對電子類實驗教學設備可靠性的一些思考

徐 明， 徐曉紅

(國防科學技術大學 機電工程與自動化學院, 湖南 長沙 410073)

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對電子類實驗教學設備可靠性的一些思考

徐 明， 徐曉紅

(國防科學技術大學 機電工程與自動化學院, 湖南 長沙 410073)

實驗教學設備可靠性低下是目前普遍存在的現象，但卻又沒有得到足夠的重視。首先指出設備失效的看似“低危害性”是其可靠性不被重視的主要原因，并進一步指出設備在實驗課中表現出的低可靠性將對學生產生更為深遠的負面影響，危害遠大于原先的認識；然后，從設備內部器件可靠性、學生的行為特性和設備的可靠性設計缺陷3個方面研究了影響設備可靠性的原因。分析發現可靠性設計缺陷是導致其可靠性低下最主要的因素。最后提出了實驗教學設備應該滿足的3條可靠性需求原則，并從這些原則出發給出了一些提高設備可靠性的措施。

實驗教學設備； 可靠性； 可靠性設計

目前大部分電子類實驗教學設備可靠性低下已是不爭的事實[1-3]，其可靠性遠低于大眾消費級電子產品，更比不上工業級和軍工級產品。即使如此，實驗教學設備的質量多年來一直都沒有得到足夠的重視。“實驗教學設備”往往變成了“試驗教學設備”，開設的實驗課在一定程度上變成了“測試”教學設備本身可靠性的“試驗課”，而學生則成了“測試員”。分析實驗教學設備可靠性不被重視的原因，跟其設備自身應用場合、服務對象和故障后果等因素有關。實驗教學設備使用對象絕大多數是學生。學生使用設備的主要目的是利用所學知識完成某些特定實驗或驗證特定理論，不像消費電子出現故障讓使用者感受到財產的損失，也不像工業產品和軍工產品失效后可能會出現嚴重的安全問題和社會危害，實驗教學設備在使用過程中表現的不可靠性更多的是影響實驗結果和教學效果，而實際的設備損失往往比較小，對實驗教學效果的影響，似乎也難以評價。然而，就是因為實驗教學設備失效而導致的看似“不嚴重性”和“難以評價性”，致使很多實驗室、院校愿意容忍其較低可靠性。

1 實驗教學設備不可靠的影響

很多實驗教師似乎已經習慣，甚至默認實驗教學設備本來就是不可靠的。于是，在課上，常常會聽到學生這樣提問：“老師，剛才行的，現在不行了”，“老師，我按照步驟做，但結果就是不對”。也時常會聽到教師這樣的回答：“重新啟動設備試一下”，“換一臺設備再試一下”。當然，很多時候教師也會跟學生一起查找問題。然而，這種一對一的比較耗時的指導需要具備一個重要前提：出現問題的學生比較少，實驗教學設備可靠性較高。當多個學生同時出現由于實驗教學設備不可靠導致的實驗障礙，即使實驗教師經驗豐富，在課前準備充分也無濟于事，必然會影響實驗教學效果。

往往就是這種影響，導致有些學生對某些課程失去興趣，同時也給他們傳遞了一個信息：“實驗教學設備是不可靠的”。但多數學生會把這個信息錯誤地理解為：“系統內部器件不可靠，導致了設備不可靠”。這種錯誤的認識如果不及時糾正，會對他們日后工作產生深遠影響。比如，現在做單片機實驗，當學生看到單片機實驗系統不可靠，就會聯想到單片機本身不可靠，以后當學生走上工作崗位，需要使用到單片機開發系統的時候，他們會對單片機是否能勝任系統可靠性而心存顧慮，缺乏信心。而糾正這種存在偏差的認識，往往比開發一套可靠的實驗教學設備更困難，耗時更長。因為，人的信心建立過程需要借助于多次成功的經歷去強化[4-5]。因此，實驗教學設備不可靠的危害不容小覷，不單單會使實驗教師更忙，增加設備維護的工作量，更會影響學生對實驗課的體驗，產生挫敗感和錯誤的認識，并且這種負面影響將是深遠的、長久的。實驗教學設備的不可靠性有必要引起我們足夠的重視。

當然，有經驗的教師也可以把實驗教學設備的不可靠性當作反面教材，給學生剖析系統不可靠的原因，怎樣才能做到可靠。但這往往又超出了實驗課本身的教學范圍，況且又有多少教師真正清楚實驗教學設備的設計細節和問題所在。

