機載機電參數(shù)顯示控制裝置可靠性提升研究

徐錦順 胡亮 盧小軍

（蘇州長風(fēng)航空電子有限公司 江蘇省蘇州市 215151）

飛機機艙進入綜合化玻璃駕駛艙階段后，在機型替換和不斷改裝升級中，座艙液晶顯示裝置的功能不斷增加，但其體積、重量等指標卻不斷降低。國內(nèi)外飛機機電系統(tǒng)主要顯示裝置為液晶顯示裝置。在顯示裝置輕量化、低功耗發(fā)展趨勢下，如何提高裝置可靠性顯得更加重要。

近年來，隨著國內(nèi)座艙技術(shù)的發(fā)展，座艙液晶顯示裝置可靠性水平不斷提高，當前，國內(nèi)一些先進的座艙顯示裝置研制生產(chǎn)企業(yè)充分利用電子集成電路、模塊化、一體化設(shè)計等技術(shù)研制的液晶顯示裝置MTBF 值均在3000 小時以上，其中較高的達到10000 小時以上。極大的提高了座艙顯示設(shè)備的可靠性水平。本文基于某型產(chǎn)品對飛機機電顯示控制裝置，研究該類產(chǎn)品可靠性提升方法。

1 顯示裝置組成及原理

機電參數(shù)顯示裝置的硬件模塊組成示意圖見圖1 所示。

圖1：機電參數(shù)顯示裝置硬件模塊組成示意圖

計算機圖形模塊是顯示裝置圖形產(chǎn)生、接口管理的中心。主要實現(xiàn)對RS-422A、RS232、A/D 采集、離散量等接口采集和輸出。完成本地作圖，驅(qū)動液晶顯示模塊顯示。

電源模塊實現(xiàn)將機上輸入電源經(jīng)濾波、隔離和防尖峰、浪涌、斷電保護處理，并將機上電源轉(zhuǎn)換成顯示裝置內(nèi)部各個模塊正常工作所需的工作電源。

液晶顯示模塊采用有源矩陣液晶顯示屏，接收計算機圖形模塊輸出的視頻信號，實現(xiàn)畫面顯示功能。

導(dǎo)光板主要用于實現(xiàn)周邊按鍵和旋鈕控制功能，設(shè)計有環(huán)境光照度傳感器，采集環(huán)境光照度信息，用于機電參數(shù)顯示裝置自動亮度調(diào)節(jié)。

2 可靠性設(shè)計思路

在開展可靠性設(shè)計時，充分考慮了顯示裝置體積小、重量輕的特點，進行可靠性針對性分析，采取了針對性的可靠性設(shè)計措施，更好地滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求和實際使用要求。

明確了顯示裝置可靠性設(shè)計主要工作內(nèi)容如表1 所示。

表1：可靠性設(shè)計主要工作內(nèi)容

3 可靠性設(shè)計措施

3.1 成熟設(shè)計

顯示裝置相關(guān)技術(shù)盡量采用同尺寸顯示裝置成熟技術(shù)。產(chǎn)品顯示性能、系統(tǒng)架構(gòu)和功能基本一致，通過采用成熟技術(shù)，降低了研制風(fēng)險，提高產(chǎn)品可靠性。

3.2 簡化設(shè)計

實施集成化設(shè)計。在設(shè)計中，盡量采用集成度高的組件，使分立元器件減少到最小程度。大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，將一些分立器件的功能集成到其內(nèi)部，通過軟件實現(xiàn)其功能。簡化架構(gòu)，節(jié)省系統(tǒng)資源。通過簡化電路結(jié)構(gòu)，減少了元器件數(shù)量，提高了產(chǎn)品的可靠性。

3.3 降額設(shè)計

在電路設(shè)計中，盡量使用低功耗器件，對集成電路、晶體管、電阻器、電容器等元器件的工作電流、工作電壓、功耗、工作溫度以及接插件和電纜導(dǎo)線的工作電壓、工作電流等參數(shù)進行了降額設(shè)計。除在設(shè)計中應(yīng)用這種“靜態(tài)”的方法外，根據(jù)失效分析的經(jīng)驗，器件失效的主要原因是受到瞬態(tài)的過電應(yīng)力。所以機電參數(shù)顯示裝置降額設(shè)計還采用了對電路的仿真分析方法，分析電路中的各個器件的瞬態(tài)電應(yīng)力和器件的結(jié)溫，按仿真結(jié)果對降額進行修正。

顯示裝置電路設(shè)計時，對元器件的降額等級設(shè)定為Ⅱ級，各元器件參數(shù)的降額因子為0.6 到0.8 之間。

（1）處理器的資源占用率不大于60%，使芯片始終運行在輕低功耗方式下；

（2）對濾波器和電源轉(zhuǎn)換模塊進行降額使用，功率不超過各模塊額定值的80%。

3.4 機械可靠性設(shè)計

機械可靠性設(shè)計主要包括機箱整體加固設(shè)計、液晶顯示模塊加固設(shè)計和印制板組件加固設(shè)計，產(chǎn)品在設(shè)計時應(yīng)遵循以下設(shè)計原則：

