王 濤,李澤西,陳學(xué)軍,王 戈,劉軍鋒,鄧德鑫,孟海濤

(1.西安衛(wèi)星測(cè)控中心,西安 710043;2.中國(guó)人民解放軍陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局,西安 710032)

0 引 言

近年來(lái),隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,太空領(lǐng)域成為世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的新戰(zhàn)場(chǎng)。為有效提升我國(guó)航天電子裝備的競(jìng)爭(zhēng)力,必須提升在軌航天器相關(guān)電子設(shè)備的性能。

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,可編程邏輯器件(Programmable Logic Device,PLD)已經(jīng)發(fā)展至億門(mén)級(jí)[1]。復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)作為PLD中最重要的兩種芯片[2],目前廣泛應(yīng)用于航天電子裝備,有效提高了電子設(shè)備的性能。但是,由于電子設(shè)備的工作環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜和未知,CPLD和FPGA應(yīng)用過(guò)程中的可靠性正面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)和問(wèn)題。基于CPLD和FPGA設(shè)計(jì)的電子設(shè)備應(yīng)用于航天電子裝備存在工作環(huán)境惡劣復(fù)雜易發(fā)生故障[3],故障發(fā)生后排查難度大、維修難度大、修復(fù)成本高甚至難以修復(fù)[4-5]等問(wèn)題。

為了解決CPLD和FPGA應(yīng)用于航天電子裝備面臨的故障易發(fā)、故障修復(fù)成本高和修復(fù)難度大甚至難以修復(fù)等問(wèn)題,提高電子設(shè)備的可靠性,研究人員在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)階段,通過(guò)對(duì)設(shè)備可能發(fā)生故障預(yù)先分析,使用冗余容錯(cuò)技術(shù)對(duì)設(shè)備中的關(guān)鍵模塊和核心部件進(jìn)行冗余備份[6-7]。當(dāng)電子設(shè)備在工作過(guò)程中發(fā)生故障時(shí),通過(guò)對(duì)設(shè)備內(nèi)故障部件位置的定位,利用冗余部件替換故障部件,從而保證電子設(shè)備能夠正常工作。這種方法在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用廣泛,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但是應(yīng)用于航天電子裝備時(shí)存在冗余設(shè)計(jì)依賴(lài)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境適應(yīng)能力差、硬件資源消耗大,以及容錯(cuò)能力有限等不足[8]。

為了從根本上提升數(shù)字電路的可靠性,研究人員基于多細(xì)胞生物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程提出胚胎電子系統(tǒng)技術(shù)。胚胎電子系統(tǒng)是一種基于多細(xì)胞生物生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程而設(shè)計(jì)的新型仿生電路,具有類(lèi)似于生物的自組織、自檢測(cè)和自修復(fù)特性[9-11]。胚胎電子系統(tǒng)的核心是胚胎電子細(xì)胞陣列?；谂咛ル娮酉到y(tǒng)進(jìn)行再設(shè)計(jì)的功能電路具有故障自檢測(cè)和自修復(fù)能力,能夠有效提高電子設(shè)備的可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力,具有廣泛的應(yīng)用前景。目前,胚胎電子系統(tǒng)的研究主要集中在硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與自修復(fù)策略[12-16]、故障自檢測(cè)方法[17]、可靠性評(píng)估[11]、硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[18-19]等方面。

可靠性是衡量胚胎電子系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),也是優(yōu)化胚胎電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。為了評(píng)估胚胎電子系統(tǒng)的可靠性,研究人員基于k-out-of-n模型建立了胚胎電子系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型[20],為系統(tǒng)可靠性的評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。為了更加準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)的可靠性,研究人員結(jié)合胚胎電子系統(tǒng)工作過(guò)程,基于多態(tài)系統(tǒng)理論建立了胚胎電子系統(tǒng)的可靠性評(píng)估模型[21],并基于Markov狀態(tài)圖法提出胚胎電子系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法[22]。同時(shí),在胚胎電子系統(tǒng)可靠性評(píng)估過(guò)程引入輔助資源占比和電子細(xì)胞粒度參數(shù)[23],建立了陣列的可靠性模型,提高了系統(tǒng)可靠性評(píng)估的準(zhǔn)確性。基于胚胎電子系統(tǒng)的可靠性評(píng)估研究可知,胚胎電子系統(tǒng)能夠有效提高電子電路的可靠性,在高可靠電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)提高電子設(shè)備可靠性的設(shè)計(jì)方法難以適應(yīng)未來(lái)航天電子裝備中電子設(shè)備的設(shè)計(jì)要求,因此有效提高電子設(shè)備的可靠性是未來(lái)需要研究和解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為提高電子系統(tǒng)在航天電子裝備工作過(guò)程中的可靠性,本文引入胚胎電子系統(tǒng)技術(shù),從硬件消耗、故障修復(fù)時(shí)間、可修復(fù)故障類(lèi)型和環(huán)境適應(yīng)性角度出發(fā),對(duì)比分析胚胎電子系統(tǒng)和冗余容錯(cuò)系統(tǒng)的性能。最后,分析了胚胎電子系統(tǒng)技術(shù)在航天電子裝備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 胚胎電子系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

