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測試與測量  

在設計流程中採用Saber模擬器提高系統可靠性

上網時間: 2007年08月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Saber  Simulator  Robust Design Flow  穩健設計流程 

品質與可靠性是用於衡量系統在執行預定任務時的性能尺度,它們是不盡相同,但卻彼此相關的概念。品質尺度關注標稱條件下的性能,如果系統在標稱條件下符合性能技術規格,就可以認為系統是合格的。可靠性尺度進一步延伸了品質的概念,對系統可靠性的衡量關注的是系統在實際執行條件下的品質。

這些實際執行條件既可以是系統的內部條件,也可以是系統的外部條件。一個品質合格的系統可能是不可靠的,可靠的系統一定是一個滿足品質要求的系統。為了確保系統的可靠性,必須採用系統級方法進行系統設計,而透過將‘穩健設計’原理應用於設計流程中,即可設立這種系統方法。

穩健設計概念

‘穩健設計’(Robust Design)是一種通用的、並已經過證實的開發理念,致力於提高流程或產品的可靠性。為了提高可靠性,穩健設計的原理必須在早期就成為設計週期中不可分割的組成部份,其目標是讓最終產品免於一些可能對可靠性產生不利影響的參數。如圖1所示,通用的穩健設計方法要求在設計過程中對訊號、響應、噪音和控制這4項參數予以考慮 。

在目前的系統設計環境中,這4項參數各有其特定含義。

1. 訊號參數

訊號參數是指系統輸入訊號的特性參數。這方面需要考慮的參數有很多,包括訊號的類型(類比、數位等)、振幅、頻率、頻譜等。設計師必須在製作有效的系統設計前對這些特性予以掌握。訊號參數決定系統輸入級的結構,輸入級對輸入訊號進行準備加工,並供系統對其進行處理。

2.響應參數

響應參數是針對系統輸出提出的要求。與訊號參數類似,也有許多需要考慮的響應參數。系統對輸入訊號的處理必須能夠讓輸出達到性能要求。因此,響應參數決定了系統輸出級的結構。

3.噪音參數

噪音參數是指造成系統訊號與響應之間的關係發生漂移的干擾,可以是系統的內部噪音參數或外部噪音參數,其中多數都不能被設計師直接控制。通常,設計師在消除干擾方面的唯一選擇是在系統設計中加入對噪音的補償措施。為了實現這一點,設計師必須首先對會為系統造成不利影響的所有噪音參數進行識別和量化,然後,設計師必須選擇有哪些參數需要進行補償。

4.控制參數

控制參數用於對噪音參數的補償,可由設計師直接控制。它的目標是對那些能夠明顯影響系統並使其偏離標稱性能的噪音參數進行預測和補償。在一種噪音參數可能有多種補償解決方案時,穩健設計原理提倡採用最簡潔、最經濟高效的方法。為了滿足這一目標,設計師必須經常選擇能夠減輕多項噪音參數的控制參數。

設計實例:汽車剎車系統

為了說明穩健設計參數是如何應用於系統設計,我們以一個基本的汽車剎車系統為例。該例中,假設汽車採用碟剎系統,其目標是使其旋轉運動完全停止。

理論上,剎車系統的作業是相當簡單的。駕駛者對剎車踏板施加壓力,這個壓力透過液壓或電力傳導到剎車鉗上,剎車鉗推動剎車片壓緊正在旋轉的剎車盤。剎車片施加到剎車盤上的力最終使車輛減速直至完全停止。

參見圖1,該系統的輸入訊號是對剎車踏板施加的壓力。

圖1:穩健設計中的參數。
圖1:穩健設計中的參數。

主要的訊號參數是所施加壓力的數值。該系統對剎車踏板壓力的響應就是降低車速。主要的響應參數是車輛完全停止所需要的時間。

有很多噪音參數能夠影響剎車系統停止車輛能力。常見的噪音參數包括車輛的重量、輪胎的狀況、車輛行駛的地面類型、剎車表面的條件和溫度以及天氣條件,所有這些參數在車輛行駛中的任何時刻都存在。設計師必須瞭解所有這些參數,並根據它們對剎車系統性能的影響來區分優先次序。

