挥，以此来提升信号的完整性。
⑥当简单的布线以及装配工作完成之后，需要进行完整的电路板测试，将其测试结果与仿真结果进行对比，从中发现设计过程中存在的不足之处，以此作为依据，为后续的设计工作提供更充分的数据参考。
5 结 语
随着社会和经济的快速发展，集成电路和新型器件的应用也日渐广泛，从另一方面来说，这也使得电路板的设计日渐复杂，因此对于电路板设计的可靠性要求也越来越高。监控系统已经成为现代社会中必不可少的硬件设备，对于监控系统电路板的设计工作，必须要对其可靠性的相关因素进行充分的考虑，才能确保各项设计成果的有效性，从而保证产品性能的安全性和完整性，促进相关工作的持续开展。
参考文献：
[1] 李强.谈PCB电路板的设计[J].商情，2011，（1）.
[2] 曲利新.空间电子设备电路板可靠性可测试性设计检查[J].现代电子技术，2011，（19）.
[3] 孙林.电气安全智能监控系统设计[J].神州，2013，（3）.
篇7
网络硬件对计算机网络可靠性的影响，具体表现为计算机网络基础物质设备对网络可靠性的影响，可以分为两个部分，一部分是网络传输设备对计算机网络可靠性的影响，另一部分则是计算机网络终端设备对计算机网络可靠性的影响。
1.1网络传输设备对计算机网络可靠性的影响
主要表现为对网络电缆的铺设以及管理过程中维护工作的进行。在我国以往的计算机网络问题中，对于网络电缆的铺设及维护一直是一大难题。虽然无线网络在当今社会得到迅速普及和发展，但是有线电缆则具有更强的稳定性，因此也受到更大程度的重视。在有线电缆的铺设及维护过程中很容易受到地形等地理环境的干扰，从而影响到正常的排线工作，不利于网络可靠性的维护。以此，在以后的网线铺设过程中要留有一定的纠错余地，尽可能的选择双线布局，以便及时更改路线。
1.2网络终端设备对计算机网络可靠性的影响
网络终端设备，也即用户客户端。用户使用网络的最主要的目的就是及时高效的获取原始、准确的信息，因此该设备的可靠性受到用户很大的关注，也成为维护计算机网络可靠性的重要部分。基于此，用户在选择终端设备时，应选择那些大型企业生产的正版计算机，在维护过程中，应装载较为先进的管理软件，以维护该系统运行的稳定性。
2网络管理对计算机网络可靠性的影响
计算机网络是一个复杂的、虚拟化的、不分地域的环境空间，因此其维护和管理的成本较大，且管理起来极为不宜；同时计算机网络是一各规模庞大的完整系统，某一环节的出错就有可能导致整个系统的溃败，因此在网络管理的过程中，不仅要靠人工操作，还要引进先进的管理软件进行协同工作。
3计算机网络的可靠性优化设计方法
3.1计算机网络的纠错性设计
该设计是指在计算机的某一传输或者运行环节出错时，可以选择其他的条件或路径，以保证计算机网络的正常使用及运行。如双网络中心的应用、多连接途径的应用。双网络中心是指，在用户进行网络中心设置时，可以设置两个网络中心，一旦其中一个网络中心出现故障时，还有备用网络中心保持计算机的正常使用；多连接途径是指计算机用户在接收网络信号时，可以通过多路由发射接收，亦可通过无线和有线网络的双重使用为网络安全提供双重保障。此外在计算机内部集成电路的设计上可以采用模块化设计的方式，以保证计算机硬件设备在不影响其他使用功能的前提下进行局部维修，大幅度提高计算机网络的可靠性。
3.2计算机网络体系设计
在保障计算机硬件可备用的前提下，需要引进先进的计算机网络体系，通过多层化的网络设计，使网络适用于更广泛的地域、适应更复杂的环境，从整体上提高网络运行的可靠性以及安全性，充分体现网络高端设备的性能。
4结语
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关键词：数字式时间继电器 抗干扰 滤波
0 引 言
随着数字技术和相关专业的不断发展，继电保护技术也有了很大发展，如静态继电器在电力系统中的应用，其中数字式时间继电器作为基础元件，已广泛应用于各种继电保护及自动控制回路中，使被控制设备或电路的动作获得所需延时，并用以实现主保护与后备保护的选择性配合。
