【摘要】 本文首先对研究嵌入式实时控制系统硬件可靠性的意义进行了介绍，然后对硬件可靠性的定义及提升硬件可靠性的作用进行了总结，重点从电路可靠性、PCB设计可靠性两个方面对电源线路、信号传输线路、元器件选择、时钟布线、延迟匹配等内容进行了研究，讨论分析了如何对上述几方面内容进行优化，以提升系统硬件的可靠性。
　　【关键词】 嵌入式 实时控制 硬件 可靠性
　　嵌入式实时控制系统在工业生产中具有广泛的应用场景，其系统的可靠性直接关系到系统的控制效果和系统的维护难度。系统复杂度的提升、元器件数量的增多、传输信号间的相互干扰等在一定程度上都会降低嵌入式实时控制系统硬件的运行可靠性，为保证系统运行的稳定性与可靠性，就必须利用相关技术或手段对硬件进行设计和分析，降低其故障概率，提升其工作性能。
　　一、硬件可靠性定义
　　硬件可靠性是指硬件系统在限定时间和限定环境下正确完成规定功能的概率，对其进行定量分析可以对硬件系统的故障密度函数在一定时间内进行积分，求出其故障概率，进而由故障概率得到无故障工作概率。
　　硬件系统的工作条件和工作环境不同，其所具有的可靠性会出现不同的差异性，硬件系统的工作时间不同，对其进行可靠性分析也会得出不同的结果，且，工作时间的延长必然会降低硬件系统的可靠性。
　　二、嵌入式实时控制系统硬件电路可靠性分析与设计
　　嵌入式实时系统功能复杂，信号种类多，响应时间短，时钟信号频率高，需要驱动被控对象做出快速检测、响应以及处理等操作。
　　2.1 供电系统可靠性分析与设计
　　硬件系统的供电电源容易将噪声耦合到电路系统中，所耦合进入电路系统的噪声会降低电能的稳定度，进而使得供电系统的可靠性降低。为降低该问题对硬件系统可靠性的影响，可以采用隔离变压器、滤波器等对硬件系统进行优化处理，如在电网中接入隔离变压器、在供电电路的电源与地之间添加去耦电容等，不同容量的电容所对应的噪声频率不同，实际中可以依照使用需求具体设计。
　　2.2 信号传输线路可靠性分析与设计
　　硬件系统中的传输线路过长或者线路输入输出端设计不合理时会造成信号误判，降低系统可靠性。（1）使用光电耦合器或者滤波器等对传输线路的输入输出端进行电气隔离，防止干扰信号进入传输线路中影响判别结果；（2）应用负载阻抗匹配技术提升信号在传输线路中的传输质量，减少长距离传输所引起的信号畸变问题，如在源端和负载端匹配设计RLC网络来消除反射、交叉干扰、振铃等噪声干扰；（3）使用阻抗匹配双绞线设计方案来减少长距离传输下的传输线特性阻抗参数对传输信号的影响，若能够配合使用光电耦合等硬件设计方案，可以达到更优的抗干扰效果；（4）对总线负载进行平衡匹配设计，避免嵌入式实时系统的控制芯片出现负载不均衡或紊乱，某些未使用的引脚，可以将其接高电平或接地，避免其悬空。
　　2.3 空间电磁场的干扰与可靠性设计
　　嵌入式实时控制系统可能工作在空间电磁干扰较为严重的环境下，高频电源、强电设备等都会降低系统的可靠性，此时可以使用接地金属外壳等对系统核心模块等进行电磁屏蔽，降低空间电磁干扰对系统信号的影响。
　　三、电路板可靠性分析与设计
　　电路板布线和布局的合理性直接关系到各线路和元器件的工作状态，不合理的设计方案会减少元器件寿命，甚至导致其烧毁。特别的，嵌入式实时控制系统所使用的时钟频率较高，电路板设计不当，还会引起线路间的相互干扰，降低硬件系统工作可靠性。
　　3.1 电源与地线布线原则
　　理想情况下，电源线的线宽应与所传输的电流相匹配，不同线路的走向应该尽量一致。条件允许时，还可以对变压器、稳压电源等进行独立设计与制板。
　　地线设计时应该注意区分模拟地和数字地，避免两类地线的混淆，布线时尽量使两者分开，在最后进行汇聚。硬件系统，工作频率低于1MHz的线路可使用单点接地设计方案；高于30MHz的线路可以使用多点接地设计方案；介于上述界限频率间的线路可以使用混合接地设计方案。
　　3.2 时钟布线原则
　　时钟信号的同步性与稳定性直接关系到硬件系统工作的准确度，为保证系统正常运行，应尽量选择PCB电路板中心位置或接地良好位置布置时钟电路，尽量缩短时钟与控制芯片间的距离。此外还可以对时钟元件进行接地处理、隔离处理，避免布线影响其他信号线的信号传输。
　　当嵌入式实时控制系统为高速系统时，过孔、引线以及其他元器件等都会呈分布式电感或电容特性，这些特性会影响系统的性能，降低系统可靠性，因而在设计PCB板时应该将信号频率纳入考虑范围，对布线进行优化设计。
　　参 考 文 献
　　[1] 蓝志洋，黄明华. 嵌入式系统硬件可靠性和抗干扰性技术[J]. 现代电子技术，2005，28（14）：51-53