機載機電參數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。國內外飛機機電系統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，隨著國內座艙技術的發展，座艙液晶顯示裝置可靠性水平不斷提高，當前，國內一些先進的座艙顯示裝置研制生產企業充分利用電子集成電路、模塊化、一體化設計等技術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備的可靠性水平。本文基于某型產品對飛機機電顯示控制裝置，研究該類產品可靠性提升方法。

1 顯示裝置組成及原理

機電參數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生、接口管理的中心。主要實現對RS-422A、RS232、A/D 采集、離散量等接口采集和輸出。完成本地作圖，驅動液晶顯示模塊顯示。

電源模塊實現將機上輸入電源經濾波、隔離和防尖峰、浪涌、斷電保護處理，并將機上電源轉換成顯示裝置內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，實現畫面顯示功能。

導光板主要用于實現周邊按鍵和旋鈕控制功能，設計有環境光照度傳感器，采集環境光照度信息，用于機電參數顯示裝置自動亮度調節。

2 可靠性設計思路

在開展可靠性設計時，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計措施，更好地滿足產品的技術要求和實際使用要求。

明確了顯示裝置可靠性設計主要工作內容如表1 所示。

表1：可靠性設計主要工作內容

3 可靠性設計措施

3.1 成熟設計

顯示裝置相關技術盡量采用同尺寸顯示裝置成熟技術。產品顯示性能、系統架構和功能基本一致，通過采用成熟技術，降低了研制風險，提高產品可靠性。

3.2 簡化設計

實施集成化設計。在設計中，盡量采用集成度高的組件，使分立元器件減少到最小程度。大規模集成電路的應用，將一些分立器件的功能集成到其內部，通過軟件實現其功能。簡化架構，節省系統資源。通過簡化電路結構，減少了元器件數量，提高了產品的可靠性。

3.3 降額設計

在電路設計中，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線的工作電壓、工作電流等參數進行了降額設計。除在設計中應用這種“靜態”的方法外，根據失效分析的經驗，器件失效的主要原因是受到瞬態的過電應力。所以機電參數顯示裝置降額設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電應力和器件的結溫，按仿真結果對降額進行修正。

顯示裝置電路設計時，對元器件的降額等級設定為Ⅱ級，各元器件參數的降額因子為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 機械可靠性設計

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

（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應力不超過其屈服強度極限，響應位移不會引起結構件之間的摩擦和碰撞；

（2）在結構和工藝設計中避免應力集中；

（3）采用結構剛性化技術，綜合考慮減重設計及剛強度設計，配合仿真工具在結構件強度薄弱區域進行加強設計；

（4）減少結構件數量，復雜結構件應采取一體成型的加工方式，保證結構件安裝時的剛強度。

3.5 散熱設計

散熱設計主要包括機箱整體整機散熱和各組成模塊散熱設計。如何把熱量有效的傳遞到顯示裝置外表面，并盡快散出去是結構熱設計的關鍵，顯示裝置的結構設計在保證能承受外界各種環境、機械應力的前提下，充分保證對流換熱、傳導、輻射、最大限度的把設備內部產生的熱散發出去，主要采取的措施如下：

（1）顯示裝置機箱外殼設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性好的鋁合金材料；

（3）機箱內部設計盡量分散發熱源，散熱路徑設計合理有效，有效的降低結構內部的溫度；

（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致的散熱不均現象，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，同時通過柔性導熱墊與顯示裝置后蓋板貼合，均勻散熱。

3.6 余度設計

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顯示裝置黑屏故障概率。圖2 為背光余度設計示意圖。

圖2：背光余度設計示意圖

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

圖3：按鍵掃描余度設計示意圖

通過增加關鍵功能控制電路余度設計和接口電路回環自檢測設計，可以有效剔除產品故障，并提高關鍵功能任務可靠性。

3.7 容差設計

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

根據整機技術指標要求分析，液晶顯示模塊中的“LED驅動電路”、“加熱驅動電路”、“溫度采集電路”以及計算機圖形模塊中的“模擬量采集預處理電路”定義為“高穩定要求”電路，需進行容差分析和設計。

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

上述液晶顯示和計算機圖形模塊中，相應電路所采用的A/D 轉換器，主要用于采集環境光照度、液晶屏溫度、背光燈溫度。對于A/D 轉換采取每次工作時通過利用A/D 轉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

結合目前產品的研制進度情況，由于液晶顯示和計算機圖形相關電路的解析數學模型較為復雜，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，所有參數的設置在軟件中即可完成，避免大量的手工計算。

