При нормальной и аккуратной эксплуатации, к корпусу USB-накопителя не прикладывается особых физических нагрузок; наиболее серьёзная нагрузка, которую он должен выдерживать - это падение с высоты письменного стола. В целях обеспечения приемлемых эксплуатационных характеристик, корпус должен защищать внутренние модули от повреждений в случае падения, для чего требуется подтвердить устойчивость спроектированного корпуса к механическим нагрузкам с помощью моделирования в САПР.

Испытание на механические нагрузки проводилось в Solidworks с использованием подключаемого модуля Simulation [10], решающая программа (solver) которого основана на методе анализа конечных элементов. Исходная модель была разбита на 44 тысячи конечных элементов, и была проведена серия тестов на ударную нагрузку. Результатами работы модуля являются эпюры напряжения, перемещения и деформации, и, согласно условию пластичности Мизеса, напряжение von Mises сравнивалось с предельным напряжением, являющимся характерным свойством заданного материала, а именно пределом текучести.

В ходе исследований было выяснено, что максимальная высота, при падении тела с которой не происходит деформации ни корпуса, ни внутренних его компонентов, составляет 280 сантиметров, что гарантирует высокий запас прочности разработанной конструкции изделия. Один из результатов работы программы представлен на рис. 16.

Рис. 16. Эпюра распределения напряжения по Мизесу для приложенной к корпусу устройства нагрузки, эквивалентной падению с высоты 150 см.

И, наконец, последним по списку в маршруте ИПИ-проектирования, но не последним по своей значимости был выполнен расчёт показателей безотказности. Он проводился с целью определения наиболее ненадёжного компонента, вносящего наибольший отрицательный вклад в вероятность безотказной работы всей системы. А именно, основной целью ставилось подтверждение или опровержение теории о том, что наибольшую вероятность отказов должен иметь модуль флеш-памяти, как элемент, в большей степени страдающий от интенсивной эксплуатации ЭУ, ведь флеш-память имеет строго ограниченный лимит циклов перезаписи её ячеек.

Моделирование надёжности производилось сразу после верификации электрической принципиальной схемы устройства, параллельно с разработкой топологии печатной платы, в отечественной САПР АСОНИКА-К-СЧ [9], интегрирующей в себе расчётные модели, данные, и базовые интенсивности отказов для групп компонентов из справочников надёжности [19]: Надёжность ЭРИ ИП, Надёжность ЭРИ 2006, MIL-HDBK-217F [8], и других. Проведённый анализ показал, что интенсивность отказов устройства флеш-памяти в режиме эксплуатации (~ 6*10^-6 отказов/час) на полтора порядка превышает таковую для прочих составных компонентов (не более 3,8*10^-7 отказов/час), что говорит о целесообразности разработки данного устройства и проведения дальнейших исследований в области определения параметров надёжности устройств, имеющих в своём составе модули NAND флеш-памяти.

Результаты проведения данного анализа надёжности представлены на рис. 17.

Рис. 17. Анализ показателей безотказности в САПР АСОНИКА-К-СЧ.

6.Разработка алгоритма оценки надёжности интерактивного USB флеш-накопителя

6.1 Составление структурной схемы надёжности

Электронное устройство, как правило, состоит из корпуса с вмонтированными в него разъёмами и установленным внутри печатным узлом (или несколькими). На печатном узле установлены пассивные дискретные компоненты или радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, и т.п.), и непосредственно интегральные микросхемы: микроконтроллеры и микропроцессоры, модули памяти. В таком случае структурная схема надёжности системы будет выглядеть следующим образом:

Рис. 18. Структурная схема надёжности системы

Как правило, в электронных устройствах подобного класса не используются системы резервирования, поэтому критерием отказа системы является отказ хотя бы одного из её компонентов. Рассматривая данную схему, можно заметить, что такие компоненты как корпус устройства или узлы межсоединения сами по себе имеют низкую интенсивность отказов. Кроме этого, благодаря применению разработанного маршрута проектирования по ИПИ-методологии, в котором заранее были проведены схемотехнические, механические и тепловые исследования, направленные на раннее выявление ошибок проектирования и обеспечение комфортного электрического и теплового режима работы устройства, пассивные радиокомпоненты также характеризуются высокой степенью надёжности, и вносят лишь незначительный вклад в интенсивность отказов системы. Поэтому основным источником отказов здесь служит именно модуль флеш-памяти, вследствие некоторых особенностей его функционирования.

6.2 Особые характеристики NAND флеш-памяти, влияющие на надёжность

Проблема заключается в том, что внутри микроконтроллера присутствует микросхема электрически стираемого перепрограммируемого запоминающего устройства (ЭСПЗУ), оно же Флеш-память (flash memory). В зависимости от логического принципа построения ячеек данной памяти, в непрофессиональной среде за ней закрепилось следующее обозначение: NOR-память микроконтроллера называют «EEPROM», а NAND-массив памяти - Flash-памятью. Технически, обе эти технологии также являются флеш-памятью.

Flash-память - это разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Флэш-память представляет собой интегральную микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ), основные характеристики которой - объём хранимой информации и предельно допустимое количеств циклов её перезаписи. Максимально возможное количество перезаписей микросхемы определяется производителем в ходе тестирования её показателей надёжности.

Flash-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками. В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками, которые обозначаются как SLC, каждая из ячеек памяти может хранить один бит информации. Некоторые устройства с многоуровневыми ячейками могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.

