穩健設計概念

　　“穩健設計(Robust Design)”是一種通用的、并經過實踐驗證的開發理念，致力于提高流程或產品的可靠性。為了提高可靠性，要求穩健設計原理在早期就成為設計周期不可分割的組成部分，其目標是讓最終產品免受那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信號、響應、噪聲和控制這4項參數予以考慮 。

　　在當前的系統設計環境中，這4項參數有其特定含義。

　　1.信號參數

　　信號參數是指系統輸入信號的特性參數。這方面需要考慮的參數有很多，包括信號的類型(模擬、數字等)、幅值、頻率、頻譜等。設計師必須在創建有效的系統設計前對這些特性予以掌握。信號參數決定系統輸入級的結構，輸入級對輸入信號進行準備加工，并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。與信號參數類似，也有許多需要考慮的響應參數。系統對輸入信號的處理必須能夠讓輸出達到性能要求。因此，響應參數決定了系統輸出級的結構。

　　3.噪聲參數

　　噪聲參數是指造成系統信號與響應之間的關系發生漂移的干擾，可以是系統的內部噪聲參數或外部噪聲參數，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聲的補償措施。為了做到這點，設計師必須首先對會給系統造成不利影響的所有噪聲參數進行識別和量化，然后，設計師必須選擇有哪些參數需要進行補償。

　　4.控制參數

　　控制參數用于對噪聲參數的補償，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并使其偏離標稱性能的那些噪聲參數進行預測和補償。在一種噪聲參數可能有多種補償解決方案時，穩健設計原理提倡采用最簡潔、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聲參數的控制參數。

　　設計實例-汽車制動

　　為了說明穩健設計參數是如何應用于系統設計的，我們以一個基本的汽車制動系統為例。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，該系統的輸入信號是對剎車踏板施加的壓力。主要的信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長。

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　　圖1：穩健設計中的參數。

　　有很多噪聲參數能夠影響制動系統制動車輛能力。常見的噪聲參數包括車輛的重量、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，并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，以便對剎車系統噪聲參數進行補償。常見的控制參數包括制動表面的大小、對剎車力的計算機控制、懸掛系統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性能技術規格的各項控制參數的組合。

　　一旦識別出關鍵性的噪聲參數并選定了控制參數，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為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，采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、部件參數、制造工藝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聲參數。系統設計師必須找到有助于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度器件，也可以涉及到實現新的控制算法。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健設計原理支持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。

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　　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。標稱設計的結果成為穩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發生變化時，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。設計師通過對數據的分析，得出哪些參數對系統性能的影響最大，并確定在接下來的設計流程中著重處理哪些參數。

　　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。每一次運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

　　設計師通過參數分析可以對最能影響系統性能的器件參數進行微調，該項分析的目的是通過特定參數在一定范圍內的變化來確定最符合性能技術規格的一組參數。參數值確定之后，重點就要放在在一定的環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參數。可通過多種方式在一定范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。像溫度這樣的環境參數也可以進行掃描。

　　4.統計分析

　　統計分析用于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布信息來計算。其中要執行一系列的仿真運行，每次仿真運行時的參數數值都有隨機的變化。根據系統的情況，可能需要成百次甚至上千次的運行來獲取在統計學上有意義的結果。隨后要對這些結果進行統計分析，以便更好地了解系統的可靠性概況。

　　值得注意的是，統計分析工作的計算量可能極為繁重，對復雜系統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計分析。可對行為模型的參數數值賦予具有多種統計分布的容差，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。這些容差和分布經過Saber的Monte Carlo分析后，就能提供系統精確的統計全景圖。Saber仿真環境支持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于應力過度的情況。應力分析要求采用性能額定數據對器件進行特征化。

　　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

　　穩健設計流程的最后一步是確定在個別器件發生故障時系統的行為。根據系統的類型以及系統所采用的技術，單個部件的故障可以導致系統整體故障，或系統雖能繼續運行但不能符合設計要求，或者系統能夠從這一故障中恢復并繼續滿足性能指標。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夠幫助設計師在系統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故障。在某個器件發生故障時，Saber可以繼續執行仿真，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據分析。

　　只通過一些標準分析并不能建立穩健設計流程。對穩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、參數分析、統計分析、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。特征化模型應當采用由基準測試中采集到的數據，而非器件手冊中的數據來創建。

　　無論模型庫多么廣泛，也肯定會出現沒有所需模型的情況。因此，穩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實際器件公式來創建模型，而且建模語言應當在設計師所在行業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據、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了解。

　　正如在上面的穩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，它可以實現有效而高效的穩健設計流程。Saber還支持在系統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以靈活控制的功能豐富的后處理工具。