VXI总线多弹头测速模块的可靠性研究

周玲玲，石晓晶，吴健，雪原

（南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094）

1 引言

弹丸飞行速度是武器弹道参数测试中一项至关重要的内容，它是衡量武器特性、弹药特性和弹道特性的一个重要指标。随着常规兵器设计的日趋复杂，测试参数更加繁多，对兵器参数测试系统的响应速度、测量精度及其可靠性、通用性和易维修性提出了更高的要求。针对这一问题，我们研发了基于VXI总线的多弹头测速模块原理样机，虽然模块的关键技术已经突破，但在可靠性、环境适应性等方面还存在着一些问题。为了适应靶场恶劣环境的使用要求，迫切需要转入工程化研究，因此，对VXI总线多弹头测速模块的可靠性进行研究就显得十分重要。

2 VXI总线多弹头测速模块的结构与原理

VXI总线多弹头测速模块的结构如图1所示。

图1 多弹丸速度测速模块的结构图

该模块是一种基于VXI总线的、完全可编程控制的测速模块。可根据需求来外接光电靶或天幕靶等区截装置，完成对普通弹、多头弹和霰弹等弹丸速度的测试。测试结果可通过软面板以多种方式进行实时显示，也可将测试数据保存以便作进一步的分析和处理。

其测试原理基于传统的定距测时法，当弹丸穿过区截装置时产生的过靶信号，经调理与整形后,触发计时控制电路，在计时电路工作的同时，存储相关电路给出与存储相关的存储允许信号及存储地址，实时地将记录的数据存入存储器中。当测量结束后，上位机通过VXI接口电路对存储器进行读取，根据区截装置间的距离，获得弹丸速度。

3 VXI总线多弹头测速模块的可靠性预计

3.1 可靠性预计方法

可靠性预计方法有多种，应力分析法是通过分析元器件所承受的应力，计算元器件在该应力条件下的工作失效率来预计设备可靠性的。它适用于电子设备详细设计阶段。由于VXI总线多弹头测速模块已确定具体的软硬件方案，具备详细的元器件清单、电应力比、环境温度等信息，因此，采用元器件应力分析法对模块进行可靠性预计。

3.2 模块可靠性框图

VXI总线多弹头测速模块由信号调理、FPGA接口控制与逻辑处理、存储和VXI总线驱动等单元组成。根据VXI总线多弹头测速模块的原理，可绘制出其可靠性框图如图2所示。

由图2可见，模块是由串联模型与旁联模型组成。在前端调理电路中设计了光电靶调理电路以及天幕靶调理电路，根据外接的区截装置，测试时仅需选择其中之一。通过靶信号来选择电路开关，使两种调理电路单元进行切换，当两单元都发生故障时，模块才失效。在后端的整形电路中，针对普通弹和霰弹脉宽整形要求的不同，通过脉宽来选择电路开关，使两种整形电路单元进行切换，当两单元都发生故障时，模块才失效。因此，除了调理电路、脉宽整形单元是旁联模型，剩余的单元电路都是只要有一个单元发生故障模，其模块就会失效，因而，可以组成一个总的串联模型单元。基于以上分析，可将图2进一步简化成图3。

3.3 可靠性数学模型

图2 VXI总线多弹头测速模块模块可靠性框图

由于VXI总线多弹头测速模块的元器件的种类繁多，因此将元器件归类并采用应力分析法来计算各类元器件的工作失效率。

图3 VXI总线多弹头测速模块的简化可靠性框图

元器件的工作失效率的数学模型为：

式（1）中：λN——模块中元器件的工作失效率；

λpi——第i种元器件的基本失效率；

Ni——第i种元器件的数量；

N——系统中元器件种类数。

串联系统可靠度的数学模型为：

式（2）中：n——串联单元数。

由两个单元组成不完全可靠的旁联系统的数学模型为：

式（3）中：λ1——工作单元的失效率；

λ2——储备单元的失效率；

μ——工作单元的失效率。

根据图3，VXI总线多弹头测速模块是串联系统，其可靠度数学模型为：

假设各单元产品均以指数分布，工作时间t=10000 h，根据国家军用标准GJB/Z 299C—2006《电子设备可靠性预计手册》，其各单元故障率经计算如表1所示。

表1 各单元产品的故障率

由表1数据，根据可靠性模型可得VXI总线多弹头测速模块的可靠度为：

模块预计的平均无故障时间：

4 VXI总线多弹头测速模块的可靠性试验

VXI总线多弹头测速模块是否适应预定的环境和满足可靠性指标，必须通过大量的试验进行考核。首先需通过环境试验来暴露产品在设计和工艺中存在的问题，确定发生的故障及原因，进而采取相应的改进措施。在此基础上，再进行可靠性摸底试验，可靠性试验不仅是可靠性研究的重要环节，也是进一步提高产品可靠性的有效措施。

4.1 可靠性试验方案

为了对模块工程化设计的效果进行检验，验证VXI模块工程产品是否满足可靠性指标要求，经过功能测试、老炼试验、环境应力筛选试验和环境适应性试验合格后的模块，在规定的综合环境试验条件下进行了可靠性摸底试验。根据国家军用标准GJB 899-90，我们采用了短时间高风险试验方案。短时高风险试验方案采用的α，β为30%，

MTBF的可接收质量水平θ0与最低可接收值θ1之比即鉴定比d=θ0/θ1取3.0。具体方案见表2。

其中α是生产方风险，β是使用方风险，θ0是MTBF检验上限（10000）值，θ1是MTBF检验下限（3333）值。

4.2 可靠性试验数据的处理

由于试验采用2套系统形式，因此试验时间按照1100 h进行(其中包括550 h系统试验时间)。试验温湿度根据GJB 3947-2000《军用电子测试设备通用规范》标准内容，按4级设备标准进行可靠性鉴定试验。参试产品处于加电工作状态，每天在高低温工作阶段分别进行一次功能测试。每七天之中进行一次主要功能及性能指标测试，试验以模块性能指标中的连发测速精度作为考核指标，其测试及数据处理方法如下：

用规则脉冲信号发生器产生10发Ⅰ靶与Ⅱ靶时间差为1ms的标准脉冲信号，以此来模拟连发状态下弹丸过靶的信号，模块靶间距离设置为“1 m”，此时，速度的“约定真值”应为vs=1000 m/s。由多弹头测速模块测得的10个数据vi，i=1，2，…，n(n=10)，被称为测量值，对其进行数据处理。首先，按式求出测量值的平均值；其次，根据计算出测量值的标准偏差（表征仪器重复性）；再由U(vi)=2S(vi)求出扩展不确定度。

其可靠性摸底试验各阶段，连发测速精度处理后的结果如表3所示。

在试验过程中，模块的性能稳定，测试过程没有发生异常。经数据处理后，处于不同的试验阶段的不同模块都满足：|△|≤0.1%的测试精度要求，则表明模块满足可靠性指标要求。

表3 多弹头测速模块连发测速精度

5 结束语

本文采用应力分析法对模块进行多次可靠性预计，根据影响模块可靠性的主要因素，在工程化研制过程中采取了相应的优化措施。为了考核模块工程化的效果，考验其性能的稳定性及可靠性，我们依据可靠性设计规范的各项要求，通过环境试验、可靠性摸底试验等手段，有效地提高了模块的可靠性，试验结果表明，所研制模块的性能指标达到了工程化设计指标的要求，确保了模块的可靠性。

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