穩(wěn)健設(shè)計(jì)概念

　　“穩(wěn)健設(shè)計(jì)(Robust Design)”是一種通用的、并經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的開發(fā)理念，致力于提高流程或產(chǎn)品的可靠性。為了提高可靠性，要求穩(wěn)健設(shè)計(jì)原理在早期就成為設(shè)計(jì)周期不可分割的組成部分，其目標(biāo)是讓最終產(chǎn)品免受那些可能對(duì)可靠性產(chǎn)生不利影響的參數(shù)。如圖1所示，通用的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法要求在設(shè)計(jì)過程中對(duì)信號(hào)、響應(yīng)、噪聲和控制這4項(xiàng)參數(shù)予以考慮 。

　　在當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境中，這4項(xiàng)參數(shù)有其特定含義。

　　1.信號(hào)參數(shù)

　　信號(hào)參數(shù)是指系統(tǒng)輸入信號(hào)的特性參數(shù)。這方面需要考慮的參數(shù)有很多，包括信號(hào)的類型(模擬、數(shù)字等)、幅值、頻率、頻譜等。設(shè)計(jì)師必須在創(chuàng)建有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)前對(duì)這些特性予以掌握。信號(hào)參數(shù)決定系統(tǒng)輸入級(jí)的結(jié)構(gòu)，輸入級(jí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)備加工，并供系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理。

　　2.響應(yīng)參數(shù)

　　響應(yīng)參數(shù)是針對(duì)系統(tǒng)輸出提出的要求。與信號(hào)參數(shù)類似，也有許多需要考慮的響應(yīng)參數(shù)。系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的處理必須能夠讓輸出達(dá)到性能要求。因此，響應(yīng)參數(shù)決定了系統(tǒng)輸出級(jí)的結(jié)構(gòu)。

　　3.噪聲參數(shù)

　　噪聲參數(shù)是指造成系統(tǒng)信號(hào)與響應(yīng)之間的關(guān)系發(fā)生漂移的干擾，可以是系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲參數(shù)或外部噪聲參數(shù)，其中多數(shù)都不能被設(shè)計(jì)師直接控制。通常，設(shè)計(jì)師在消除干擾方面的唯一選擇是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入對(duì)噪聲的補(bǔ)償措施。為了做到這點(diǎn)，設(shè)計(jì)師必須首先對(duì)會(huì)給系統(tǒng)造成不利影響的所有噪聲參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和量化，然后，設(shè)計(jì)師必須選擇有哪些參數(shù)需要進(jìn)行補(bǔ)償。

　　4.控制參數(shù)

　　控制參數(shù)用于對(duì)噪聲參數(shù)的補(bǔ)償，可由設(shè)計(jì)師直接控制。它的目標(biāo)是對(duì)那些能夠明顯影響系統(tǒng)并使其偏離標(biāo)稱性能的那些噪聲參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和補(bǔ)償。在一種噪聲參數(shù)可能有多種補(bǔ)償解決方案時(shí)，穩(wěn)健設(shè)計(jì)原理提倡采用最簡(jiǎn)潔、最經(jīng)濟(jì)高效的方法。為了滿足這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)師必須經(jīng)常選擇能夠減輕多項(xiàng)噪聲參數(shù)的控制參數(shù)。

　　設(shè)計(jì)實(shí)例-汽車制動(dòng)

　　為了說明穩(wěn)健設(shè)計(jì)參數(shù)是如何應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，我們以一個(gè)基本的汽車制動(dòng)系統(tǒng)為例。該例中，假設(shè)汽車采用盤式制動(dòng)器，其目標(biāo)是使其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完全停止。

　　理論上，制動(dòng)系統(tǒng)的操作是相當(dāng)簡(jiǎn)單的。駕駛者對(duì)剎車踏板施加壓力，這個(gè)壓力通過液壓或電力傳導(dǎo)到制動(dòng)鉗上，制動(dòng)鉗推動(dòng)剎車片壓緊正在旋轉(zhuǎn)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(tǒng)的輸入信號(hào)是對(duì)剎車踏板施加的壓力。主要的信號(hào)參數(shù)是所施加壓力的數(shù)值。該系統(tǒng)對(duì)剎車踏板壓力的響應(yīng)就是降低車速。主要的響應(yīng)參數(shù)是車輛完全停止所需要的時(shí)長(zhǎng)。