設計師可以從幾項控制參數中選擇,以便對剎車系統噪音參數進行補償。常見的控制參數包括剎車表面的大小、對剎車力的電腦控制、懸吊系統以及增加剎車的助力等。設計師必須選擇能滿足系統性能技術規格的各項控制參數組合。

一旦識別出關鍵噪音參數並選定了控制參數,就可以使用穩健設計流程來實現和分析這個設計方案,以確保剎車系統的可靠性。穩健設計流程的目標是以最高的系統可靠性和最合理的系統成本滿足性能要求。

穩健設計流程

在現代系統設計環境中,採用穩健設計原理來提高可靠性是指讓系統的性能不受設計技術、元件參數、製造製程和環境條件變化的影響。在穩健設計流程中,這些變化會成為影響系統性能的噪音參數。系統設計師必須找到有助於對每一項變化都進行補償的控制方法。控制方法既可以簡單到選擇高精密度元件,也可以涉及實現新的控制演算法。但是,由於各項可能性所構成的矩陣變得過於複雜,傳統的設計-原型-測試的流程已經不再實用了。設計師必須將自己的設計活動轉入虛擬世界,而在虛擬世界中,諸如Synopsys的Saber模擬器等模擬工具能夠支援採用穩健設計原理,並支援整個系統的設計和驗證。

穩健設計流程經常根據公司的特殊要求和系統應用定製。目前並不存在可普遍適用的方式。但是,即使採用定製方式,在每一個穩健設計流程中仍然存在一些通用的元素。以穩健設計技術為基礎的完整開發流程應包括圖2所示的一些步驟。

圖2:穩健設計流程的步驟。
圖2:穩健設計流程的步驟。

1. 標稱設計

穩健設計流程的第一步是完成系統的標稱設計。系統必須能夠在標稱條件下達到符合技術規格的性能。標稱設計結果成為穩健設計流程中其餘分析步驟的響應目標。

Saber模擬器透過標準分析(工作點、時域、頻域)以及大型行為庫和特徵化模型來支援標稱設計。

2.靈敏度分析

標稱設計階段完成後要對系統進行靈敏度分析,設計師必須確定哪些設計參數對系統性能的影響最大。該分析的目的是確定在各個參數產生變化時,系統性能有多大程度的變化。在靈敏度分析中,要分別計算每項參數的影響。設計師透過對數據的分析,得出哪些參數對系統性能的影響最大,並確定在接下來的設計流程中著重處理哪些參數。

Saber模擬器支援詳細的靈敏度分析。設計師可以在分析過程中將所有設計參數包括在內,也可以指定一個最有可能對系統性能產生影響的參數列表。每一次計算只改變這些參數中的一項,設計師可以指定參數的變化幅度。

3.參數分析

設計師透過參數分析可以對最能影響系統性能的元件參數進行微調,該項分析的目的是透過特定參數在一定範圍內的變化來確定最符合性能技術規格的一組參數。參數值確定之後,就須著重於能在一定環境條件範圍內驗證性能。

Saber模擬器可使設計師獲取所有系統參數。可透過多種方式在一定範圍內對參數數值進行掃描,包括線性步長、對數步長、固定步長或一個固定的數值集。參數掃描可互相套用,如此可覆蓋所有可能的取值組合。像溫度這樣的環境參數也可以進行掃描。

4.統計分析

統計分析用於研究參數數值的隨機組合是如何對系統性能和可靠性造成影響的,參數數值根據公差和統計分佈資訊來計算。其中要執行一系列的模擬執行,每次模擬執行時的參數數值都會隨機變化。根據系統的情況,可能需要上百次甚至上千次的執行來獲取在統計學上有意義的結果。隨後要對這些結果進行統計分析,以便更好地瞭解系統的可靠性概況。