数字式时间继电器用于继电保护，首先用于替换电磁型和晶体管型时间继电器。它可缩短过流保护的级差，减少维护量，提高保护的动作正确率。保护了主系统及主设备的安全稳定运行。由于它具有精度高、稳定性好、整定方便、直观、改变定值无需进行校验、整定范围宽等特点，深受用户的欢迎。由此数字式时间继电器在电力系统中得到广泛应用。
但近几年，数字式时间继电器在电力系统中多次出现误动，给用户造成很大的损失。误动的原因如系统环境差、使用维护问题、产品质量问题、器件损坏、抗干扰性能差等等原因，但最难处理的问题是数字式时间继电器抗干扰性能差，本文在此针对数字式时间继电器抗干扰性能方面，提出了自己的看法，供参考。
1 提高抗干扰能力方法
1.1 干扰的主要来源
在电力系统运行中的继电器受到干扰主要是电磁干扰，来源有以下几种
(1)直流低压回路断开电感性负载（如接触器、中间继电器等）或电磁型电流、电压继电器触点抖动时，常会产生快速瞬变脉冲组电波；
(2)高压变电所临近高压电器设备操作时产生的感应干扰；
(3)移动电话、携带式步话机和相邻或附近设备发生的调频电磁波及电弧放电时产生的高频电磁辐射；
(4)设备中脉冲电路、时钟回路、开关电源、收发讯机等通过空间传播的电磁能量；
(5)带电荷的操作人员触及到设备的导电部件时产生放电。
1.2 电磁干扰的传播方式
电磁干扰的传播方式主要有两种形式，即传导和辐射。传导是通过导线以电流或电压的形式作用在继电器上。辐射是通过空间以电磁场的形式作用于继电器上。对于数字式时间继电器主要的传导路径为电源线。因此抑制传导干扰的主要部分在数字式时间继电器的电源部分。
1.3 提高抗干扰的措施
根据电磁干扰的来源和干扰方式及数字式时间继电器的工作特点，对数字式时间继电器提高抗干扰能力采用的措施主要从以下方面进行解决。
(1) 电源输入端增加EMI 滤波器。EMI 滤波器是一种低通滤波器，由无源元件构成的多端口网络。它不仅能衰减由传导传播干扰方式引起的干扰，同时也对辐射干扰方式的干扰有显著的抑制作用。这样的滤波器对于低频（20—100kHz）特别有效。再通过选用合适的铁氧体材料铁芯，它的抑制频率范围可增大到400MHz。
由于数字式时间继电器的体积小，受结构的限制，成型的EMI 滤波器一般体积较大，不适用。而继电器工作频率不高，设计及工艺相对要求不高，同时也可降低成本，因此在电路里直接设计出EMI滤波器是非常可行的，滤波器电路图见图1。
滤波器中介质电容、电感均可改变，适当变化期间的耦合，对于线路开关、接触器、执行机构，触点抖动产生的瞬变干扰能起到充分的抑制作用。
(2) 数字电路抗干扰一般措施
①时钟频率应在工作允许的条件下选用最低的；② 必须对电源线，控制线去耦以防止外部干扰进入；③ 每个集成电路的电源与地之间要加去耦电容。要求电容的高频性能好；④ 在速度不快的信号线上加去耦电容。
(3) 合理设计印刷电路板 ① 印刷板上的电源与地线要呈“井”字形布线，以均衡电流，降低线路电阻；②布线时高、低压线分开，交、直流分开；③输入、输出线不要紧靠时钟发生器、电源线等电磁热线，不要紧靠复位线、控制线等脆弱信号线；④ 相邻板间交叉布线；⑤ 尽量减少电源线走线的有效包围面积，这样可以减少电磁耦合；⑥相邻层布线应互相垂直；⑦走线不要有分支，以防导致反射和产生谐波；⑧正确接入旁路电容。数字电路在工作时，电流突变较大，会产生很强噪声信号，应按图4 在电源线上正确接入旁路电容；⑨ 接地点集中。
(4) 合理配线 ① 输入电源线与地线应尽量短；② 板与板间的连线或接插件连线应尽量短。且线与线间分开；③ 配线时，电源线与触点引出线应分开；④ 正、负电源线应互相绞合，以降低共模干扰。
(5) 采用新工艺 ① 采用贴装技术采用表面贴装装封技术，可以显著减少由于器件的引线较长而产生的杂散寄生电容、电感，简化了屏蔽的设计，所以在很大程度上减少了电磁干扰和射频干扰。②采用多层线路板从2 层印制电路板改为4 层印制电路板，可大大改善发射和抗扰度性能。
2 结 语
以上分析了数字式时间继电器抗干扰的问题。经实际应用，解决了以前数字式时间继电器所存在的干扰问题，动作可靠性有很大提高，在某项电力系统中现场应用，也得到了证实。
参考文献：
[1] 晏国华.控制与保护设备的可靠性设计试验手册[M].阿城继电器厂，1992.