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　　圖1：穩(wěn)健設(shè)計(jì)中的參數(shù)。

　　有很多噪聲參數(shù)能夠影響制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)車輛能力。常見的噪聲參數(shù)包括車輛的重量、輪胎的狀況、車輛行駛的地面類型、制動(dòng)表面的條件和溫度以及天氣條件，所有這些參數(shù)在車輛行駛中的任何時(shí)刻都存在。設(shè)計(jì)師必須理解所有這些參數(shù)，并根據(jù)它們對(duì)剎車系統(tǒng)性能的影響來區(qū)分優(yōu)先次序。

　　設(shè)計(jì)師可以從幾項(xiàng)控制參數(shù)中選擇，以便對(duì)剎車系統(tǒng)噪聲參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。常見的控制參數(shù)包括制動(dòng)表面的大小、對(duì)剎車力的計(jì)算機(jī)控制、懸掛系統(tǒng)的硬度以及增加剎車助力。設(shè)計(jì)師必須選擇能夠最好地滿足系統(tǒng)性能技術(shù)規(guī)格的各項(xiàng)控制參數(shù)的組合。

　　一旦識(shí)別出關(guān)鍵性的噪聲參數(shù)并選定了控制參數(shù)，就可以使用穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程來實(shí)現(xiàn)和分析這個(gè)設(shè)計(jì)方案，以確保剎車系統(tǒng)的可靠性。穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程的目標(biāo)是以最高的系統(tǒng)可靠性和最為合理的系統(tǒng)成本滿足性能要求。

　　穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程

　　在現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境中，采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)原理來提高可靠性是指讓系統(tǒng)的性能不受設(shè)計(jì)技術(shù)、部件參數(shù)、制造工藝和環(huán)境條件變化的影響。在穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程中，這些變化會(huì)成為影響系統(tǒng)性能的噪聲參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須找到有助于對(duì)每一項(xiàng)變化都進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂品椒ā？刂品椒瓤梢院?jiǎn)單到選擇高精度器件，也可以涉及到實(shí)現(xiàn)新的控制算法。但是，由于各項(xiàng)可能性所構(gòu)成的矩陣變得過于復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)-原型-測(cè)試的流程已經(jīng)不再實(shí)用了。設(shè)計(jì)師必須將自己的設(shè)計(jì)活動(dòng)轉(zhuǎn)入到虛擬世界，而在虛擬世界中，諸如Synopsys的Saber仿真器這樣功能強(qiáng)大的仿真工具能夠支持采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)原理支持整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

　　穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程經(jīng)常根據(jù)公司的特殊要求和系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行定制。并不存在一種可以普遍適用的方式。但是，即使采用定制方式，在每一個(gè)穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程中仍然存在一些通用的元素。以穩(wěn)健設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)的完整開發(fā)流程應(yīng)包括圖2所示的一些步驟。

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　　圖2：穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程的步驟。

　　1.標(biāo)稱設(shè)計(jì)

　　穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程的第一步是完成系統(tǒng)的標(biāo)稱設(shè)計(jì)。系統(tǒng)必須能夠在標(biāo)稱條件下達(dá)到符合技術(shù)規(guī)格的性能。標(biāo)稱設(shè)計(jì)的結(jié)果成為穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程中其余分析步驟的響應(yīng)目標(biāo)。

　　Saber仿真器通過標(biāo)準(zhǔn)分析(工作點(diǎn)、時(shí)域、頻域)以及大型行為庫和特征化模型來支持標(biāo)稱設(shè)計(jì)。

　　2.靈敏度分析

　　標(biāo)稱設(shè)計(jì)階段完成后要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度分析，設(shè)計(jì)師必須確定哪些設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響最大。該分析的目的是確定在各個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)性能有多大程度的變化。在靈敏度分析中，要分別計(jì)算每項(xiàng)參數(shù)的影響。設(shè)計(jì)師通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，得出哪些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響最大，并確定在接下來的設(shè)計(jì)流程中著重處理哪些參數(shù)。

