对电子类实验教学设备可靠性的一些思考

徐 明， 徐晓红

(国防科学技术大学 机电工程与自动化学院, 湖南 长沙 410073)



对电子类实验教学设备可靠性的一些思考

徐 明， 徐晓红

(国防科学技术大学 机电工程与自动化学院, 湖南 长沙 410073)

实验教学设备可靠性低下是目前普遍存在的现象，但却又没有得到足够的重视。首先指出设备失效的看似“低危害性”是其可靠性不被重视的主要原因，并进一步指出设备在实验课中表现出的低可靠性将对学生产生更为深远的负面影响，危害远大于原先的认识；然后，从设备内部器件可靠性、学生的行为特性和设备的可靠性设计缺陷3个方面研究了影响设备可靠性的原因。分析发现可靠性设计缺陷是导致其可靠性低下最主要的因素。最后提出了实验教学设备应该满足的3条可靠性需求原则，并从这些原则出发给出了一些提高设备可靠性的措施。

实验教学设备； 可靠性； 可靠性设计

目前大部分电子类实验教学设备可靠性低下已是不争的事实[1-3]，其可靠性远低于大众消费级电子产品，更比不上工业级和军工级产品。即使如此，实验教学设备的质量多年来一直都没有得到足够的重视。“实验教学设备”往往变成了“试验教学设备”，开设的实验课在一定程度上变成了“测试”教学设备本身可靠性的“试验课”，而学生则成了“测试员”。分析实验教学设备可靠性不被重视的原因，跟其设备自身应用场合、服务对象和故障后果等因素有关。实验教学设备使用对象绝大多数是学生。学生使用设备的主要目的是利用所学知识完成某些特定实验或验证特定理论，不像消费电子出现故障让使用者感受到财产的损失，也不像工业产品和军工产品失效后可能会出现严重的安全问题和社会危害，实验教学设备在使用过程中表现的不可靠性更多的是影响实验结果和教学效果，而实际的设备损失往往比较小，对实验教学效果的影响，似乎也难以评价。然而，就是因为实验教学设备失效而导致的看似“不严重性”和“难以评价性”，致使很多实验室、院校愿意容忍其较低可靠性。

1 实验教学设备不可靠的影响

很多实验教师似乎已经习惯，甚至默认实验教学设备本来就是不可靠的。于是，在课上，常常会听到学生这样提问：“老师，刚才行的，现在不行了”，“老师，我按照步骤做，但结果就是不对”。也时常会听到教师这样的回答：“重新启动设备试一下”，“换一台设备再试一下”。当然，很多时候教师也会跟学生一起查找问题。然而，这种一对一的比较耗时的指导需要具备一个重要前提：出现问题的学生比较少，实验教学设备可靠性较高。当多个学生同时出现由于实验教学设备不可靠导致的实验障碍，即使实验教师经验丰富，在课前准备充分也无济于事，必然会影响实验教学效果。

往往就是这种影响，导致有些学生对某些课程失去兴趣，同时也给他们传递了一个信息：“实验教学设备是不可靠的”。但多数学生会把这个信息错误地理解为：“系统内部器件不可靠，导致了设备不可靠”。这种错误的认识如果不及时纠正，会对他们日后工作产生深远影响。比如，现在做单片机实验，当学生看到单片机实验系统不可靠，就会联想到单片机本身不可靠，以后当学生走上工作岗位，需要使用到单片机开发系统的时候，他们会对单片机是否能胜任系统可靠性而心存顾虑，缺乏信心。而纠正这种存在偏差的认识，往往比开发一套可靠的实验教学设备更困难，耗时更长。因为，人的信心建立过程需要借助于多次成功的经历去强化[4-5]。因此，实验教学设备不可靠的危害不容小觑，不单单会使实验教师更忙，增加设备维护的工作量，更会影响学生对实验课的体验，产生挫败感和错误的认识，并且这种负面影响将是深远的、长久的。实验教学设备的不可靠性有必要引起我们足够的重视。

当然，有经验的教师也可以把实验教学设备的不可靠性当作反面教材，给学生剖析系统不可靠的原因，怎样才能做到可靠。但这往往又超出了实验课本身的教学范围，况且又有多少教师真正清楚实验教学设备的设计细节和问题所在。

2 影响实验教学设备可靠性的原因

导致电子类实验教学设备不可靠性，除了与构成设备的电子元器件本身不可靠性有关外，更重要的是还与系统被不合理的设计和不适当的使用有关。

2.1 器件自身失效对设备可靠性的影响

电子器件在正常的工况下，可靠性是非常高的，如一般电阻、电容的可靠性达到每小时10-9失效概率，而很多集成芯片的可靠性达到每小时10-7失效概率[6-7]。如果整个系统按照200个器件考虑，其每小时的失效概率也只有10-6左右。对于拥有100台实验设备的教学实验室，每小时失效概率应在10-4以内，也就是从概率上考虑一年不会超过一台设备失效。