[2] 晏国华.电站自控保护系统的电磁兼容性（EMC）与可靠性、安全性关系[M].电站设备自动化，1993..
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【关键词】智能化电梯；可编程控制器；逻辑控制
随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。在许多交通设备中，电梯是自动化程度最高的先进设备的一种。以前的电梯主要采用单片机控制，其性能等各方面都不太完善，现在电梯控制系统多采用PLC，从电梯的性能、器件的灵活性及安全保障方面等都有了很大的提高。实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。
目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。然而PLC控制电梯在不久的将来将会完全取代原有的控制方式，所以我们在这里探讨PLC在电梯中的应用.
1.PLC 具有的特点
1.1 PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
1.2 PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性提高。
1.3 PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
1.4 PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计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；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。
1.6 PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波等；软件自诊断；简化编程语言等。
2.电梯的基本结构
电梯是机电合一的大型复杂产品，机械部分相当于人的躯体，电器部分相当于人的神经。机与电的高度合一，使电梯成了现代科学技术的综和产品。对于电梯的结构而言，传统的方法是分为机械部分和电气部分，但以功能系统来描述，则更能反映电梯的特点。下面简单介绍电梯机械部分的结构，而我们的主要目的是怎样来控制它。
（1）曳引系统
曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运。曳引系统主要由曳引钢丝绳、导向轮、反绳轮组成。
（2）导向系统
导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。
（3）轿厢
轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢体组成。
（4）门系统
门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门、层门、开门机、门锁装置组成。
（5）重量平衡系统
系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。系统主要由对重和重量补偿装置组成。
（6）电力拖动系统
电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。
（7）电气控制系统
电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏（柜），平层装置，选层器等组成。
3.PLC在电梯中的应用
基于PLC的电梯控制系统应当满足如下几个方面的功能：借助于电动机装置实现电梯轿厢的升降动作，并在各楼层之间设置相应的上行及下行呼叫开关；电梯需要在某一层停车待客的情况下，只要按下电梯相应楼层的外呼按钮，控制系统应当确保电梯能够在延时状态下自动开启轿门。与此同时，在电梯完成该项控制动作指令且未接收到任何层外呼叫指令的情况下，控制系统应当确保电梯轿厢能够及时响应自动关闭轿门动作；在电梯轿厢同时接收到多个响应指令的情况下，控制设备应当在设定时间内进行自动运行处理，确保各动作响应时间的有效性。随着新型PLC的推出，程序存储器容量增大，给编程人员带来了更大的自由空间，使结构化编程在不增加外设的条件下成为可能。在实际应用中，PLC和变频器组成的电梯控制系统，能完成电梯控制的各种功能要求，为了提高电梯的可靠性，旋转编码器计数脉冲代替了井道内的换速、停车传感器等功能，这些都是用增加编程语句代替硬件功能，使电梯程序长度倍增。这样直接导致PLC的程序扫描周期变大，影响了电梯的控制精度。为了解决程序功能完善化（增加程序的总长度）与减少扫描周期以提高程序的运行效率、满足电梯的控制精度这一矛盾，使得设计程序时将程序结构化，程序结构有以下方法：
（1）分离电梯程序功能，使靠逻辑关系融合在一起的程序分成消防、急停、检修、锁梯、自动等功能子程序。
（2）分析主程序以及各功能子程序的关系，以高效组合程序结构。
（3）排列PLC的输人、输出点以及内部辅助继电器点，使之按顺序成组排列，利用功能指令减少程序步骤。按照这种方法设计编写的程序，虽然其相对长度加大，但动态运行时相对长度减少，程序运行高效化，电梯控制精度提高。同时，结构化处理也增强了程序的易读性、易移植性，提高了编程人员的效率，减少了工作量，给通用电梯程序的编制提供了方便。
参考文献
[1]陈伯时主编.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2]漆汉宏主编.PLC电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2009.