3.8 接口匹配性設計

外部RS-422A 接口按照差分120 歐姆進行阻抗匹配設計。

為避免電源接口處的浪涌電流，在開關管源極和柵極之間加裝了電容，可以延緩開關速度，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動器進行隔離與FPGA 對接，以提高接口信號的驅動強度。

對于輸出離散量，需在光耦后端串一級MOS 管，輸出的離散量實質即為外部輸入的28V 電源經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，采用兩路光耦去驅動一路MOS 管。同時輸出離散量增加隔離二極管，防止系統電流倒灌。

所有對外接口信號均進行接口雷電防護設計，提高接口可靠性。

3.9 三防設計

根據相關規定，采取以下措施保證產品的“三防”要求：

（1）鋁制零件采用導電陽極化，對產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??；

（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，造成濕熱環境下工作異常；

（4）液晶顯示模塊光學玻璃加有防霧、防霉、防水膜；

（5）采用防潮、防霉包裝。

3.10 軟件設計

采用避錯設計、查錯設計、改錯設計及容錯設計，提高軟件的可靠性。

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

（2）采用模塊化設計，控制和最小化軟件的復雜性；（3）強化程序測試驗證；

（4）采用硬件看門狗技術對軟件運行狀態進行監控，當程序陷入死循環時，可使程序復位；

（5）采用軟件畫面輸出刷新監測設計，防止出現畫面卡頓給飛行員帶來錯誤提示；

（6）在使用循環的程序段中，不允許無限制地等待。采用循環等待次數控制，或使用定時器，使得規定時間內（無論成功或失?。┍仨毐ＷC退出等待外部信號的程序段；

（7）使用強數據類型：如顯示裝置工作模式等重要狀態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）對各輸入數值進行極限檢測和合理性檢測，當數據超限或異常時，進行相應的處理。

3.11 工藝可靠性設計

本產品為電子產品，印制板的安裝主要為電裝相關工藝，所涉及的這些工藝均編制了相應的通用工藝規范、規程等通用工藝文件，在裝配工藝規程中予以應用。裝配工藝規程中還詳細明確了在裝配過程中應避免的失誤、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計

在研制階段初期進行可靠性建模分配工作，畫出產品基本可靠性框圖，以相似產品的可靠性數據為基礎，采用比例組合分配法，將產品的可靠性指標分配到各功能模塊，采用應力分析法進行基本可靠性預計。

4.1 基本可靠性建模

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

圖5：數學模型

串聯結構的數學模型見如下公式。

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

機電參數顯示裝置有相似產品的可靠性數據做基礎，故采用比例組合分配法。比例組合分配法可以對產品的故障率、MTBF 等基本可靠性指標進行分配，且有相似產品的可靠性數據時，用比例組合法進行可靠性分配可以得到良好的分配結果。

4.2.2 分配模型

確定新產品的可靠性指標λ和相似產品故障率λ，按如下公式計算比例系數k：

式中：

λ—新產品可靠性指標；

λ—相似產品故障率；

k—比例系數。

按如下公式計算分配給新產品第i 個功能模塊的故障率：

式中：

λ—分配給新產品第i 個功能模塊的故障率；

λ—相似產品中第i 個功能模塊的故障率；

k—比例系數。

4.2.3 分配結果

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

4.3 基本可靠性預計

4.3.1 預計方法

機電參數顯示裝置可靠性指標為平均故障間隔時間(MTBF)，可靠性預計為基本可靠性預計，基本可靠性的模型為全串聯結構。

目前機電參數顯示裝置所使用的元器件規格、數量、工作應力和環境、質量系數等都已經確定，可利用產品的工作環境和使用應力信息，采用應力分析法計算獲得產品各功能模塊較準確的可靠性預計值。

基本可靠性預計方法說明如下：

（1）用應力分析法進行基本可靠性預計；

（2）國產元器件按GJB/Z 299C-2006 進行預計；

（3）進口元器件按GJB/Z 299C-2006 附錄A 進行預計；

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

4.3.2 預計結果

機電參數顯示裝置預計值MTBF 為13157.89h，高于成熟期規定值，滿足可靠性指標要求。

從可靠性預計報告可以看出，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鍵部分。其中電源模塊的預處理電路、計算機圖形模塊的接口電路失效率較高，是產品的薄弱環節，需要采取必要的設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，應該重點針對上述故障率高的模塊進行設計改進。例如采取優化電路、減少元器件種類數量、提高關鍵元器件質量等級、降額設計、加強功率器件的散熱等措施。

5 結論

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