机载机电参数显示控制装置可靠性提升研究

徐锦顺 胡亮 卢小军

（苏州长风航空电子有限公司 江苏省苏州市 215151）

飞机机舱进入综合化玻璃驾驶舱阶段后，在机型替换和不断改装升级中，座舱液晶显示装置的功能不断增加，但其体积、重量等指标却不断降低。国内外飞机机电系统主要显示装置为液晶显示装置。在显示装置轻量化、低功耗发展趋势下，如何提高装置可靠性显得更加重要。

近年来，随着国内座舱技术的发展，座舱液晶显示装置可靠性水平不断提高，当前，国内一些先进的座舱显示装置研制生产企业充分利用电子集成电路、模块化、一体化设计等技术研制的液晶显示装置MTBF 值均在3000 小时以上，其中较高的达到10000 小时以上。极大的提高了座舱显示设备的可靠性水平。本文基于某型产品对飞机机电显示控制装置，研究该类产品可靠性提升方法。

1 显示装置组成及原理

机电参数显示装置的硬件模块组成示意图见图1 所示。

图1：机电参数显示装置硬件模块组成示意图

计算机图形模块是显示装置图形产生、接口管理的中心。主要实现对RS-422A、RS232、A/D 采集、离散量等接口采集和输出。完成本地作图，驱动液晶显示模块显示。

电源模块实现将机上输入电源经滤波、隔离和防尖峰、浪涌、断电保护处理，并将机上电源转换成显示装置内部各个模块正常工作所需的工作电源。

液晶显示模块采用有源矩阵液晶显示屏，接收计算机图形模块输出的视频信号，实现画面显示功能。

导光板主要用于实现周边按键和旋钮控制功能，设计有环境光照度传感器，采集环境光照度信息，用于机电参数显示装置自动亮度调节。

2 可靠性设计思路

在开展可靠性设计时，充分考虑了显示装置体积小、重量轻的特点，进行可靠性针对性分析，采取了针对性的可靠性设计措施，更好地满足产品的技术要求和实际使用要求。

明确了显示装置可靠性设计主要工作内容如表1 所示。

表1：可靠性设计主要工作内容

3 可靠性设计措施

3.1 成熟设计

显示装置相关技术尽量采用同尺寸显示装置成熟技术。产品显示性能、系统架构和功能基本一致，通过采用成熟技术，降低了研制风险，提高产品可靠性。

3.2 简化设计

实施集成化设计。在设计中，尽量采用集成度高的组件，使分立元器件减少到最小程度。大规模集成电路的应用，将一些分立器件的功能集成到其内部，通过软件实现其功能。简化架构，节省系统资源。通过简化电路结构，减少了元器件数量，提高了产品的可靠性。

3.3 降额设计

在电路设计中，尽量使用低功耗器件，对集成电路、晶体管、电阻器、电容器等元器件的工作电流、工作电压、功耗、工作温度以及接插件和电缆导线的工作电压、工作电流等参数进行了降额设计。除在设计中应用这种“静态”的方法外，根据失效分析的经验，器件失效的主要原因是受到瞬态的过电应力。所以机电参数显示装置降额设计还采用了对电路的仿真分析方法，分析电路中的各个器件的瞬态电应力和器件的结温，按仿真结果对降额进行修正。

显示装置电路设计时，对元器件的降额等级设定为Ⅱ级，各元器件参数的降额因子为0.6 到0.8 之间。

（1）处理器的资源占用率不大于60%，使芯片始终运行在轻低功耗方式下；

（2）对滤波器和电源转换模块进行降额使用，功率不超过各模块额定值的80%。

3.4 机械可靠性设计

机械可靠性设计主要包括机箱整体加固设计、液晶显示模块加固设计和印制板组件加固设计，产品在设计时应遵循以下设计原则：

（1）机箱保证足够的强度、刚度，以保证振动及冲击载荷作用下响应应力不超过其屈服强度极限，响应位移不会引起结构件之间的摩擦和碰撞；

（2）在结构和工艺设计中避免应力集中；

（3）采用结构刚性化技术，综合考虑减重设计及刚强度设计，配合仿真工具在结构件强度薄弱区域进行加强设计；

（4）减少结构件数量，复杂结构件应采取一体成型的加工方式，保证结构件安装时的刚强度。

3.5 散热设计

散热设计主要包括机箱整体整机散热和各组成模块散热设计。如何把热量有效的传递到显示装置外表面，并尽快散出去是结构热设计的关键，显示装置的结构设计在保证能承受外界各种环境、机械应力的前提下，充分保证对流换热、传导、辐射、最大限度的把设备内部产生的热散发出去，主要采取的措施如下：

