远程数据采集系统的可靠性仿真研究

2012-09-20敖长林陈红光

东北农业大学学报 2012年11期

于嵩，敖长林，陈红光

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150010；2.东北农业大学理学院，哈尔滨 150030；3.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030）

近年来，随着单片机系统的不断发展，单片机在精准农业、工业自动化、生产过程控制、智能化测试仪器仪表等领域的应用越来越深入。由于测控系统所处的环境越来越复杂，各种不同形式的干扰都在影响系统的正常运行；有来自系统内部和外部的各种电气干扰，还有系统的结构设计、元器件的选择、安装和制造工艺等因素的影响，均可降低单片机系统的可靠性，主要表现在系统数据采集误差大、控制状态失灵、数据发生变化等方面[1]。

远程数据采集系统可以实现数据的实时准确采集和远距离传输，在精准农业中占有重要地位，其可靠性高低直接影响测产系统的信息传输质量，进而影响机器系统的作业效果，研究其可靠性对农业生产具有重要意义。

本文采用计算机仿真技术对系统进行可靠性分析，利用故障树分析和蒙特卡罗相结合方法，对远程数据采集系统进行可靠性仿真，找到影响系统可靠性的各种不利因素，从而采取相应预防措施。

1 系统工作原理和失效分析

1.1 远程数据采集系统的的工作原理

本系统设计的硬件电路由两个模块组成，分别是采集模块和通信模块；采集模块在现场进行数据采集和处理，通过有线或者无线设备与通信模块进行数据通信，通信模块还要与计算机进行串口通信。系统硬件电路如图1所示。采集模块由模数转换电路、单片机电路、串并转换电路、调制解调电路组成。该模块完成模拟量向数字量的转换，数据处理，信号的调制，信号的功率放大及发送等功能。通信模块由调制解调电路，串并转换电路，单片机电路组成，主要完成信号的接收和放大，并与计算机进行串口通信。

图1 系统硬件电路原理Fig.1 System hardware circuit

1.2 系统的失效分析及其故障树

故障树分析法（FAT），是一种评价复杂系统可靠性与安全性的重要方法。FAT把系统事件作为故障树的顶事件，用规定的逻辑符号表示，找出导致事件所有可能发生的直接因素和原因，它们是处于过渡状态的中间事件，并由此逐步深入分析，直到找出事故的基本原因，即故障树的底事件为止，这样逐层的建立系统故障树。该系统由两套单片机系统和连接二者的有线或无线设备组成，单片机应用系统的硬件电路构成比较复杂、所用元件品种繁多，工作场所环境复杂，所以系统失效的因素也比较多。

由于外界干扰和电源内部噪声等影响，可使电源发生故障，电源故障则会导致系统供电不足或运行故障。在实际的工业现场，存在着大量的复杂的干扰信号,可导致采集模块的组成电路发生故障，如传感器故障、模数转换电路故障、调制解调电路故障等。导致通信模块故障的原因是由于外界干扰（如空间电场磁场干扰）的存在，出现信道故障，单片机电路故障，接收电路故障,通信电路故障等。根据以上分析建立本系统的故障树，如图2所示。

图2 系统的故障树Fig.2 System fault tree

2 系统的数字仿真原理及过程

2.1 仿真模型的建立

2.1.1 系统组成

由图2可知，远程数据采集系统的故障树含有9个底事件，用S表示系统，则有：

其中Zi（i=1，2，…，9）表示底事件，已知每一个底事件的失效分布函数均为指数分布，设为：

其中λi（i=1，2，…，9）为失效率。

2.1.2 可靠性仿真逻辑关系

如果故障树的一些底事件都发生时将会引起顶事件发生，那么这些底事件组成的集合就称为这个故障树的割集；若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集，则该割集称为最小割集。对系统建立的故障树，用下行法[2-3]求出其所有最小割集为9个。

以Mi（i=1，2，…，9）表示最小割集，根据最小割集的定义，只要有一个最小割集发生，则顶事件必然发生，而该最小割集中的底事件必全部发生，所以，顶事件Φ和最小割集及其包含的底事件之间的逻辑关系表示为：

2.2 系统可靠性仿真原理及过程

系统可靠性仿真利用Monte Carlo方法[4]产生0～1之间的均匀随机数，代入到基本部件的失效分布函数的反函中，得到底事件的失效时间。仿真时，在每个最小割集范围内找出失效时间最大的部件，该部件失效时，该割集中所有的部件已经失效，从而说明系统失效。由于最小割集之间的关系为或的逻辑关系，所以对所有失效时间最大值再排序，找出其中最小值，就是系统的失效时间[5-6]。仿真过程如下：

2.2.1 初始数据

本系统的基本部件的失效分布函数均为指数分布，总仿真次数为10 000次，系统最大工作时间为25 000 h，最小割集数目为9个，即所有的底事件。

2.2.2 底事件的失效时间

已知基本部件的失效分布函数及参数,利用反函数法求得第i个底事件Zi失效时间为：