（1）機箱保證足夠的強度、剛度，以保證振動及沖擊載荷作用下響應(yīng)應(yīng)力不超過其屈服強度極限，響應(yīng)位移不會引起結(jié)構(gòu)件之間的摩擦和碰撞；

（2）在結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計中避免應(yīng)力集中；

（3）采用結(jié)構(gòu)剛性化技術(shù)，綜合考慮減重設(shè)計及剛強度設(shè)計，配合仿真工具在結(jié)構(gòu)件強度薄弱區(qū)域進行加強設(shè)計；

（4）減少結(jié)構(gòu)件數(shù)量，復(fù)雜結(jié)構(gòu)件應(yīng)采取一體成型的加工方式，保證結(jié)構(gòu)件安裝時的剛強度。

3.5 散熱設(shè)計

散熱設(shè)計主要包括機箱整體整機散熱和各組成模塊散熱設(shè)計。如何把熱量有效的傳遞到顯示裝置外表面，并盡快散出去是結(jié)構(gòu)熱設(shè)計的關(guān)鍵，顯示裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計在保證能承受外界各種環(huán)境、機械應(yīng)力的前提下，充分保證對流換熱、傳導(dǎo)、輻射、最大限度的把設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱散發(fā)出去，主要采取的措施如下：

（1）顯示裝置機箱外殼設(shè)置大量散熱溝槽在保證強度和剛度的同時，增大散熱面積，提高散熱效率；

（2）顯示裝置機箱和模塊散熱板采用熱傳導(dǎo)性好的鋁合金材料；

（3）機箱內(nèi)部設(shè)計盡量分散發(fā)熱源，散熱路徑設(shè)計合理有效，有效的降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度；

（4）針對電源模塊上大功耗，且需要通過螺釘加固的電源轉(zhuǎn)換模塊，使其背部直接與顯示裝置外殼貼合，同時背部均勻涂以導(dǎo)熱膠，減少該模塊與顯示裝置后蓋板之間因安裝誤差存在細微縫隙而導(dǎo)致的散熱不均現(xiàn)象，進一步提高散熱效率；

（5）針對計算機圖形模塊上大功耗的元器件及熱敏感元器件分散布局，同時通過柔性導(dǎo)熱墊與顯示裝置后蓋板貼合，均勻散熱。

3.6 余度設(shè)計

通過LED 燈陣列的余度，將完整功能的LED 燈陣分成兩組，并設(shè)計獨立的背光控制電路。當其中一組白色LED燈陣列不能正常工作時，顯示裝置不會黑屏，顯示亮度下降一半。背光分組余度可以有效降低機電參數(shù)顯示裝置黑屏故障概率。圖2 為背光余度設(shè)計示意圖。

圖2：背光余度設(shè)計示意圖

通過雙余度的陣列掃描驅(qū)動電路降低按鍵電氣故障概率。同時，在方案軟件設(shè)計時應(yīng)考慮功能按鍵的復(fù)用，通過軟件檢測按鍵按壓狀態(tài)，當按鍵處于異常按壓狀態(tài)時，顯示裝置重構(gòu)各個按鍵控制功能，并進行故障按鍵提示。示意圖如圖3 所示。

圖3：按鍵掃描余度設(shè)計示意圖

通過增加關(guān)鍵功能控制電路余度設(shè)計和接口電路回環(huán)自檢測設(shè)計，可以有效剔除產(chǎn)品故障，并提高關(guān)鍵功能任務(wù)可靠性。

3.7 容差設(shè)計

在產(chǎn)品的設(shè)計中充分考慮零件、元器件的制造容差、溫漂、時漂等影響，對穩(wěn)定性要求高的電路，進行容差設(shè)計。

根據(jù)整機技術(shù)指標要求分析，液晶顯示模塊中的“LED驅(qū)動電路”、“加熱驅(qū)動電路”、“溫度采集電路”以及計算機圖形模塊中的“模擬量采集預(yù)處理電路”定義為“高穩(wěn)定要求”電路，需進行容差分析和設(shè)計。

在相應(yīng)電路的設(shè)計中，采用反饋技術(shù)、補償或抑制由元器件參數(shù)變化帶來的影響，實現(xiàn)電路性能的穩(wěn)定。用篩選的方法控制元器件、材料的參數(shù)漂移。并盡量選擇特性參數(shù)標準偏差較小的元器件，保證器件性能參數(shù)的一致性。