胚胎電子系統(tǒng)通常由電子細(xì)胞相互連接組成二維陣列,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,陣列內(nèi)每個(gè)電子細(xì)胞都代表一個(gè)處理單元。系統(tǒng)內(nèi)電子細(xì)胞的結(jié)構(gòu)均相同,根據(jù)功能的不同分為工作細(xì)胞和空閑細(xì)胞。工作細(xì)胞根據(jù)自身的在系統(tǒng)中的位置完成特定的電路功能,空閑細(xì)胞作為工作細(xì)胞的備份,實(shí)現(xiàn)故障工作細(xì)胞的自修復(fù)。

圖1 胚胎電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1可見(jiàn),胚胎電子系統(tǒng)的核心是電子細(xì)胞,其主要由地址產(chǎn)生器、基因存儲(chǔ)配置模塊、功能模塊、控制模塊、故障檢測(cè)模塊和輸入輸出(Input and Output,I/O)模塊組成。圖1中,“W”代表信號(hào)傳輸至細(xì)胞的左側(cè)細(xì)胞,“E”代表信號(hào)傳輸至細(xì)胞的右側(cè)細(xì)胞,“S”代表信號(hào)傳輸至細(xì)胞的下方細(xì)胞,“N”代表信號(hào)傳輸至細(xì)胞的上方細(xì)胞。地址產(chǎn)生器根據(jù)其下方和左側(cè)電子細(xì)胞的坐標(biāo)信息產(chǎn)生細(xì)胞的地址信息?；虼鎯?chǔ)配置模塊存儲(chǔ)系統(tǒng)正常工作需要的配置信息,并根據(jù)電子細(xì)胞的地址信息選擇對(duì)應(yīng)的基因配置到細(xì)胞內(nèi)的其他模塊,配置信息主要包括細(xì)胞的功能配置信息,細(xì)胞輸入的選擇控制配置信息,細(xì)胞工作狀態(tài)信息,延時(shí)配置信息,以及該細(xì)胞的備份配置信息。功能模塊根據(jù)來(lái)自基因存儲(chǔ)配置模塊的配置基因,實(shí)現(xiàn)電子細(xì)胞的電路功能。控制模塊完成電子細(xì)胞各個(gè)模塊的控制,保證電子細(xì)胞的正常有序工作。故障檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)功能模塊的故障自檢測(cè),產(chǎn)生故障自修復(fù)功能的控制信號(hào)。I/O模塊實(shí)現(xiàn)電子細(xì)胞與相鄰電子細(xì)胞間信號(hào)的傳輸。

胚胎電子系統(tǒng)的工作過(guò)程如下:首先,根據(jù)系統(tǒng)功能得到每個(gè)電子細(xì)胞的基因配置信息存儲(chǔ)在基因存儲(chǔ)和配置模塊;其次,地址產(chǎn)生器生成電子細(xì)胞的位置信息并傳遞給基因存儲(chǔ)配置模塊;然后,基因存儲(chǔ)配置模塊根據(jù)電子細(xì)胞的位置信息選擇細(xì)胞需要執(zhí)行功能的基因信息并配置給電子細(xì)胞的功能模塊、I/O模塊和故障檢測(cè)模塊;最后,各個(gè)模塊通過(guò)執(zhí)行收到的基因配置信息,實(shí)現(xiàn)電子細(xì)胞的功能。當(dāng)電子細(xì)胞中故障檢測(cè)模塊檢測(cè)到故障后,故障信號(hào)將直接傳遞給控制模塊?？刂颇K將啟動(dòng)電子細(xì)胞的自修復(fù)功能,故障電子細(xì)胞被進(jìn)入“透明狀態(tài)”,即該電子細(xì)胞的輸入不經(jīng)過(guò)處理直接輸出,電子細(xì)胞充當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)的作用,相鄰電子細(xì)胞替代故障電子細(xì)胞完成相應(yīng)的電路功能,保證系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常工作[24-25]。

1.2 系統(tǒng)故障自修復(fù)策略

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),系統(tǒng)主要有行(列)移除自修復(fù)和細(xì)胞移除自修復(fù)兩種策略[24-26]。行移除故障自修復(fù)策略過(guò)程如圖2所示,列移除故障自修復(fù)的原理相同。下面以行移除故障自修復(fù)為例進(jìn)行分析。

圖2 胚胎電子系統(tǒng)的行移除自修復(fù)過(guò)程

行移除故障自修復(fù)過(guò)程中,某電子細(xì)胞行內(nèi)工作細(xì)胞故障后將觸發(fā)該電子細(xì)胞行被移除,該電子細(xì)胞行內(nèi)電子細(xì)胞的地址對(duì)應(yīng)向上移動(dòng)一位,利用空閑的電子細(xì)胞行。被移除電子細(xì)胞行上方電子細(xì)胞的地址將重新計(jì)算,進(jìn)而重新配置電子細(xì)胞的功能,實(shí)現(xiàn)故障的自修復(fù)。行移除自修復(fù)胚胎電子系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)電子細(xì)胞存儲(chǔ)該電子系統(tǒng)列所有工作細(xì)胞的基因配置信息。