值得注意的是,統計分析工作的計算極為繁重,對複雜系統進行千百次以上的性能模擬會消耗相當大的運算資源,我們可以採用支援分散式運算的工具來緩解這一資源需求。

Saber模擬器支援先進的統計分析。可對行為模型的參數數值賦予具有多種統計分佈的容差,包括預定義的分散方式到用戶自定義的分佈方式。Saber的許多特徵化模型包含了容差和分佈資訊。這些容差和分佈經過Saber的Monte Carlo分析後,就能提供系統精確的統計全景圖。Saber模擬環境支援文本和圖形化的統計數據分析。

5.應力分析

在應力分析中,要對系統執行模擬,觀察它在滿足性能指標時是否會導致一些元件超出其安全工作範圍。對元件的所有參數賦予最大額定值,觀察其工作參數是否超過最大額定值,超過最大額定值就屬於應力過度的情況。應力分析要求採用性能額定數據對元件進行特徵化。

Saber庫內的許多模型既可以內建性能額定值,又允許在模型特徵化的過程中添加額定值資訊。有了額定值資訊,Saber的應力分析即可分析模型工作時所承受的應力。Saber隨後會產生一份詳細描述每一個元件所受應力情況的報告。

6.故障模式分析

穩健設計流程的最後一步是確定在個別元件發生故障時系統的行為。根據系統的類型以及系統所採用的技術,單一元件故障可以導致系統整體故障,或系統雖能繼續執行但不符合設計要求,或者系統能從這一故障中恢復並繼續滿足性能指標。對故障模式要求通常在設計技術規格書中提出,必須在設計流程中進行驗證。

Saber的Testify故障模式分析工具能協助設計師在系統設計中設置並執行故障模式試驗。在故障模式分析過程中,元件可透過多種方式並在指定的時間引發故障。在某個元件發生故障時,Saber可以繼續執行模擬,設計師就可以研究這項故障是如何影響系統性能的。

選擇正確的工具

實現有效而高效的穩健設計流程要求使用具備特殊能力的模擬工具,對工具的關鍵要求為模擬支援、模型庫支援、建模語言支援和高級數據分析。

只通過一些標準分析並不能設立穩健設計流程。對穩健設計過程的每一步驟,模擬器都必須具備特定的、內在的功能:標稱設計、感應性分析、參數分析、統計分析、應力分析和故障模式分析。對這些高階分析的簡單支援並不足夠,為滿足特定的系統設計目標,設計師必須能夠對模型和分析進行定製。

除了先進的分析功能外,模擬器還必須有精確的模型庫的支援。穩健設計流程要求同時配備行為級和特徵化元件模型。為了保證精密度,模型應以定義元件行為的公式為基礎。行為級模型可以使設計師很容易地獲取關鍵參數。特徵化模型應採用由基準測試中採集到的數據,而非元件手冊中的數據來製作。

無論模型庫多麼廣泛,必然會出現沒有所需模型的情況。因此,穩健設計流程所使用的模擬器必須支援各種標準的建模語言,這些建模語言應當讓設計師能夠根據實際元件公式來製作模型,而且建模語言應在設計師所在的領域獲得充分的使用和驗證。

最後,模擬器必須具備用於分析模擬數據、功能強大的後處理工具的支援。這些工具應讓設計師能夠深入觀察設計的詳細情況,並能實現對設計數據的測量、組合和轉化,這樣,設計師才能對系統性能得出完整而準確的全面性瞭解。

正如上述的穩健設計流程,由於Saber模擬器同時支援高級分析和模型庫,因此,它可以實現有效而高效的穩健設計流程。Saber還支援已充份應用在系統設計領域,並獲得認可的MAST(事實標準)和VHDL-AMS(IEEE標準)建模語言。在數據分析方面,Saber設計環境中包含了CosmosScope工具,這是一種設計師在分析設計數據時可靈活控制的後處理工具。

作者:

Michael Jensen

技術銷售工程師

Madhav S. Phadke

Synopsys公司




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