上述液晶顯示和計算機圖形模塊中，相應(yīng)電路所采用的A/D 轉(zhuǎn)換器，主要用于采集環(huán)境光照度、液晶屏溫度、背光燈溫度。對于A/D 轉(zhuǎn)換采取每次工作時通過利用A/D 轉(zhuǎn)換器的空閑通道實時檢測零點及滿刻度的電壓漂移，來保證轉(zhuǎn)換精度。

容差分析流程如圖4 所示。容差分析方法通常包括最壞情況試驗法、最壞情況分析法和蒙特卡羅法等。其中除最壞情況試驗法外，其余兩個都是理論計算分析方法。容差分析整體流程如圖4 所示。

圖4：容差分析整體流程

結(jié)合目前產(chǎn)品的研制進度情況，由于液晶顯示和計算機圖形相關(guān)電路的解析數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，手工計算工作量大，故考慮使用PSPICE 軟件仿真，并選擇蒙特卡羅分析法進行電路容差分析。選用仿真軟件進行容差分析效率高，所有參數(shù)的設(shè)置在軟件中即可完成，避免大量的手工計算。

3.8 接口匹配性設(shè)計

外部RS-422A 接口按照差分120 歐姆進行阻抗匹配設(shè)計。

為避免電源接口處的浪涌電流，在開關(guān)管源極和柵極之間加裝了電容，可以延緩開關(guān)速度，有效抑制開機浪涌電流。

對于輸入離散量，后級計算機圖形模塊上與接口光耦之間采用總線驅(qū)動器進行隔離與FPGA 對接，以提高接口信號的驅(qū)動強度。

對于輸出離散量，需在光耦后端串一級MOS 管，輸出的離散量實質(zhì)即為外部輸入的28V 電源經(jīng)MOS 管控制通斷后的直接輸出，故電路的輸出電壓與輸入電壓完全一致，采用兩路光耦去驅(qū)動一路MOS 管。同時輸出離散量增加隔離二極管，防止系統(tǒng)電流倒灌。

所有對外接口信號均進行接口雷電防護設(shè)計，提高接口可靠性。

3.9 三防設(shè)計

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，采取以下措施保證產(chǎn)品的“三防”要求：

（1）鋁制零件采用導(dǎo)電陽極化，對產(chǎn)品外表面的部分噴三防無光烘漆進行防護。對于銳邊進行倒鈍處理，防止銳邊處漆層過?。?/p>

（2）緊固件材料選用奧氏體不銹鋼，具有良好的三防性能和抗應(yīng)力腐蝕性能。線纜、輔助材料按航空級標準選用；

（3）對PCB 板噴涂聚氨酯清漆進行“三防”處理，針對BGA 封裝器件采取特殊密封措施，防止水汽進入器件底部，引起管腳間絕緣性能下降，造成濕熱環(huán)境下工作異常；

（4）液晶顯示模塊光學(xué)玻璃加有防霧、防霉、防水膜；

（5）采用防潮、防霉包裝。

3.10 軟件設(shè)計

采用避錯設(shè)計、查錯設(shè)計、改錯設(shè)計及容錯設(shè)計，提高軟件的可靠性。

（1）開展軟件工程，加強軟件可靠性管理。軟件開發(fā)依據(jù)GJB 5000A 建立的軟件質(zhì)量體系要求進行,軟件開發(fā)各階段按軟件可靠性工程要求同步進行可靠性設(shè)計、分析；

（2）采用模塊化設(shè)計，控制和最小化軟件的復(fù)雜性；（3）強化程序測試驗證；

（4）采用硬件看門狗技術(shù)對軟件運行狀態(tài)進行監(jiān)控，當程序陷入死循環(huán)時，可使程序復(fù)位；

（5）采用軟件畫面輸出刷新監(jiān)測設(shè)計，防止出現(xiàn)畫面卡頓給飛行員帶來錯誤提示；

（6）在使用循環(huán)的程序段中，不允許無限制地等待。采用循環(huán)等待次數(shù)控制，或使用定時器，使得規(guī)定時間內(nèi)（無論成功或失敗）必須保證退出等待外部信號的程序段；

（7）使用強數(shù)據(jù)類型：如顯示裝置工作模式等重要狀態(tài)信息必須使用十六位二進制表示，防止干擾造成工作模式偶發(fā)跳變，并且判斷條件不依賴全“0”或全“1”的輸入；

（8）對各輸入數(shù)值進行極限檢測和合理性檢測，當數(shù)據(jù)超限或異常時，進行相應(yīng)的處理。

3.11 工藝可靠性設(shè)計

本產(chǎn)品為電子產(chǎn)品，印制板的安裝主要為電裝相關(guān)工藝，所涉及的這些工藝均編制了相應(yīng)的通用工藝規(guī)范、規(guī)程等通用工藝文件，在裝配工藝規(guī)程中予以應(yīng)用。裝配工藝規(guī)程中還詳細明確了在裝配過程中應(yīng)避免的失誤、正確的操作方法、防護及檢驗要求。