2 影響實驗教學設備可靠性的原因

導致電子類實驗教學設備不可靠性，除了與構成設備的電子元器件本身不可靠性有關外，更重要的是還與系統被不合理的設計和不適當的使用有關。

2.1 器件自身失效對設備可靠性的影響

電子器件在正常的工況下，可靠性是非常高的，如一般電阻、電容的可靠性達到每小時10-9失效概率，而很多集成芯片的可靠性達到每小時10-7失效概率[6-7]。如果整個系統按照200個器件考慮，其每小時的失效概率也只有10-6左右。對于擁有100臺實驗設備的教學實驗室，每小時失效概率應在10-4以內，也就是從概率上考慮一年不會超過一臺設備失效。

而實際上由這些電子器件搭建起來的實驗教學設備的可靠性遠低于這個數值。電子器件滿足其標稱的可靠性需要一個重要前提：在其規定的工況下工作。這些工況往往包含其工作電壓、電流、溫度、濕度等多個方面[8]。當某些情況的出現使電子元器件超出了正常工作范圍，其壽命將受到極大的影響。比如，原本一個5 V供電的單片機，把其電源或輸入輸出管腳接到12 V的電源上，用不了幾秒這塊單片機就會損壞。因此，為了確保設備較高的可靠性，首先需要保證構成該設備的電子器件應該工作在其規定的工況下。

如果要突破單個器件自身可靠性對整個系統的影響，還可以采用冗余的方法設計系統[9-10]，但對于本文討論的電子類實驗教學設備來說，建立在單個器件自身可靠性的設備已經相當可靠，可以滿足絕大部分實驗教學的需求。

2.2 學生行為特性對設備可靠性的影響

學生的操作錯誤會導致實驗教學設備故障或不可靠。為了保證實驗教學設備內的電子器件能夠在正常的工況下工作，從而確保設備的可靠性，在做實驗時教師往往會反復強調：“上電前一定要仔細檢查線路是否有問題”、“插拔連線需要斷電”、“電源千萬不要反接”。

國際工業安全標準IEC61508[11]對人可靠性的分析，認為人的可靠性是非常低的。一個只是經過簡單訓練的人，其完成特定任務的可靠性大概是90%，也就是每10次操作中，就可能有1次錯誤。即使經過嚴格訓練的使用者，并有嚴格的操作流程，一般也只認為達到99%的可靠性。對于即將做實驗的學生來說，事先可能連設備都沒摸過，更談不上事先經過了訓練，因此，即使他們在實驗課上被反復告知不能做什么、應該怎么做，還是會有不少學生會想當然地按照自己的想法去做，可見學生在實驗課上的行為是不可靠的，也是不完全可控的。

學生的這種不可靠的行為特性是實驗設備的標稱可靠性遠比實際使用的可靠性低很多的一個重要原因。很多時候實驗教師測試每臺實驗設備都沒問題，但是學生做實驗就出現很多問題，這跟學生不可靠的行為特性有著密切的關系。我們不鼓勵學生這種不可靠的行為特性，但事實上我們又無法完全排除。比如，從操作安全考慮，實驗課中不鼓勵學生帶電操作、進行熱插拔，避免養成一種不好的操作習慣。但從實驗教學設備角度上看，如果學生確實由于操作的疏忽進行了熱插拔，也不應該導致設備的故障。

2.3 設計缺陷對設備可靠性的影響

實驗教學設備設計缺陷是影響其可靠性最主要的原因。這種缺陷往往不是我們平常最關注的功能、性能問題，而是可靠性設計問題。功能和性能往往是一個實驗室、學校選擇或設計實驗教學設備首要關心的問題，但也常常被過分重視而忽略了其他因素。當驗證設備功能和性能滿足需求后，我們往往匆匆地斷定該設備滿足實驗教學要求，而缺少靜下心來好好驗證該設備的可靠性如何。這也是為什么很多實驗教學設備提供商樂意羅列一堆功能和性能，而對設備的可靠性、保護措施等提之甚少，甚至避而不談的原因。另一方面，可靠性設計建立在功能設計基礎之上，是一種更高層次的設計，需要考慮的因素更多，并且這些因素很多建立在豐富的工程經驗基礎之上。