而实际上由这些电子器件搭建起来的实验教学设备的可靠性远低于这个数值。电子器件满足其标称的可靠性需要一个重要前提：在其规定的工况下工作。这些工况往往包含其工作电压、电流、温度、湿度等多个方面[8]。当某些情况的出现使电子元器件超出了正常工作范围，其寿命将受到极大的影响。比如，原本一个5 V供电的单片机，把其电源或输入输出管脚接到12 V的电源上，用不了几秒这块单片机就会损坏。因此，为了确保设备较高的可靠性，首先需要保证构成该设备的电子器件应该工作在其规定的工况下。

如果要突破单个器件自身可靠性对整个系统的影响，还可以采用冗余的方法设计系统[9-10]，但对于本文讨论的电子类实验教学设备来说，建立在单个器件自身可靠性的设备已经相当可靠，可以满足绝大部分实验教学的需求。

2.2 学生行为特性对设备可靠性的影响

学生的操作错误会导致实验教学设备故障或不可靠。为了保证实验教学设备内的电子器件能够在正常的工况下工作，从而确保设备的可靠性，在做实验时教师往往会反复强调：“上电前一定要仔细检查线路是否有问题”、“插拔连线需要断电”、“电源千万不要反接”。

国际工业安全标准IEC61508[11]对人可靠性的分析，认为人的可靠性是非常低的。一个只是经过简单训练的人，其完成特定任务的可靠性大概是90%，也就是每10次操作中，就可能有1次错误。即使经过严格训练的使用者，并有严格的操作流程，一般也只认为达到99%的可靠性。对于即将做实验的学生来说，事先可能连设备都没摸过，更谈不上事先经过了训练，因此，即使他们在实验课上被反复告知不能做什么、应该怎么做，还是会有不少学生会想当然地按照自己的想法去做，可见学生在实验课上的行为是不可靠的，也是不完全可控的。

学生的这种不可靠的行为特性是实验设备的标称可靠性远比实际使用的可靠性低很多的一个重要原因。很多时候实验教师测试每台实验设备都没问题，但是学生做实验就出现很多问题，这跟学生不可靠的行为特性有着密切的关系。我们不鼓励学生这种不可靠的行为特性，但事实上我们又无法完全排除。比如，从操作安全考虑，实验课中不鼓励学生带电操作、进行热插拔，避免养成一种不好的操作习惯。但从实验教学设备角度上看，如果学生确实由于操作的疏忽进行了热插拔，也不应该导致设备的故障。

2.3 设计缺陷对设备可靠性的影响

实验教学设备设计缺陷是影响其可靠性最主要的原因。这种缺陷往往不是我们平常最关注的功能、性能问题，而是可靠性设计问题。功能和性能往往是一个实验室、学校选择或设计实验教学设备首要关心的问题，但也常常被过分重视而忽略了其他因素。当验证设备功能和性能满足需求后，我们往往匆匆地断定该设备满足实验教学要求，而缺少静下心来好好验证该设备的可靠性如何。这也是为什么很多实验教学设备提供商乐意罗列一堆功能和性能，而对设备的可靠性、保护措施等提之甚少，甚至避而不谈的原因。另一方面，可靠性设计建立在功能设计基础之上，是一种更高层次的设计，需要考虑的因素更多，并且这些因素很多建立在丰富的工程经验基础之上。

图1是某教学仪器厂商设计的微机原理与接口技术实验平台8254定时器部分的面板，图2为该部分的原理图。从功能的角度分析，该设计没有任何问题，但实际使用过程中，芯片8254老是损坏。那是因为在实验过程中，原本应该把芯片的输出管脚接到LED的输入端，从而观察输出效果，但由于学生不可靠的行为特性，常常把芯片的该引脚误接到面板上的开关量输出端(LED输入端和开关量输出端在实验平台的面板上分别处于上下两排，容易混淆)，从而导致输出短路，烧毁芯片8254的输出管脚。而对于学生来说，即使在实验过程中纠正了这个错误，但由于芯片已经损坏，无法得到预期的实验结果，将影响实验进度。

图1 实验平台定时器模块

图2 实验平台定时器模块原理图

这种由于操作错误导致的设备故障，看上去应该把责任归到操作者身上，但其实不然。在实验过程中学生行为的不可靠性是必然存在的，我们不能也不可能保证每一位学生在实验过程中的每一步都不出差错。学生的错误操作只是导致设备故障的一个条件，但是从设备自身角度考虑，完全可以通过合理的设计切断这种条件和设备故障之间的联系。比如，我们只要在芯片8254的输出管脚上串联一个限流电阻，就可以避免其烧毁。当然，除了上述问题，还可能有其他因素也导致设备故障，比如，学生不小心把12 V的电源接到了特定管脚上，导致芯片烧毁，或者其身上的静电击毁了某块芯片等。

设备的故障往往结合使用者的不可靠行为出现。很多时候，不同的使用者在不同的操作下，设备完成某个任务的可靠性是不同的。这里依赖于特定操作的可靠性本身是存在缺陷的，在实验教学设备设计过程中应该尽量避免。这就需要设备设计者在设计过程中充分考虑多种可能诱导设备故障的因素，并通过充分的分析、测试和验证。

