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一、可靠性设计1.1.1 可靠性设计原则本方案按照GB 《XXX》(若干参考标准)进行可靠性分析及设计。 1.1.1.1 软件可靠性设计本系统软件的可靠性设计依据，参考GB《XXX》。 开发高可靠软件首先必须采用软件工程方法，搞好软件开发工程化。应特别注意以下几点： 软件开发规范化。应按照GB XXX的规定，将软件开发过程分为若干阶段，每个阶段编制必要的文档并进行检查、分析和评审，实行配置管理。图形符号、程序构造及标识应符合GB XXX的规定； 采用先进、适用的软件开发工具，并确保软件开发工具免收计算机病毒侵害； 加强软件检查和测试。应尽早开展软件检查和测试，采取措施（如自检、互检、专检相结合的“三检制”，制定设计检查单等）使检查工作切实有效，软件测试应达到规定的要求。 在系统控制回路中，安全关键功能的执行在可能时必须经操作人员确认或启动。 采取措施自动记录检测出的所有系统故障及系统运行情况。 在系统设计时考虑故障的自动检测，一旦检测出不安全状态，系统应做出正确响应。不得回避。 系统应能防止越权或意外地存取或修改软件。 软件需求分析必须遵守GB 1091的规定，确保软件需求规格说明无歧义、完整性、可验证性、一致性、可修改性、可追踪和易使用性。 在确定了软件的功能性需求之后，确定软件使用的功能剖面，并制定软件可靠性措施计划。 为了提高软件的可靠性，对于软件的可靠性设计，采用业界通用的软件可靠性设计技术。在本产品的软件设计过程中，采用避错、查错、容错、改错等方面的软件可靠性设计技术；在设计方法上，采用自顶向下设计、结构化设计、标准化等多种方法。在软件设计原则上，采用结构化、模块化、层次化等设计思路，通过这些软件设计思想和方法，来保证软件的设计可靠性。具体的软件可靠性保证措施如下： 1.1.1.1.1 自顶向下设计以系统功能最抽象描述作为最高层次，设计出详细的子系统，再以每个子系统为基础,设计出更详细的子系统，直到最低层次的子系统能够使用计算机程序设计语言实现为止。通过这种结构化构造途径，可在早期洞察出设计问题，提高系统可靠性。 1.1.1.1.2结构化程序设计把程序要求分成若干独立的、更小的程序要求或模块化的功能要求，并明确各个模块的功能要求与程序中其他部分的接口。对每一个模块，分别编程和测试，从而提高系统的可靠性。 1.1.1.1.3软件编码在结构化程序设计的基础上，使用开放平台自带的类库、模板库等资源，加强编码规范执行力度，逐步实现设计与编码分离。首先完成结构、框架设计，再完成程序编码，并在编码过程中通过代码走查等方式尽早地查出缺陷予以改正。 进行软件（模块）的标准化设计。在本设备中，对软件部分，采取了模块化的设计方式，先从总体上将软件进行分层，然后再根据功能特点层层划分成独立的模块，在软件测试过程中，也按照底层至顶层、层层叠加测试的方式，确保各模块的独立以及模块间的连通性。 1.1.1.1.4加强软件检查和测试在软件开发的早期测试人员参与其中，开展软件检查和测试工作，测试过程采取自检、互检和专检相结合的“三检制”，在三检过程中制定相关设计检查单，使检查工作切实有效，软件测试达到规定的要求，完成每个阶段的三检后，相关文档备份统一纳入配置管理。 1.1.2可靠性设计1.1.2.1可靠性技术分析本方案按照GB 《XXX》(若干参考标准)进行可靠性设计。 系统的可靠性构成如下图所示。 图 1 系统的可靠性构成图 XX子系统由XX、XX、等单元组成。这里分别命名为A1、A2、A3…… 单元。这些单元构成了串联模型，模型框图如下图所示。 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml1396\wps1.png 图 系统可靠性串联模型框图 1.1.2.2可靠性数学模型系统的可靠性数学模型为A1～AN单元的串联模型，且故障分布特性为指数分布所以，根据相似设备法，其失效率为各单元失效率的总和。即： file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml1396\wps2.jpg 1.1.2.3设备元器件选取设备采用“元器件应力分析法”进行可靠性预计。