圖1是某教學儀器廠商設計的微機原理與接口技術實驗平臺8254定時器部分的面板，圖2為該部分的原理圖。從功能的角度分析，該設計沒有任何問題，但實際使用過程中，芯片8254老是損壞。那是因為在實驗過程中，原本應該把芯片的輸出管腳接到LED的輸入端，從而觀察輸出效果，但由于學生不可靠的行為特性，常常把芯片的該引腳誤接到面板上的開關量輸出端(LED輸入端和開關量輸出端在實驗平臺的面板上分別處于上下兩排，容易混淆)，從而導致輸出短路，燒毀芯片8254的輸出管腳。而對于學生來說，即使在實驗過程中糾正了這個錯誤，但由于芯片已經損壞，無法得到預期的實驗結果，將影響實驗進度。

圖1 實驗平臺定時器模塊

圖2 實驗平臺定時器模塊原理圖

這種由于操作錯誤導致的設備故障，看上去應該把責任歸到操作者身上，但其實不然。在實驗過程中學生行為的不可靠性是必然存在的，我們不能也不可能保證每一位學生在實驗過程中的每一步都不出差錯。學生的錯誤操作只是導致設備故障的一個條件，但是從設備自身角度考慮，完全可以通過合理的設計切斷這種條件和設備故障之間的聯系。比如，我們只要在芯片8254的輸出管腳上串聯一個限流電阻，就可以避免其燒毀。當然，除了上述問題，還可能有其他因素也導致設備故障，比如，學生不小心把12 V的電源接到了特定管腳上，導致芯片燒毀，或者其身上的靜電擊毀了某塊芯片等。

設備的故障往往結合使用者的不可靠行為出現。很多時候，不同的使用者在不同的操作下，設備完成某個任務的可靠性是不同的。這里依賴于特定操作的可靠性本身是存在缺陷的，在實驗教學設備設計過程中應該盡量避免。這就需要設備設計者在設計過程中充分考慮多種可能誘導設備故障的因素，并通過充分的分析、測試和驗證。

3 提高實驗教學設備可靠性的原則

在影響實驗教學設備可靠性的諸多因素中，電子器件自身的可靠性對目前實驗教學設備可靠性需求而言可以忽略，學生行為的不可靠性不可避免，而最有效、也最應該做的是盡量減少設備的可靠性設計缺陷。

3.1 可靠性設計原則

根據實驗教學設備的特性，為了在一定程度上保障設備的可靠性，至少應該滿足3條可靠性設計原則：

(1) 設備可靠性不依賴于使用者的操作可靠性，即在學生實驗過程中的誤操作不會帶來設備可靠性的降低；

(2) 軟硬件相結合的實驗設備，硬件可靠性不能依賴于軟件可靠性，即軟件的錯誤不會帶來硬件的永久性故障；

(3) 實驗設備能夠長時間較穩定工作。

上述3條原則只是從可靠性需求角度給出，但具體應該怎樣滿足這些原則，還需要更詳細的設計指導。

3.2 設計建議

3.2.1 針對原則1的建議

學生在實驗過程中可能把輸入誤認為輸出或者輸出誤認為輸入，甚至電源反接，高電壓接到低電壓供電的芯片等。針對這些問題，可以采用以下措施應對。

(1) 對電子器件的輸入輸出管腳進行隔離，如對管腳比較脆弱的單片機、處理器或者其他芯片進行光電隔離。

(2) 限制輸入接口吸取電流能力，如串聯限流電阻。

(3) 限制輸出接口的驅動電流能力，如串聯限流電阻。雖然，限流電阻的加入會影響芯片管腳的扇出能力，但對于目前絕大部分應用，限制后的扇出也夠用了。

(4) 為輸入輸出接口添加過壓和靜電保護功能，如接口和地之間跨接TVS管。

(5) 有極性的管腳，應該采用帶方向的接插件，特別是電源接插件，或者加入二極管提供反接保護。

(6) 能被學生觸碰到的電路板應該涂防潮漆和絕緣漆，防止學生的誤碰導致電路故障。

3.2.2 針對原則2的建議

(1) 硬件在設計過程中不留任何可靠性隱患，能用硬件保護的，不采用軟件保護。如與電機相關的實驗設備，電機堵轉可能會燒毀電機、驅動電流或電源，在發生堵轉時，不要指望每個學生都能停止輸出命令，而是應該從硬件上進行限流保護，防止堵轉導致硬件故障。同樣的，其他需要軟件配合保護功能的，都需要加以硬件保護。我們始終需要明白，軟件的可靠性依賴于人，而人本身又是非常不可靠的。

