穩(wěn)健設計概念

　　“穩(wěn)健設計(Robust Design)”是一種通用的、并經(jīng)過實踐驗證的開發(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)健設計原理在早期就成為設計周期不可分割的組成部分，其目標是讓最終產(chǎn)品免受那些可能對可靠性產(chǎn)生不利影響的參數(shù)。如圖1所示，通用的穩(wěn)健設計方法要求在設計過程中對信號、響應、噪聲和控制這4項參數(shù)予以考慮 。

　　在當前的系統(tǒng)設計環(huán)境中，這4項參數(shù)有其特定含義。

　　1.信號參數(shù)

　　信號參數(shù)是指系統(tǒng)輸入信號的特性參數(shù)。這方面需要考慮的參數(shù)有很多，包括信號的類型(模擬、數(shù)字等)、幅值、頻率、頻譜等。設計師必須在創(chuàng)建有效的系統(tǒng)設計前對這些特性予以掌握。信號參數(shù)決定系統(tǒng)輸入級的結構，輸入級對輸入信號進行準備加工，并供系統(tǒng)對其進行處理。

　　2.響應參數(shù)

　　響應參數(shù)是針對系統(tǒng)輸出提出的要求。與信號參數(shù)類似，也有許多需要考慮的響應參數(shù)。系統(tǒng)對輸入信號的處理必須能夠讓輸出達到性能要求。因此，響應參數(shù)決定了系統(tǒng)輸出級的結構。

　　3.噪聲參數(shù)

　　噪聲參數(shù)是指造成系統(tǒng)信號與響應之間的關系發(fā)生漂移的干擾，可以是系統(tǒng)的內部噪聲參數(shù)或外部噪聲參數(shù)，其中多數(shù)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(tǒng)設計中加入對噪聲的補償措施。為了做到這點，設計師必須首先對會給系統(tǒng)造成不利影響的所有噪聲參數(shù)進行識別和量化，然后，設計師必須選擇有哪些參數(shù)需要進行補償。

　　4.控制參數(shù)

　　控制參數(shù)用于對噪聲參數(shù)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(tǒng)并使其偏離標稱性能的那些噪聲參數(shù)進行預測和補償。在一種噪聲參數(shù)可能有多種補償解決方案時，穩(wěn)健設計原理提倡采用最簡潔、最經(jīng)濟高效的方法。為了滿足這一目標，設計師必須經(jīng)常選擇能夠減輕多項噪聲參數(shù)的控制參數(shù)。

　　設計實例-汽車制動

　　為了說明穩(wěn)健設計參數(shù)是如何應用于系統(tǒng)設計的，我們以一個基本的汽車制動系統(tǒng)為例。該例中，假設汽車采用盤式制動器，其目標是使其旋轉運動完全停止。

　　理論上，制動系統(tǒng)的操作是相當簡單的。駕駛者對剎車踏板施加壓力，這個壓力通過液壓或電力傳導到制動鉗上，制動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(tǒng)的輸入信號是對剎車踏板施加的壓力。主要的信號參數(shù)是所施加壓力的數(shù)值。該系統(tǒng)對剎車踏板壓力的響應就是降低車速。主要的響應參數(shù)是車輛完全停止所需要的時長。

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　　圖1：穩(wěn)健設計中的參數(shù)。

　　有很多噪聲參數(shù)能夠影響制動系統(tǒng)制動車輛能力。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刻都存在。設計師必須理解所有這些參數(shù)，并根據(jù)它們對剎車系統(tǒng)性能的影響來區(qū)分優(yōu)先次序。

　　設計師可以從幾項控制參數(shù)中選擇，以便對剎車系統(tǒng)噪聲參數(shù)進行補償。常見的控制參數(shù)包括制動表面的大小、對剎車力的計算機控制、懸掛系統(tǒng)的硬度以及增加剎車助力。設計師必須選擇能夠最好地滿足系統(tǒng)性能技術規(guī)格的各項控制參數(shù)的組合。

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

　　穩(wěn)健設計流程

　　在現(xiàn)代系統(tǒng)設計環(huán)境中，采用穩(wěn)健設計原理來提高可靠性是指讓系統(tǒng)的性能不受設計技術、部件參數(shù)、制造工藝和環(huán)境條件變化的影響。在穩(wěn)健設計流程中，這些變化會成為影響系統(tǒng)性能的噪聲參數(shù)。系統(tǒng)設計師必須找到有助于對每一項變化都進行補償?shù)目刂品椒ā？刂品椒瓤梢院唵蔚竭x擇高精度器件，也可以涉及到實現(xiàn)新的控制算法。但是，由于各項可能性所構成的矩陣變得過于復雜，傳統(tǒng)的設計-原型-測試的流程已經(jīng)不再實用了。設計師必須將自己的設計活動轉入到虛擬世界，而在虛擬世界中，諸如Synopsys的Saber仿真器這樣功能強大的仿真工具能夠支持采用穩(wěn)健設計原理支持整個系統(tǒng)的設計和驗證。

　　穩(wěn)健設計流程經(jīng)常根據(jù)公司的特殊要求和系統(tǒng)應用進行定制。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，在每一個穩(wěn)健設計流程中仍然存在一些通用的元素。以穩(wěn)健設計技術為基礎的完整開發(fā)流程應包括圖2所示的一些步驟。

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　　圖2：穩(wěn)健設計流程的步驟。

　　1.標稱設計

　　穩(wěn)健設計流程的第一步是完成系統(tǒng)的標稱設計。系統(tǒng)必須能夠在標稱條件下達到符合技術規(guī)格的性能。標稱設計的結果成為穩(wěn)健設計流程中其余分析步驟的響應目標。