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【关键词】电子装备；环境试验；故障影响因素分析；环境应力关系
1.引言
目前，电子产品在武器装备中的重要性越来越高，对电子产品的可靠性要求也在随之不断提高。电子装备现场实际使用结果表明，电子产品的故障率仍然是影响武器装备及战备完好性的主要因素之一。因此，研究电子产品故障与环境应力间的关系，对于确定装备中电子产品的可靠性试验方法、有重点地加强产品的可靠性设计将起到极大的技术支持作用。国外的统计数据表明，对于一般的电子产品，温度、振动和湿度对其的影响最大，分别占环境引起故障数的40%、27%和19%，因此考虑这三个因素的作用已经覆盖了86%以上的环境对产品可靠性的影响。但是，国外的这些经验数据对于我国电子装备的符合性如何，我国电子装备对哪些环境因素更为敏感，电子装备中那些部位在那种环境因素作用下更易发生故障等均没有进行过较为系统的研究。本文结合国内可靠性试验的故障数据对电子装备故障与环境应力间的对应关系进行了统计，对故障规律进行了归纳，对故障机理进行了分析，并根据分析结果提出了实验室以最佳费效比开展可靠性试验的建议。
2.电子装备故障机理分析
2.1 温度循环诱发故障的机理
当温度在上、下限温度循环时，电子设备交替膨胀和收缩，会使设备中产生热应力和应变。如果某些电子装备产品内部有瞬时的热梯度（温度不均匀性），或产品内部邻接材料的热膨胀系数不匹配，则这些热应力和应变将会加剧。这种应力和应变在缺陷处最大，它起着应力集中的作用。这种循环加载使缺陷长大.最终可大到能造成结构故障并产生电性能故障。例如，有裂纹的电镀通孔其周围最终完全开裂，引起开路。热循环是使钎焊接头和印制电路板上电镀通孔等产生故障的首要原因。持续时间受温度循环次数控制，每次循环.应力应变方向变化一次，循环次数也是应力应变方向的变化次数。温度变化范围越大，电子装备产品内受到的应力，应变范围越大，产品内缺陷发展为故障所需的应力应变次数（也即循环次数）越少。
温度循环激发出的主要故障模式如下：（1）使涂层、材料或线头上各种微观裂纹扩大；（2）使粘接不好的接头松弛；（3）使螺钉连接或铆接不当的接头松弛；（4）使机械张力不足的压配接头松弛；（5）使质量差的钎焊接触电阻加大或造成开路；（6）粒子污染。
2.2 高温诱发故障的机理
在高温的环境条件下，电子设备一般会产生过热的现象。过热是电子设备产生故障的主要原因之一。故障是使设备性能退化的化学或物理变化引起的。因为随着温度的增加，电子、原子、分子的运动速度加快，使得电子设备的性能发生变化。随着设备的老化，这些变化逐渐出现；当达到一定阶段时.就引起严重的故障。到产品产生故障的时间受这些化学或物理变化的过程的速率控制，而这一速率大致按指数规律随温度的升高而增加。已经发现.在高于一般室内环境温度（约20℃-25℃）范围内条件下，故障率大致按指数规律随温度的升高而增加。
高温激发出的主要的故障模式如下：
（1）不同材料膨胀系数不一致使零件粘结在一起；（2）剂粘度降低.剂外流使连接处损失能力；（3）包装、村垫、密封、轴承和轴发生变形、粘结和失效，引起机械性的故障或破坏完整性；（4）温度梯度的不同和不同材料膨胀不一致使得电子电路的稳定性随之改变；（5）有机材料退色、裂开或出现裂纹；（6）变压器和机电组件过热；（7）继电器和磁动或热动装置的接通/断开范围变化。
2.3 低温诱发故障的机理
低温的影响与高温相反，由于电子、原子、分子运动速度减小.导致物质收缩、流动性降低、凝结交硬。又因为冶炼、轧制、设计形状，切削刨伤、焊接淬火、锻造塑性、弹性变形造成内应力，使构件出现明显脆性（冷脆现象）。