(2) 輸入輸出接口功能盡量要分開，如果必須要2種功能同時存在，需要做好各種限流、限壓保護措施。

3.2.3 針對原則3的建議

做實驗時，經常會遇到設備時而正常、時而不正常，并且往往找不到明確的原因，這是設備的穩定性比較差。這種不穩定性，從實驗操作的角度來看，似乎是隨機的，但本質上是設計的缺陷，其不穩定具有必然性。

(1) 設計的電源不穩定或者抗干擾能力差，往往會導致系統可靠性差。如電源抗共模能力差、文波太大、瞬態響應弱、缺乏設計合理的濾波電路，都會導致整個設備工作不穩定。

(2) 在對噪聲比較敏感的電路中，模擬地和數字地、信號地和功率地需要妥善處理，如隔離或單點相接，并在每個器件電源輸入口合理退偶電路。

(3) 對于頻率較高、走線較長的電路，需要考慮信號的完整性。

上面從3個方面簡單列舉了一些影響實驗教學設備可靠性的因素，以及可以提高可靠性的措施。對于實際的設備，可能會遇到更多的問題，也需要更多的措施保障其可靠性。其可靠性的設計方法除了需要結合實驗教學設備自身的特點，還可以借鑒工業中一些成熟的技術[12]。

4 結束語

在設計或選擇實驗教學設備時，除了需要考慮其功能和性能外，更應該重視其可靠性。本文從電子器件本身可靠性、學生不可靠的行為特性和設備的可靠性設計缺陷3個方面研究了影響實驗教學設備可靠性的原因，并從這些原則出發給出了一些改善設備可靠性的措施。

References)

[1] 蘇默.高效實驗設備故障診斷與維護管理策略[J].中國科技信息,2012(10):165.

[2] 李艷華.加強實驗儀器設備維護的探討[J].中國現代教育裝備,2007(6):93-94.

[3] 鄭鐳,郭力娜,段立偉,等.關于高效實驗設備維護平臺建設[J].河北聯合大學學報,2012,12(4):151-154.

[4] 張厚粲，徐建平.現代心理與教育統計學 [M].3版.北京: 北京師范大學出版社,2009.

[5] 胡高.大學教學信心研究[D].長沙:中南大學,2004.

[6] 陽憲惠,郭海濤.安全儀表系統的功能安全[M].北京:清華大學出版社,2007.

[7] Gruhn P,Cheddie H. Safety Instrumented Systems: Design,Analysis and Justification [M]. 2nd ed. US:ISA,2006.

[8] 王磊,薛雙苓.電氣自動化控制設備可靠性研究[J].科技傳播,2011(19):51-52.

[9] Birolini A. Reliability Engineering: Theory and Practice [M].Berlin: Springer,2010.

[10] Exida. Safety Equipment Reliability Handbook [M]. 2nd ed.exida.com,2005.

[11] IEC 61508 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems [S].2nd ed. Geneva: IEC,2010.

[12] 宋保維.系統可靠性設計與分析[M].西安:西北工業大學出版社,2008.

Some thoughts on reliability of electronic experimental teaching equipment

Xu Ming, Xu Xiaohong

(Department of Automatic Control,College of Mechatronics and Automation，National University of Defense Technology, Changsha 410073，China)

It is a common phenomenon that the experimental teaching equipment has low reliability,and yet does not get enough attention. First,this paper points out that the seemingly “low harm” of the failure of the equipment is the main reason for the equipment’s reliability of not being taken seriously. Further,this paper points out that the low reliability of equipment showed in the experiments will have more profound negative influence for students,and the harm is far greater than that of the original understanding. Then,this paper studies the causes of influence on equipment reliability from three aspects of components reliability,behavioral characteristics of students and reliability design defects. Analysis shows that the reliability design defects are the main factors that lead to the low reliability of equipment. Finally,this paper proposes three principles of reliability requirements which should be met in the design process of the equipment,and when departing from these principles, some methods for improving equipment reliability are put forward.

experimental teaching equipment; reliability; reliability design

2014- 07- 13

2012年湖南省教改項目

徐明(1982—)，男,浙江嘉興，博士，講師，主要從事系統可靠性和安全性設計與分析等方面的研究.

E-mail：xuming_82@126.com

TM92；G482

A

1002-4956(2015)2- 0236- 04