其中环境条件为地面良好(GB)，国内元器件质量系数按“工业品”级别来选取，进口元器件质量系数按工业品选取，工作温度按最高工作温度+40℃选取。具体选取原则如下： 1）所选元器件、零部件和原材料的技术性能、质量等级、使用条件等满足产品的要求；各元器件主要选用《XXX单位合格供方名录》内厂家的产品，尽量选取工业级以上质量等级。元器件选用环境条件满足使用要求并有一定余量的有质量保证的产品； 2）对元器件采取降额使用方法，以降低故障的发生，避免器件早期失效； 3）优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前景且供应渠道可靠的标准元器件、零部件和原材料（如电机驱动器、伺服电机等）； 4）对影响系统性能的一些重要器件在设计时，考虑了由电路保证其工作的稳定性，消除温度漂移引起的失效模式； 5）严格控制新研制元器件、零部件和原材料的使用。未经技术鉴定的元器件、零部件和原材料不在产品中使用。 1.1.2.4计算各单元的失效率元器件基本失效率（λs）数据选自《XXX》手册，进口器件基本失效率（λs）数据选自《XXX》手册。外购件基本失效率来自厂家。各组合的失效率经计算分别列表如下表所示。 系统的平均故障间隔时间： MTBF = 1/λs=1/（XX）≈XXh 1.1.2.5连续工作时间系统连续工作时间仅对光源组件和微桥阵列产生影响。光源组件和微桥阵列长时间工作，光源温度升高，会使局部环境温度升高。系统采用风冷对光源和微桥阵列制冷，并采用温控装置控制光源温度，可保正系统长时间的工作。 采取以上措施后能够保证产品连续工作时间超过12小时，满足使用要求。 1.2系统可维修性设计1.2.1提高维修性的措施1.2.1.1增强系统的可替换性为了满足便于维修、简化操作、技术简单等要求，设计时充分考虑了系统的可替换性。坚持了故障点可分离更换，而不影响其它正常部分的原则，从而简化了维修过程。 1.2.1.2增强系统的可达性系统设计时充分考虑了可达性，做到维修部位能够“看得见、够得着”。产品的可达性主要表现在两个方面：一是有适当的维修操作空间，包括工具的使用空间；二是提供便于观察、检测、维护和修理的通道。检测诊断准确、快速，整个系统具有自检自校功能，故障巡回诊断至模块级，并以计算机屏幕显示及音响报警；系统各部件具有互换性和通用性；采用模块化设计、积木式结构，便于拆装；具有完善的防插错措施和识别标志；尽可能提高无维修设计能力，实现维修的经济性；符合维修人机工程要求；维修用的配件和资料配套完整；系统所用资源尽量统一类型、统一型号、统一配置，模块化设计，便于设备的维护与更换。 为实现产品的良好可达性，设计时考虑了以下几点： （a）为避免各部分维修时交叉作业，采用“专柜专装”的布局形式。整套设备的部(附)件集中安装，留有足够的维修空间。如系统控制柜的布局，充分考虑了布线简单、距离短等因素。整个控制柜结构紧凑，维修空间充裕； （b）产品布局时充分考虑拆装简便，特别是易损件、常拆件和附加设备。拆装时，零部件出进的路线是直线或平缓的曲线； （c）需要维修和拆装的产品，其周围留有足够的操作空间。如在使用、维护中经常拆卸、安装的螺钉，使用松不脱螺钉，螺钉附近有足够空间，使得维修时可以顺利工作； （d）尽可能保证维修时能看见内部的操作，其通道除了能容纳维修人员的手臂外，还留有供观察的适当间隙。 （e）所有的模块都留有外部信号检测接口，包括电气模块和光模块。 1.2.1.3设计完善的防差错措施及识别标记为了防止维修差错，从结构上消除发生差错的可能性，产品采取了只有装得对才能装得上，装错或是装反就装不上的措施。采用不同的外形尺寸的标准接插件。例如电缆连接线的插头一一对应，插错时就不能插到插座中。产品还在需要维修的零部件、备件上面做出识别记号，便于区别辨认，避免因弄混而发生差错。 1.2.1.4考虑维修的人员、控制柜、环境的要求（a）按照使用和维修人员所处的位置、姿势与使用工具的状态，提供了适当的操作空间，使维修人员有比较合理的维修姿态，尽量避免了以跪、卧、蹲、趴等容易疲劳或致伤的姿势进行操作； （b）对产品的维修部位提供自然或人工的适度照明条件； （c）考虑了维修人员在举起、推拉、提起及转动物体等操作中人的体力限度； （d）考虑了减少维修人员的工作负荷和难度适当，以保证维修人员的持续工作能力、维修质量和效率。 