（1）显示装置机箱外壳设置大量散热沟槽在保证强度和刚度的同时，增大散热面积，提高散热效率；

（2）显示装置机箱和模块散热板采用热传导性好的铝合金材料；

（3）机箱内部设计尽量分散发热源，散热路径设计合理有效，有效的降低结构内部的温度；

（4）针对电源模块上大功耗，且需要通过螺钉加固的电源转换模块，使其背部直接与显示装置外壳贴合，同时背部均匀涂以导热胶，减少该模块与显示装置后盖板之间因安装误差存在细微缝隙而导致的散热不均现象，进一步提高散热效率；

（5）针对计算机图形模块上大功耗的元器件及热敏感元器件分散布局，同时通过柔性导热垫与显示装置后盖板贴合，均匀散热。

3.6 余度设计

通过LED 灯阵列的余度，将完整功能的LED 灯阵分成两组，并设计独立的背光控制电路。当其中一组白色LED灯阵列不能正常工作时，显示装置不会黑屏，显示亮度下降一半。背光分组余度可以有效降低机电参数显示装置黑屏故障概率。图2 为背光余度设计示意图。

图2：背光余度设计示意图

通过双余度的阵列扫描驱动电路降低按键电气故障概率。同时，在方案软件设计时应考虑功能按键的复用，通过软件检测按键按压状态，当按键处于异常按压状态时，显示装置重构各个按键控制功能，并进行故障按键提示。示意图如图3 所示。

图3：按键扫描余度设计示意图

通过增加关键功能控制电路余度设计和接口电路回环自检测设计，可以有效剔除产品故障，并提高关键功能任务可靠性。

3.7 容差设计

在产品的设计中充分考虑零件、元器件的制造容差、温漂、时漂等影响，对稳定性要求高的电路，进行容差设计。

根据整机技术指标要求分析，液晶显示模块中的“LED驱动电路”、“加热驱动电路”、“温度采集电路”以及计算机图形模块中的“模拟量采集预处理电路”定义为“高稳定要求”电路，需进行容差分析和设计。

在相应电路的设计中，采用反馈技术、补偿或抑制由元器件参数变化带来的影响，实现电路性能的稳定。用筛选的方法控制元器件、材料的参数漂移。并尽量选择特性参数标准偏差较小的元器件，保证器件性能参数的一致性。

上述液晶显示和计算机图形模块中，相应电路所采用的A/D 转换器，主要用于采集环境光照度、液晶屏温度、背光灯温度。对于A/D 转换采取每次工作时通过利用A/D 转换器的空闲通道实时检测零点及满刻度的电压漂移，来保证转换精度。

容差分析流程如图4 所示。容差分析方法通常包括最坏情况试验法、最坏情况分析法和蒙特卡罗法等。其中除最坏情况试验法外，其余两个都是理论计算分析方法。容差分析整体流程如图4 所示。

图4：容差分析整体流程

结合目前产品的研制进度情况，由于液晶显示和计算机图形相关电路的解析数学模型较为复杂，手工计算工作量大，故考虑使用PSPICE 软件仿真，并选择蒙特卡罗分析法进行电路容差分析。选用仿真软件进行容差分析效率高，所有参数的设置在软件中即可完成，避免大量的手工计算。

3.8 接口匹配性设计

外部RS-422A 接口按照差分120 欧姆进行阻抗匹配设计。

为避免电源接口处的浪涌电流，在开关管源极和栅极之间加装了电容，可以延缓开关速度，有效抑制开机浪涌电流。

对于输入离散量，后级计算机图形模块上与接口光耦之间采用总线驱动器进行隔离与FPGA 对接，以提高接口信号的驱动强度。

对于输出离散量，需在光耦后端串一级MOS 管，输出的离散量实质即为外部输入的28V 电源经MOS 管控制通断后的直接输出，故电路的输出电压与输入电压完全一致，采用两路光耦去驱动一路MOS 管。同时输出离散量增加隔离二极管，防止系统电流倒灌。