　　Saber仿真器通過標準分析(工作點、時域、頻域)以及大型行為庫和特征化模型來支持標稱設計。

　　2.靈敏度分析

　　標稱設計階段完成后要對系統(tǒng)進行靈敏度分析，設計師必須確定哪些設計參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響最大。該分析的目的是確定在各個參數(shù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)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(shù)的影響。設計師通過對數(shù)據(jù)的分析，得出哪些參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響最大，并確定在接下來的設計流程中著重處理哪些參數(shù)。

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

　　3.參數(shù)分析

　　設計師通過參數(shù)分析可以對最能影響系統(tǒng)性能的器件參數(shù)進行微調，該項分析的目的是通過特定參數(shù)在一定范圍內的變化來確定最符合性能技術規(guī)格的一組參數(shù)。參數(shù)值確定之后，重點就要放在在一定的環(huán)境條件范圍內驗證性能。

　　Saber仿真器可使設計師獲取所有系統(tǒng)參數(shù)。可通過多種方式在一定范圍內對參數(shù)數(shù)值進行掃描，包括線性步長、對數(shù)步長、固定步長或一個固定的數(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)也可以進行掃描。

　　4.統(tǒng)計分析

　　統(tǒng)計分析用于研究參數(shù)數(shù)值的隨機組合是如何對系統(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)計分布信息來計算。其中要執(zhí)行一系列的仿真運行，每次仿真運行時的參數(shù)數(shù)值都有隨機的變化。根據(jù)系統(tǒng)的情況，可能需要成百次甚至上千次的運行來獲取在統(tǒng)計學上有意義的結果。隨后要對這些結果進行統(tǒng)計分析，以便更好地了解系統(tǒng)的可靠性概況。

　　值得注意的是，統(tǒng)計分析工作的計算量可能極為繁重，對復雜系統(tǒng)進行千百次以上的性能仿真會消耗相當大的計算資源，我們可以采用支持分布式計算的工具來緩解這一資源需求。

　　Saber仿真器支持先進的統(tǒng)計分析。可對行為模型的參數(shù)數(shù)值賦予具有多種統(tǒng)計分布的容差，包括預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)計全景圖。Saber仿真環(huán)境支持文本和圖形化的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析。

　　5.應力分析

　　在應力分析中，要對系統(tǒng)執(zhí)行仿真，觀察它在滿足性能指標時是否會導致一些器件超出其安全工作范圍。對器件的所有參數(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力過度的情況。應力分析要求采用性能額定數(shù)據(jù)對器件進行特征化。

　　Saber庫內的許多模型既可以內建性能額定值，又允許在模型特征化的過程中添加額定值信息。有了額定值信息，Saber的應力分析即可分析模型工作時所承受的應力。Saber隨后會生成一份詳細描述每一個器件所受應力情況的報告。

　　6.故障模式分析

　　穩(wěn)健設計流程的最后一步是確定在個別器件發(fā)生故障時系統(tǒng)的行為。根據(jù)系統(tǒng)的類型以及系統(tǒng)所采用的技術，單個部件的故障可以導致系統(tǒng)整體故障，或系統(tǒng)雖能繼續(xù)運行但不能符合設計要求，或者系統(tǒng)能夠從這一故障中恢復并繼續(xù)滿足性能指標。對故障模式要求通常在設計技術規(guī)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夠幫助設計師在系統(tǒng)設計中設置并運行故障模式試驗。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間引發(fā)故障。在某個器件發(fā)生故障時，Saber可以繼續(xù)執(zhí)行仿真，設計師就可以研究這項故障是如何影響系統(tǒng)性能的。

　　選擇正確的工具

　　實現(xiàn)有效而高效的穩(wěn)健設計流程要求使用具備特殊能力的仿真工具，對工具的關鍵要求為仿真支持、模型庫支持、建模語言支持和高級數(shù)據(jù)分析。

　　只通過一些標準分析并不能建立穩(wěn)健設計流程。對穩(wěn)健設計過程的每一步驟，仿真器都必須具備特定的、內在的功能：標稱設計、敏感性分析、參數(shù)分析、統(tǒng)計分析、應力分析和故障模式分析。對這些高級分析的簡單支持并不足夠，為滿足特定的系統(tǒng)設計目標，設計師必須能夠對模型和分析進行定制。

　　除了先進的分析功能外，仿真器還必須有精確的模型庫的支持。穩(wěn)健設計流程要求同時配備行為級和特征化器件模型。為了保證精度，模型應當以定義器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(shù)。特征化模型應當采用由基準測試中采集到的數(shù)據(jù)，而非器件手冊中的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建。

　　無論模型庫多么廣泛，也肯定會出現(xiàn)沒有所需模型的情況。因此，穩(wěn)健設計流程所使用的仿真器必須支持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(jù)實際器件公式來創(chuàng)建模型，而且建模語言應當在設計師所在行業(yè)內得到充分的使用和驗證。

　　最后，仿真器必須有用于分析仿真數(shù)據(jù)、功能強大的后處理工具的支持。這些工具應當讓設計師能夠深入觀察到設計的詳細情況，并能夠實現(xiàn)對設計數(shù)據(jù)的測量、組合和轉化，這樣，設計師才能對系統(tǒng)性能得出完整而準確的全面了解。

　　正如在上面的穩(wěn)健設計流程中所提到的，由于Saber仿真器同時支持高級分析和模型庫，因此，它可以實現(xiàn)有效而高效的穩(wěn)健設計流程。Saber還支持在系統(tǒng)設計領域得到了充分使用，并得到了認可的MAST(事實標準)和VHDL-AMS(IEEE標準)建模語言。在數(shù)據(jù)分析方面，Saber設計環(huán)境中包含了CosmosScope工具，這是一種設計師在分析設計數(shù)據(jù)時可以靈活控制的功能豐富的后處理工具。