1.2.2维修性设计本系统按GB《XXX》进行维修标准设计。平均修复时间(MTTR)其度量方法为：在给定期限内，修复时间的总和与修复次数N之比： file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml1396\wps3.jpg 系统各模块相互独立，模块内部结构设计紧凑，空间富裕，便于维修，维修主要采取模块更换方式，平均修复时间不大于0.5h；最大修复时间不大于1h。 1.3安全性设计综合考虑了XX系统的使用性能，以适应实验室环境，力求准确、可靠、稳定并严格按照GB 《XXX》的要求进行安全设计，确保产品使用安全可靠、人员操作安全。安全设计主要表现在以下几方面： 在设备中的220V/380V电源输入端，安装空气断路器，它可以在系统发生短路的瞬间自动切断电路，确保了设备中各电器件不会因电源短路而烧毁； 所有电源输入安装过流过压漏电保护，空气开关，急停开关。机壳接大地。 为了防止操作人员意外触电，航空插头/座原则上非电源端为针，电源端为孔； 使用的航插全部做了防插错设计，不会因为人为产生误插错而对设备造成损害，提升了系统的安全系数，各连接操作部分都有明显的指示信息； 设备壳体牢固接地，设备内部安装了漏电保护器，确保设备和人身安全； 系统整体采用结构优化设计，外形美观大方，无坚硬棱角，综合考虑人员操作习惯，能够快速安装对接。 对设备的保护主要是防止其超范围运行。该项保护采用软件保护和硬件限位两种手段。首先，操作软件禁止操作员输入错误的数据，当出现误操作时，提示重新输入。如果出现运行失控，机械硬性限位会阻止设备继续运行，此时操作员可按下控制柜的急停按钮切断供电系统，控制按钮安装位置考虑人体工程学需要做到第一反应时间内最大限度减小故障损失。 在软件操作界面上，当一个程序在运行过程中为了防止误操作，将软件界面的其他按键均冻结，并且在某种工作模式下需要实时给操作者提示当前工作状态。比如颜色显示和进度条等。 1.4可测试性测试在系统的测试性设计中，电源模块的开机自检和工作中的自检功能至关重要，这些功能可以实时监测设备状态，检测潜在故障，并通过通讯接口向上位机发送相关信息。对于系统的测试性从以下几个层面进行考虑： （1）开机自检 全面性检查。开机自检涵盖电源模块的所有关键部件和电路，包括输入电源、输出电路、保护电路等。 准确性要求。自检结果应准确可靠，能够真实反映电源模块的工作状态。 时间效率。自检过程应尽可能快速，以减少设备启动时间，提高使用效率。 状态显示。自检结果可通过指示灯、上位机等方式直观显示，便于用户快速了解系统状态。 （2）工作中自检 实时运行状态监控。在系统工作过程中，电源模块应持续进行自检，实时监测电源输出、温度、电压、电流等关键参数。 异常检测。自检应能够及时发现电源模块的异常状态，如输出不稳定、温度过高、电路短路等。 故障隔离。当检测到故障时，自检系统应能够自动隔离故障部分，防止故障扩散，并给出明确的故障指示。 自动恢复。对于某些可自动恢复的故障，自检系统应能够尝试自动修复，以减少人为干预。 （3）通讯接口与上位机交互 标准化接口。电源模块应提供标准化的通讯接口，如RS-232、RS-485、以太网等，以便于与上位机进行数据传输。 数据协议。使用明确的数据传输协议，确保电源模块与上位机之间的数据交换准确无误。 远程监控与控制：通过通讯接口，上位机应能够实现对系统的远程监控和控制，如查看实时数据、设置参数、远程启动/停止等。 （4）维修与诊断支持 故障日志记录：系统能够记录自检过程中的故障信息，形成故障日志，便于维修人员分析故障原因和定位故障点。 在线技术支持。建立完善的售后支持团队，为用户提供远程故障诊断和维修指导服务。 系统的测试性设计在上述方面进行了全面的考虑，能够更好地保障系统的稳定运行，提高系统的整体性能和可靠性。 1.5环境适应性设计系统的电源为市电AC100~220V，50Hz，配稳压电源，工作温度：5℃～45℃，贮存温度：-0℃-50℃，湿度：≤90% RH(25℃），并提供长期使用、放置设备的维护方法和装置，保证光学零件、电器元件不会因在保质期内出现非人为损坏影响使用。 