所有对外接口信号均进行接口雷电防护设计，提高接口可靠性。

3.9 三防设计

根据相关规定，采取以下措施保证产品的“三防”要求：

（1）铝制零件采用导电阳极化，对产品外表面的部分喷三防无光烘漆进行防护。对于锐边进行倒钝处理，防止锐边处漆层过薄；

（2）紧固件材料选用奥氏体不锈钢，具有良好的三防性能和抗应力腐蚀性能。线缆、辅助材料按航空级标准选用；

（3）对PCB 板喷涂聚氨酯清漆进行“三防”处理，针对BGA 封装器件采取特殊密封措施，防止水汽进入器件底部，引起管脚间绝缘性能下降，造成湿热环境下工作异常；

（4）液晶显示模块光学玻璃加有防雾、防霉、防水膜；

（5）采用防潮、防霉包装。

3.10 软件设计

采用避错设计、查错设计、改错设计及容错设计，提高软件的可靠性。

（1）开展软件工程，加强软件可靠性管理。软件开发依据GJB 5000A 建立的软件质量体系要求进行,软件开发各阶段按软件可靠性工程要求同步进行可靠性设计、分析；

（2）采用模块化设计，控制和最小化软件的复杂性；（3）强化程序测试验证；

（4）采用硬件看门狗技术对软件运行状态进行监控，当程序陷入死循环时，可使程序复位；

（5）采用软件画面输出刷新监测设计，防止出现画面卡顿给飞行员带来错误提示；

（6）在使用循环的程序段中，不允许无限制地等待。采用循环等待次数控制，或使用定时器，使得规定时间内（无论成功或失败）必须保证退出等待外部信号的程序段；

（7）使用强数据类型：如显示装置工作模式等重要状态信息必须使用十六位二进制表示，防止干扰造成工作模式偶发跳变，并且判断条件不依赖全“0”或全“1”的输入；

（8）对各输入数值进行极限检测和合理性检测，当数据超限或异常时，进行相应的处理。

3.11 工艺可靠性设计

本产品为电子产品，印制板的安装主要为电装相关工艺，所涉及的这些工艺均编制了相应的通用工艺规范、规程等通用工艺文件，在装配工艺规程中予以应用。装配工艺规程中还详细明确了在装配过程中应避免的失误、正确的操作方法、防护及检验要求。

4 基本可靠性建模分配和预计

在研制阶段初期进行可靠性建模分配工作，画出产品基本可靠性框图，以相似产品的可靠性数据为基础，采用比例组合分配法，将产品的可靠性指标分配到各功能模块，采用应力分析法进行基本可靠性预计。

4.1 基本可靠性建模

依据GJB 813-1990 的要求，机电参数显示装置的基本可靠性模型是一个串联模型，包括冗余工作模式的单元都按串联处理，机电参数显示装置的基本可靠性框图见图5。

图5：数学模型

串联结构的数学模型见如下公式。

式中：

MTBF——平均故障间隔时间，单位为小时(h)；

λ——总失效率，单位为10每小时(10/h)；

λ——分失效率，单位为10每小时(10/h)。

4.2 基本可靠性指标分配

4.2.1 分配方法

机电参数显示装置有相似产品的可靠性数据做基础，故采用比例组合分配法。比例组合分配法可以对产品的故障率、MTBF 等基本可靠性指标进行分配，且有相似产品的可靠性数据时，用比例组合法进行可靠性分配可以得到良好的分配结果。

4.2.2 分配模型

确定新产品的可靠性指标λ和相似产品故障率λ，按如下公式计算比例系数k：

式中：

λ—新产品可靠性指标；

λ—相似产品故障率；

k—比例系数。

按如下公式计算分配给新产品第i 个功能模块的故障率：

式中：

λ—分配给新产品第i 个功能模块的故障率；

λ—相似产品中第i 个功能模块的故障率；

k—比例系数。

4.2.3 分配结果

根据可靠性指标要求，机电参数显示装置的平均故障间隔时间（MTBF）规定值为8000h，取规定值的1.25 倍10000h 为分配值，λ为100×10/h。由相似产品的可靠性数据可知λ为99.2×10/h，则比例系数k 为1.01。

4.3 基本可靠性预计

4.3.1 预计方法

机电参数显示装置可靠性指标为平均故障间隔时间(MTBF)，可靠性预计为基本可靠性预计，基本可靠性的模型为全串联结构。

目前机电参数显示装置所使用的元器件规格、数量、工作应力和环境、质量系数等都已经确定，可利用产品的工作环境和使用应力信息，采用应力分析法计算获得产品各功能模块较准确的可靠性预计值。

基本可靠性预计方法说明如下：

（1）用应力分析法进行基本可靠性预计；

（2）国产元器件按GJB/Z 299C-2006 进行预计；

（3）进口元器件按GJB/Z 299C-2006 附录A 进行预计；

（4）环境分类为ARW（直升机座舱），环境系数πE取相应值，环境温度取最高工作温度70℃。

4.3.2 预计结果

机电参数显示装置预计值MTBF 为13157.89h，高于成熟期规定值，满足可靠性指标要求。

从可靠性预计报告可以看出，各功能模块中，电源模块、计算机图形模块是显示装置产品中故障率排名前两位的模块，是影响显示装置可靠性水平的关键部分。其中电源模块的预处理电路、计算机图形模块的接口电路失效率较高，是产品的薄弱环节，需要采取必要的设计或工艺改进措施来降低其失效率。为进一步提高显示装置的基本可靠性水平，应该重点针对上述故障率高的模块进行设计改进。例如采取优化电路、减少元器件种类数量、提高关键元器件质量等级、降额设计、加强功率器件的散热等措施。

5 结论

近年来，高可靠性的机载显示装置一直是机舱电子系统发展的必然要求。本文基于某型号飞机机电系统的机电参数显示控制装置，提出一种高可靠性显示装置设计思路和方法，可将该类产品的可靠性指标提升至10000h 以上，大大提高了飞机机电系统显示装置的可靠性指标。