　　Saber仿真器支持詳細(xì)的靈敏度分析。設(shè)計(jì)師可以在分析過程中將所有設(shè)計(jì)參數(shù)包括在內(nèi)，也可以指定一個(gè)最有可能對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響的參數(shù)列表。每一次運(yùn)算只改變這些參數(shù)中的一項(xiàng)，設(shè)計(jì)師可以指定參數(shù)的變化幅度。

　　3.參數(shù)分析

　　設(shè)計(jì)師通過參數(shù)分析可以對(duì)最能影響系統(tǒng)性能的器件參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，該項(xiàng)分析的目的是通過特定參數(shù)在一定范圍內(nèi)的變化來確定最符合性能技術(shù)規(guī)格的一組參數(shù)。參數(shù)值確定之后，重點(diǎn)就要放在在一定的環(huán)境條件范圍內(nèi)驗(yàn)證性能。

　　Saber仿真器可使設(shè)計(jì)師獲取所有系統(tǒng)參數(shù)。可通過多種方式在一定范圍內(nèi)對(duì)參數(shù)數(shù)值進(jìn)行掃描，包括線性步長(zhǎng)、對(duì)數(shù)步長(zhǎng)、固定步長(zhǎng)或一個(gè)固定的數(shù)值集。參數(shù)掃描可以互相嵌套，這樣可以覆蓋所有可能的取值組合。像溫度這樣的環(huán)境參數(shù)也可以進(jìn)行掃描。

　　4.統(tǒng)計(jì)分析

　　統(tǒng)計(jì)分析用于研究參數(shù)數(shù)值的隨機(jī)組合是如何對(duì)系統(tǒng)性能和可靠性造成影響的，參數(shù)數(shù)值根據(jù)公差和統(tǒng)計(jì)分布信息來計(jì)算。其中要執(zhí)行一系列的仿真運(yùn)行，每次仿真運(yùn)行時(shí)的參數(shù)數(shù)值都有隨機(jī)的變化。根據(jù)系統(tǒng)的情況，可能需要成百次甚至上千次的運(yùn)行來獲取在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有意義的結(jié)果。隨后要對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便更好地了解系統(tǒng)的可靠性概況。

　　值得注意的是，統(tǒng)計(jì)分析工作的計(jì)算量可能極為繁重，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行千百次以上的性能仿真會(huì)消耗相當(dāng)大的計(jì)算資源，我們可以采用支持分布式計(jì)算的工具來緩解這一資源需求。

　　Saber仿真器支持先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)分析。可對(duì)行為模型的參數(shù)數(shù)值賦予具有多種統(tǒng)計(jì)分布的容差，包括預(yù)定義的分布方式到用戶自定義的分布方式。Saber的許多特征化模型包含了容差和分布信息。這些容差和分布經(jīng)過Saber的Monte Carlo分析后，就能提供系統(tǒng)精確的統(tǒng)計(jì)全景圖。Saber仿真環(huán)境支持文本和圖形化的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析。

　　5.應(yīng)力分析

　　在應(yīng)力分析中，要對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行仿真，觀察它在滿足性能指標(biāo)時(shí)是否會(huì)導(dǎo)致一些器件超出其安全工作范圍。對(duì)器件的所有參數(shù)賦予最大額定值，觀察其工作參數(shù)是否超過最大額定值，超過最大額定值就屬于應(yīng)力過度的情況。應(yīng)力分析要求采用性能額定數(shù)據(jù)對(duì)器件進(jìn)行特征化。

　　Saber庫內(nèi)的許多模型既可以內(nèi)建性能額定值，又允許在模型特征化的過程中添加額定值信息。有了額定值信息，Saber的應(yīng)力分析即可分析模型工作時(shí)所承受的應(yīng)力。Saber隨后會(huì)生成一份詳細(xì)描述每一個(gè)器件所受應(yīng)力情況的報(bào)告。