对于系统的环境适应性设计，以下几个层面进行考虑，以确保系统在使用环境中能够稳定运行。 （1）环境适应性设计的全面策略 为适应安装在转台上的工作环境，环境适应性设计时综合考虑各种电磁环境以及可能的机械振动冲击等因素。设计不仅关注电路和光学系统的基本功能，还注重其在转台上的稳定性和可靠性。 （2）光学系统的环境适应性设计 灌封胶灌封技术的优化。采用高性能、低收缩率的灌封胶材料，确保光路部分在灌封后能够保持稳定的光学性能。同时，优化灌封工艺，确保灌封胶能够完全填充并紧密贴合光路部分，防止灰尘和水汽的侵入。 商用器件的气密性增强。对隔离器等商用器件的气密性进行进一步增强设计，通过增加密封层、采用高性能密封材料等措施，提高其抵抗外部环境侵蚀的能力。 输出头的涂胶密封技术。自行设计的输出头采用涂胶（504胶）密封设计，不仅具有优异的密封性能，还具有良好的耐候性和耐腐蚀性。此外，还将对涂胶工艺进行持续优化，确保涂胶层的均匀性和稳定性。 机械接口的密封结构设计。系统所有的机械接口处均采用了密封结构设计，通过增加密封垫、采用密封螺纹等措施，确保接口处能够紧密贴合，防止灰尘和水汽的进入。同时，我们还将定期对接口处的密封性能进行检查和维护，确保其长期有效。 （3）电路系统的环境适应性设计 三防处理的升级.所有电路板均进行了三防处理（防潮、防霉、防盐雾），并采用了更先进的防护材料和工艺。这种升级的三防处理能够在更恶劣的环境下有效保护电路板和相关组件，防止其发生霉变和短路等现象。 元件选型的严格把控。按照选型手册选用满足工作温度要求的元件，并对元件的供应商进行严格筛选，确保所选元件具有良好的品质和可靠性。 通过上述在环境适应性方面的设计，可以确保系统在使用环境中能够稳定运行。 1.6电磁兼容性设计由于系统安装在转台上，设备的内、外部都存在着电磁干扰，当干扰电平超过允许值时，会使电子设备性能降低或无法工作。在电磁兼容性（EMC）设计中，确保设备内部各部分之间不产生相互干扰，并减少对外界环境的电磁辐射，是至关重要的。故对于系统采用屏蔽、接地、去耦、滤波及选择合适的材料和元器件等方法进行电磁兼容设计，以提高电子设备的可靠性。拟采取的措施如下： （1）电源滤波器与接地设计 电源滤波器选型.选用高质量、宽频带的电源滤波器，能够有效抑制各种频率的干扰信号，保证电源输入的纯净。同时，考虑滤波器的阻抗匹配问题，以确保最佳滤波效果。 良好接地的重要性。电源滤波器接地是保证其工作效果的关键。确保接地电阻低，接地路径短且直接，能够最大化滤波器的隔离效果。同时，避免多个滤波器共用一个接地路径，以防止干扰信号的串扰。 （2）印制电路板设计 公共地线的布置.公共地线布置在印制线路板的边缘部分，不仅减少了环路面积，还有助于散热。此外，通过合理的地线设计，还可以实现电源地与信号地的隔离，进一步减少干扰。 铜箔作为地线。保留尽可能多的铜箔作为地线，能够增加地线的导电面积，降低地线阻抗，提高系统的抗干扰能力。 电源线、地线的设计。电源线、地线设计短而粗，线条均匀，排列恰当，有助于减小高频阻抗，降低电磁辐射。同时，电源线与地线之间的间距也应合理设计，以避免电磁耦合。 模拟电路与数字电路的隔离。模拟电路和数字电路分别设计电源线和地线，以避免公共阻抗耦合。同时，采用光耦合器、隔离放大器等隔离器件，进一步减少模拟电路与数字电路之间的干扰。 信号通路的设计。信号通路的布局设计遵循“最短路径”原则，以减少信号衰减和干扰。同时，采用差分信号传输、屏蔽线等措施，提高信号传输的抗干扰能力。 （3）电路板的核心电路均做金属屏蔽罩设计 屏蔽罩的选材与尺寸.金属屏蔽罩采用导电性能好的金属材料制作，如铝、铜等。屏蔽罩的尺寸根据核心电路的大小和形状进行定制，以确保完全覆盖并隔离核心电路。 屏蔽罩的焊接与固定。屏蔽罩直接焊接在PCB板上，确保其与PCB板之间的良好接触和固定。同时，采用适当的焊接工艺和焊接材料，避免焊接过程中引入新的干扰源。 屏蔽罩的接地。确保屏蔽罩良好接地，以确保其能够有效地吸收和隔离电磁干扰。接地方式可采用直接接地或通过滤波器等间接接地方式。
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