Число циклов перепрограммирования для флэш-памяти хотя и велико, но ограничено, что означает, что ячейки при перезаписи изнашиваются, снижается их остаточный ресурс и надёжность устройства в целом [12]. Поэтому наиболее важной задачей при расчёте надёжности устройств, содержащих в себе микросхемы Flash-памяти, является определение оставшегося количества циклов перезаписи ячеек памяти. Так, в устаревшая, дорогостоящая, и на сегодняшний день уже слабо распространённая SLC Flash-память допускает более 10000 циклов перезаписи, когда как QLC-память можно перезаписать лишь около 500 раз. [13, 15].

6.3 Создание алгоритма математического расчёта надёжности запоминающего устройства флеш-памяти по модели экспоненциального распределения

Так, было установлено, что именно модуль флеш-памяти вносит наиболее ощутимый вклад в вероятность отказов системы. Поэтому требуется разработать модель определения его отказа именно памяти микроконтроллера.

Для расчета износа и срока действия созданной модели следует учитывать уровень отказа каждого составляющего схемы. При этом критерием отказа системы является отказ как минимум одного из её компонентов. Следует произвести расчет строго вероятностной модели отказа. Для этого будем опираться на модель экспоненциального распределения. Она будет представлять собой однопараметрическую функцию, которая, благодаря своей простоте и возможности вычисления функции по модели экспоненциального распределения даже на маломощных микроконтроллерах, широко используется в общемировой практике исследования надежности. С одной стороны, стоит критически подходить к применению данной модели. Это связано с тем, что однопараметричность модели создает некоторые ограничения. Это делает ее грубо приближенной и приводит к очень большим погрешностям, как при расчете надежности, так и при экспериментальной оценке. Но с другой стороны простота модели делает её универсальной и позволяет с лёгкостью применять её для любых Flash-хранилищ данных. При этом высокая табулированность лямбда-функции позволяет адаптировать её под конкретную модель накопителя или тип Flash-памяти.

Было решено, что для расчета вероятности безотказной работы должна быть применена формула модели надежности экспоненциального распределения. Согласно ней, вероятность безотказной работы Flash-накопителя вычисляется как:

Где - интенсивность отказов флеш-памяти в циклическом режиме;

- коэффициент, зависящий от времени работы устройства, при этом:

- время работы устройства, часы.

- количество циклов (чтения, записи), цикл.

Интенсивность отказов при этом определяется как:

Где рQ - коэффициент качества. Данный параметр задается в соответствии с категорией класса исследуемого устройства памяти в соответствии с нормами MIL-M-3851, MIL-I-38535, MIL-H-38534 [8]. По степени соответствия устройству присваивается класс «S», «B», «-B» и значения соответственно «0.25», «1.0», «2.0».

Для более детального просчета данного коэффициента необходимо обратиться к таблице расчета коэффициента качества по MIL-HDBK-217F [8]:

Рис. 19. Таблица расчета коэффициента качества.

Коэффициент В₁ рассчитывается относительно объёма флеш-памяти, а также её рабочей температуры, по следующей формуле:

Где B - объём памяти в битах;

T_j - температурный коэффициент, рассчитывающийся по формуле:

Где - температура работы;

- тепловое сопротивление «переход-корпус»;

- максимальная мощность теплового рассеивания. Этот параметр указан в технических характеристиках устройства.

Следующий коэффициент это коэффициент кода коррекции - .

Он рассчитывается в зависимости от типа кода коррекции ошибок на устройстве. Данный код необходим для нахождения и исправления ошибок, которые появляются в процессе передачи и хранении информации на устройстве под влиянием каких-либо помех.

· При отсутствии данного кода = 1.0

· При использовании кода Хемминга = 0.72

· При использовании метода two-needs-one = 0.68

Коэффициенты А₁ и А₂ являются динамическими переменными и зависят от количества обращений к памяти устройства. Эти коэффициенты приводятся в справочнике надёжности MIL-HDBK-217F в виде таблицы:

Таблица 1. Зависимость коэффициентов A₁ и A₂ от числа обращений к памяти

На данной блок-схеме (рис. 20) приведен алгоритм расчёта вероятность отказа Flash-накопителя в обобщённом виде:

Рис. 20. Блок-схема алгоритма расчета вероятности отказа устройства.

Заключение

Таким образом, в результате проведения данной выпускной квалификационной работы была освоена технология проектирования электронных устройств, содержащих в своём составе модули флеш-памяти. Было определено место стадии проектирования в жизненном цикле ЭУ, представлена модель жизненного цикла с применением компьютерного моделирования на этапах ОКР, исследованы комплексные методики проектирования. Для методологии ИПИ, показавшей себя с наилучшей стороны как в прошлых исследованиях [12], так и сейчас, был составлен уникальный сквозной маршрут проектирования, включающий в себя порядок и состав используемых средств проектирования при проведении НИОКР. При этом были достигнуты следующие результаты:

· Разработанная методика и маршрут проектирования были применены на практике при проектировании реального электронного устройства;

· Была проанализирована методология проектирования, позволяющая до 6 раз сократить время, затрачиваемое на разработку;

· Проведён полный цикл научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию интерактивного флеш-накопителя с информационным дисплеем;

· Подготовлены информационные файлы для производства составных компонентов изделия;

· Составлена сопроводительная технологическая и конструкторская документация;

· Разработан алгоритм оценки надёжности данного устройства по модели экспоненциального распределения.

По результатам проведения данных исследований, была подана заявка на патент полезной модели интерактивного флеш-накопителя с информационным дисплеем. Также было получено свидетельство о государственной регистрации программы для микроконтроллера (ЭВМ), предназначенной для оценки остаточного ресурса флеш-накопителя согласно модели надёжности с экспоненциальным распределением (номер регистрации: 2019614405, номер и дата поступления заявки: 2019612656 18.03.2019).

Список использованных источников

Размещено на Allbest.ru