　　6.故障模式分析

　　穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程的最后一步是確定在個(gè)別器件發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)的行為。根據(jù)系統(tǒng)的類型以及系統(tǒng)所采用的技術(shù)，單個(gè)部件的故障可以導(dǎo)致系統(tǒng)整體故障，或系統(tǒng)雖能繼續(xù)運(yùn)行但不能符合設(shè)計(jì)要求，或者系統(tǒng)能夠從這一故障中恢復(fù)并繼續(xù)滿足性能指標(biāo)。對(duì)故障模式要求通常在設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書中提出，必須在設(shè)計(jì)流程中進(jìn)行驗(yàn)證。

　　Saber的Testify故障模式分析工具能夠幫助設(shè)計(jì)師在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)置并運(yùn)行故障模式試驗(yàn)。在故障模式分析過程中，部件可通過多種方式并在指定的時(shí)間引發(fā)故障。在某個(gè)器件發(fā)生故障時(shí)，Saber可以繼續(xù)執(zhí)行仿真，設(shè)計(jì)師就可以研究這項(xiàng)故障是如何影響系統(tǒng)性能的。

　　選擇正確的工具

　　實(shí)現(xiàn)有效而高效的穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程要求使用具備特殊能力的仿真工具，對(duì)工具的關(guān)鍵要求為仿真支持、模型庫支持、建模語言支持和高級(jí)數(shù)據(jù)分析。

　　只通過一些標(biāo)準(zhǔn)分析并不能建立穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程。對(duì)穩(wěn)健設(shè)計(jì)過程的每一步驟，仿真器都必須具備特定的、內(nèi)在的功能：標(biāo)稱設(shè)計(jì)、敏感性分析、參數(shù)分析、統(tǒng)計(jì)分析、應(yīng)力分析和故障模式分析。對(duì)這些高級(jí)分析的簡(jiǎn)單支持并不足夠，為滿足特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)師必須能夠?qū)δＰ秃头治鲞M(jìn)行定制。

　　除了先進(jìn)的分析功能外，仿真器還必須有精確的模型庫的支持。穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程要求同時(shí)配備行為級(jí)和特征化器件模型。為了保證精度，模型應(yīng)當(dāng)以定義器件行為的公式為基礎(chǔ)。行為級(jí)模型可以使設(shè)計(jì)師很容易地獲取關(guān)鍵參數(shù)。特征化模型應(yīng)當(dāng)采用由基準(zhǔn)測(cè)試中采集到的數(shù)據(jù)，而非器件手冊(cè)中的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建。

　　無論模型庫多么廣泛，也肯定會(huì)出現(xiàn)沒有所需模型的情況。因此，穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程所使用的仿真器必須支持各種標(biāo)準(zhǔn)的建模語言，這些建模語言應(yīng)當(dāng)讓設(shè)計(jì)師能夠根據(jù)實(shí)際器件公式來創(chuàng)建模型，而且建模語言應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)師所在行業(yè)內(nèi)得到充分的使用和驗(yàn)證。

　　最后，仿真器必須有用于分析仿真數(shù)據(jù)、功能強(qiáng)大的后處理工具的支持。這些工具應(yīng)當(dāng)讓設(shè)計(jì)師能夠深入觀察到設(shè)計(jì)的詳細(xì)情況，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的測(cè)量、組合和轉(zhuǎn)化，這樣，設(shè)計(jì)師才能對(duì)系統(tǒng)性能得出完整而準(zhǔn)確的全面了解。

　　正如在上面的穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程中所提到的，由于Saber仿真器同時(shí)支持高級(jí)分析和模型庫，因此，它可以實(shí)現(xiàn)有效而高效的穩(wěn)健設(shè)計(jì)流程。Saber還支持在系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了充分使用，并得到了認(rèn)可的MAST(事實(shí)標(biāo)準(zhǔn))和VHDL-AMS(IEEE標(biāo)準(zhǔn))建模語言。在數(shù)據(jù)分析方面，Saber設(shè)計(jì)環(huán)境中包含了CosmosScope工具，這是一種設(shè)計(jì)師在分析設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)可以靈活控制的功能豐富的后處理工具。