低温激发出的主要故障模式如下：（1）材料发硬变脆；（2）各种材料收缩不一致和不同零部件膨胀率的差异使零件互相咬死；（3）剂粘度增加，流动能力降低，使作用减小；（4）电子元器件（晶体管、电窑器等）的性能发生变化；（5）变压器和机电部件的性能发生改变；（6）破裂和开裂、脆裂、冲击强度改变，强度降低；（7）受约束的玻璃产生静疲劳。
2.4 振动诱发故障的机理
随机振动是在很宽的频率范围内对产品施加振动。产品在不同的频率上同时受到应力，使产品的许多共振点同时受到激励。这就意味着具有不同共振频率的元部件同时共振.从而使安装不当的元件受扭曲，碰撞等而损坏定额概率增加。振动应力对揭示那些对反复的结构变形或相对运动敏感的缺陷是有效的。电路板或导线接头是在重复性应力作用下可能导致损坏性裂纹增长的例子。
振动激发出的主要的故障模式如下：
（1）结构部件、引线或元件接头产生疲劳，特别是类适于导线上有微裂纹、微观裂纹和类似的缺陷；（2）电缆磨损，如在松弛的电缆结处存在类似于尖缘那样的缺陷时；（3）制造不当的螺钉接头松弛；（4）安装加工不当的集成电路片离开插座；（5）汇流条及其连到电路板上的钎焊接头受到高应力引起的钎接头薄弱点失效；（6）与可敬相对运动的部件桥形连接的元件引线没有充分消除应力而造成损坏，例如电路板前板的发光二极管或在背板散热箱的功率晶体管；（7）已损坏或安装不当的脆性绝缘材料中出现裂纹。
2.5 湿度诱发故障的机理
潮湿环境的影响是指产品或材料在潮湿条件下发生外观或物理、化学和电性能方面的劣化并导致设备功能性失效综合作用。在工作环境中有各种大气污染物质可能强化潮湿气候的影响，例如各种腐蚀性气体与潮湿的共同作用将加剧金腐蚀的速度，而某些容易吸收水分的尘埃将助长试验样品表面凝露或水气吸收，从而加剧表面绝缘性能的下降。又如某些材料表面受潮后长霉，这种霉菌湿润之后又会影响表面电阻下降，这些都会影响产品工作性能。
湿度激发出的故障模式主要有：（1）表面吸收。当隐患与表面沾污有关时，吸收引起故障的机理是特别重要的。（2）毛细凝露。当隐患与断裂、缝隙和细孔有关时，毛细凝露是故障的主要机理。若水分以这种方式穿透表面保护层并作用于要保护的材料时，则很可能出现故障。（3）通过松散材料的扩散是第三种故障机理。它通常不直接与隐患有关或很少有关。这种机理是很慢的，要几天到数月。
3.电子装备故障统计数据结果分析
从统计的数据看来，振动、温度和湿度对电子装备的可靠性影响很大。但是，对于一个产品的不同部件，它们对这三种应力的响应是不一样的。现把这三种应力的作用范围归纳如下：
3.1 振动
重复应力或相对运动敏感的缺陷在振动应力下最易暴露。例如：电路板或导线插头是在重复应力作用下可能导致破坏性裂纹增长。
振动应力主要诱发的故障模式如下：
（a）部件之间由于焊接不牢而断开；（b）部件安装不当时在振动的情况下引起开路；（c）振动使得某些产品（如电机、电源）不能正常工作而导致故障；（d）在产品装配时由于存在拉伸或剪切应力而导致故障。
3.2 温度
热应力主要诱发的故障模式如下：
（a）由于在高温环境中不能充分冷却或在低温条件下同步不匹配造成的性能下降；（b）低温使得某些元器件的性能不稳定而造成故障；（c）由于热膨胀系数不匹配，在热应力循环作用下产品出现故障。
3.3 湿度
湿度应力主要诱发的故障模式如下：
（a）产品受潮后性能退化；（b）产品内部湿度累积到一定程度后在低温状态下结霜，导致产品开路；（c）产品内部湿度累积割一定程度后导致产品内部电路板爬电。
这三种应力的作用时间也有一定的规律：
（1）温度应力引起的故障暴露最早；（2）振动应力引起的故障，在一定的时间累积后工艺故障、加工故障和元器件故障先后出现；（3）湿度应力和综合应力引起的故障由于需要一定的时间累积，所以暴露的相对较晚；（4）60%的缺陷可以在前160h的综合环境试验中暴露，并且可以大量暴露由温度引起的元器件故障和振动引起的工艺故障。