4 基本可靠性建模分配和預(yù)計

在研制階段初期進行可靠性建模分配工作，畫出產(chǎn)品基本可靠性框圖，以相似產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用比例組合分配法，將產(chǎn)品的可靠性指標分配到各功能模塊，采用應(yīng)力分析法進行基本可靠性預(yù)計。

4.1 基本可靠性建模

依據(jù)GJB 813-1990 的要求，機電參數(shù)顯示裝置的基本可靠性模型是一個串聯(lián)模型，包括冗余工作模式的單元都按串聯(lián)處理，機電參數(shù)顯示裝置的基本可靠性框圖見圖5。

圖5：數(shù)學(xué)模型

串聯(lián)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型見如下公式。

式中：

MTBF——平均故障間隔時間，單位為小時(h)；

λ——總失效率，單位為10每小時(10/h)；

λ——分失效率，單位為10每小時(10/h)。

4.2 基本可靠性指標分配

4.2.1 分配方法

機電參數(shù)顯示裝置有相似產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)，故采用比例組合分配法。比例組合分配法可以對產(chǎn)品的故障率、MTBF 等基本可靠性指標進行分配，且有相似產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)時，用比例組合法進行可靠性分配可以得到良好的分配結(jié)果。

4.2.2 分配模型

確定新產(chǎn)品的可靠性指標λ和相似產(chǎn)品故障率λ，按如下公式計算比例系數(shù)k：

式中：

λ—新產(chǎn)品可靠性指標；

λ—相似產(chǎn)品故障率；

k—比例系數(shù)。

按如下公式計算分配給新產(chǎn)品第i 個功能模塊的故障率：

式中：

λ—分配給新產(chǎn)品第i 個功能模塊的故障率；

λ—相似產(chǎn)品中第i 個功能模塊的故障率；

k—比例系數(shù)。

4.2.3 分配結(jié)果

根據(jù)可靠性指標要求，機電參數(shù)顯示裝置的平均故障間隔時間（MTBF）規(guī)定值為8000h，取規(guī)定值的1.25 倍10000h 為分配值，λ為100×10/h。由相似產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)可知λ為99.2×10/h，則比例系數(shù)k 為1.01。

4.3 基本可靠性預(yù)計

4.3.1 預(yù)計方法

機電參數(shù)顯示裝置可靠性指標為平均故障間隔時間(MTBF)，可靠性預(yù)計為基本可靠性預(yù)計，基本可靠性的模型為全串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

目前機電參數(shù)顯示裝置所使用的元器件規(guī)格、數(shù)量、工作應(yīng)力和環(huán)境、質(zhì)量系數(shù)等都已經(jīng)確定，可利用產(chǎn)品的工作環(huán)境和使用應(yīng)力信息，采用應(yīng)力分析法計算獲得產(chǎn)品各功能模塊較準確的可靠性預(yù)計值。

基本可靠性預(yù)計方法說明如下：

（1）用應(yīng)力分析法進行基本可靠性預(yù)計；

（2）國產(chǎn)元器件按GJB/Z 299C-2006 進行預(yù)計；

（3）進口元器件按GJB/Z 299C-2006 附錄A 進行預(yù)計；

（4）環(huán)境分類為ARW（直升機座艙），環(huán)境系數(shù)πE取相應(yīng)值，環(huán)境溫度取最高工作溫度70℃。

4.3.2 預(yù)計結(jié)果

機電參數(shù)顯示裝置預(yù)計值MTBF 為13157.89h，高于成熟期規(guī)定值，滿足可靠性指標要求。

從可靠性預(yù)計報告可以看出，各功能模塊中，電源模塊、計算機圖形模塊是顯示裝置產(chǎn)品中故障率排名前兩位的模塊，是影響顯示裝置可靠性水平的關(guān)鍵部分。其中電源模塊的預(yù)處理電路、計算機圖形模塊的接口電路失效率較高，是產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，需要采取必要的設(shè)計或工藝改進措施來降低其失效率。為進一步提高顯示裝置的基本可靠性水平，應(yīng)該重點針對上述故障率高的模塊進行設(shè)計改進。例如采取優(yōu)化電路、減少元器件種類數(shù)量、提高關(guān)鍵元器件質(zhì)量等級、降額設(shè)計、加強功率器件的散熱等措施。

5 結(jié)論

近年來，高可靠性的機載顯示裝置一直是機艙電子系統(tǒng)發(fā)展的必然要求。本文基于某型號飛機機電系統(tǒng)的機電參數(shù)顯示控制裝置，提出一種高可靠性顯示裝置設(shè)計思路和方法，可將該類產(chǎn)品的可靠性指標提升至10000h 以上，大大提高了飛機機電系統(tǒng)顯示裝置的可靠性指標。