3 提高实验教学设备可靠性的原则

在影响实验教学设备可靠性的诸多因素中，电子器件自身的可靠性对目前实验教学设备可靠性需求而言可以忽略，学生行为的不可靠性不可避免，而最有效、也最应该做的是尽量减少设备的可靠性设计缺陷。

3.1 可靠性设计原则

根据实验教学设备的特性，为了在一定程度上保障设备的可靠性，至少应该满足3条可靠性设计原则：

(1) 设备可靠性不依赖于使用者的操作可靠性，即在学生实验过程中的误操作不会带来设备可靠性的降低；

(2) 软硬件相结合的实验设备，硬件可靠性不能依赖于软件可靠性，即软件的错误不会带来硬件的永久性故障；

(3) 实验设备能够长时间较稳定工作。

上述3条原则只是从可靠性需求角度给出，但具体应该怎样满足这些原则，还需要更详细的设计指导。

3.2 设计建议

3.2.1 针对原则1的建议

学生在实验过程中可能把输入误认为输出或者输出误认为输入，甚至电源反接，高电压接到低电压供电的芯片等。针对这些问题，可以采用以下措施应对。

(1) 对电子器件的输入输出管脚进行隔离，如对管脚比较脆弱的单片机、处理器或者其他芯片进行光电隔离。

(2) 限制输入接口吸取电流能力，如串联限流电阻。

(3) 限制输出接口的驱动电流能力，如串联限流电阻。虽然，限流电阻的加入会影响芯片管脚的扇出能力，但对于目前绝大部分应用，限制后的扇出也够用了。

(4) 为输入输出接口添加过压和静电保护功能，如接口和地之间跨接TVS管。

(5) 有极性的管脚，应该采用带方向的接插件，特别是电源接插件，或者加入二极管提供反接保护。

(6) 能被学生触碰到的电路板应该涂防潮漆和绝缘漆，防止学生的误碰导致电路故障。

3.2.2 针对原则2的建议

(1) 硬件在设计过程中不留任何可靠性隐患，能用硬件保护的，不采用软件保护。如与电机相关的实验设备，电机堵转可能会烧毁电机、驱动电流或电源，在发生堵转时，不要指望每个学生都能停止输出命令，而是应该从硬件上进行限流保护，防止堵转导致硬件故障。同样的，其他需要软件配合保护功能的，都需要加以硬件保护。我们始终需要明白，软件的可靠性依赖于人，而人本身又是非常不可靠的。

(2) 输入输出接口功能尽量要分开，如果必须要2种功能同时存在，需要做好各种限流、限压保护措施。

3.2.3 针对原则3的建议

做实验时，经常会遇到设备时而正常、时而不正常，并且往往找不到明确的原因，这是设备的稳定性比较差。这种不稳定性，从实验操作的角度来看，似乎是随机的，但本质上是设计的缺陷，其不稳定具有必然性。

(1) 设计的电源不稳定或者抗干扰能力差，往往会导致系统可靠性差。如电源抗共模能力差、文波太大、瞬态响应弱、缺乏设计合理的滤波电路，都会导致整个设备工作不稳定。

(2) 在对噪声比较敏感的电路中，模拟地和数字地、信号地和功率地需要妥善处理，如隔离或单点相接，并在每个器件电源输入口合理退偶电路。

(3) 对于频率较高、走线较长的电路，需要考虑信号的完整性。

上面从3个方面简单列举了一些影响实验教学设备可靠性的因素，以及可以提高可靠性的措施。对于实际的设备，可能会遇到更多的问题，也需要更多的措施保障其可靠性。其可靠性的设计方法除了需要结合实验教学设备自身的特点，还可以借鉴工业中一些成熟的技术[12]。

4 结束语

在设计或选择实验教学设备时，除了需要考虑其功能和性能外，更应该重视其可靠性。本文从电子器件本身可靠性、学生不可靠的行为特性和设备的可靠性设计缺陷3个方面研究了影响实验教学设备可靠性的原因，并从这些原则出发给出了一些改善设备可靠性的措施。

References)

[1] 苏默.高效实验设备故障诊断与维护管理策略[J].中国科技信息,2012(10):165.

[2] 李艳华.加强实验仪器设备维护的探讨[J].中国现代教育装备,2007(6):93-94.

[3] 郑镭,郭力娜,段立伟,等.关于高效实验设备维护平台建设[J].河北联合大学学报,2012,12(4):151-154.

[4] 张厚粲，徐建平.现代心理与教育统计学 [M].3版.北京: 北京师范大学出版社,2009.

[5] 胡高.大学教学信心研究[D].长沙:中南大学,2004.

[6] 阳宪惠,郭海涛.安全仪表系统的功能安全[M].北京:清华大学出版社,2007.

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

[8] 王磊,薛双苓.电气自动化控制设备可靠性研究[J].科技传播,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] 宋保维.系统可靠性设计与分析[M].西安:西北工业大学出版社,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年湖南省教改项目

徐明(1982—)，男,浙江嘉兴，博士，讲师，主要从事系统可靠性和安全性设计与分析等方面的研究.

E-mail：xuming_82@126.com

TM92；G482

A

1002-4956(2015)2- 0236- 04