行移除故障自修復(fù)策略工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,故障修復(fù)過(guò)程耗時(shí)短,但是也存在硬件消耗大、資源利用率不高等不足。

為提高系統(tǒng)空閑細(xì)胞的利用率,提出了細(xì)胞移除故障自修復(fù)策略。細(xì)胞移除故障自修復(fù),即如果胚胎電子系統(tǒng)內(nèi)任意一個(gè)工作細(xì)胞發(fā)生故障,僅故障細(xì)胞變?yōu)椤巴该鳌睜顟B(tài),充當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)作用,故障細(xì)胞的功能由相鄰電子細(xì)胞完成。細(xì)胞移除故障自修復(fù)策略過(guò)程如圖3所示。

圖3 胚胎電子系統(tǒng)的細(xì)胞移除自修復(fù)過(guò)程

細(xì)胞移除故障自修復(fù)過(guò)程分為兩個(gè)階段:第一階段為電子細(xì)胞行內(nèi)故障工作細(xì)胞數(shù)目不超過(guò)空閑細(xì)胞數(shù)目時(shí),故障自修復(fù)過(guò)程在電子細(xì)胞行內(nèi)進(jìn)行,電子細(xì)胞行內(nèi)的工作細(xì)胞故障后,空閑細(xì)胞替代故障工作細(xì)胞,實(shí)現(xiàn)故障自修復(fù)。當(dāng)電子細(xì)胞行內(nèi)故障工作細(xì)胞數(shù)目超過(guò)空閑細(xì)胞數(shù)目時(shí),故障自修復(fù)進(jìn)入第二個(gè)階段,胚胎電子系統(tǒng)進(jìn)行行移除故障自修復(fù)策略,實(shí)現(xiàn)故障的自修復(fù)。細(xì)胞移除故障自修復(fù)胚胎電子系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)電子細(xì)胞將存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)所有工作細(xì)胞的配置信息。

細(xì)胞移除故障自修復(fù)能夠有效提高系統(tǒng)內(nèi)空閑細(xì)胞的利用率,進(jìn)而提高系統(tǒng)能夠正常工作的時(shí)間,但是電子細(xì)胞內(nèi)需要大量的存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)配置信息,而且陣列自修復(fù)過(guò)程的重配置和重新布局布線(xiàn)更加復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)難度更大。

2 與典型容錯(cuò)方式對(duì)比分析

冗余容錯(cuò)技術(shù)因?yàn)榫哂泄こ桃讓?shí)現(xiàn)、修復(fù)時(shí)效高等優(yōu)點(diǎn),目前被廣泛用于提高系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)。因此,選擇冗余容錯(cuò)技術(shù)作為對(duì)比對(duì)象,選擇不同規(guī)模的電路系統(tǒng),分別從硬件消耗、故障修復(fù)時(shí)間、可修復(fù)故障類(lèi)型、環(huán)境適應(yīng)能力等方面開(kāi)展對(duì)比分析,驗(yàn)證胚胎電子系統(tǒng)對(duì)于提高系統(tǒng)性能的有效性[27]。

2.1 硬件資源消耗分析

假設(shè)某電路系統(tǒng)由m×n個(gè)基本單元構(gòu)成,胚胎電子系統(tǒng)的規(guī)模為R×C,即陣列的行數(shù)為R,列數(shù)為C。工作電子系統(tǒng)的規(guī)模為m×n,即工作陣列的行數(shù)為m,列數(shù)為n(m≤R,n≤C)。每個(gè)基本單元的硬件消耗為h。電子細(xì)胞是在基本單元的基礎(chǔ)上增加了地址產(chǎn)生器、基因配置存儲(chǔ)模塊、故障自檢測(cè)模塊與自修復(fù)控制模塊。設(shè)電子細(xì)胞內(nèi)增加單元與基本單元的硬件消耗比為α,α的取值主要由電路設(shè)計(jì)水平及故障自檢測(cè)的覆蓋率兩個(gè)因素決定。電路由基本單元實(shí)現(xiàn)時(shí),硬件消耗為mnh;電路由電子細(xì)胞實(shí)現(xiàn)時(shí),硬件消耗為mnh(1 +α)。

如果要求電路的容錯(cuò)次數(shù)為β(β∈+),電路系統(tǒng)通過(guò)N模冗余實(shí)現(xiàn),并使用模塊冗余結(jié)構(gòu)。此時(shí)需要N+β-1個(gè)電路通過(guò)表決器、一致性檢測(cè)器和開(kāi)關(guān)電路完成電路輸出結(jié)果的比較和選擇,輸出正確的結(jié)果。忽略比較器、檢測(cè)器和開(kāi)關(guān)的硬件消耗,此時(shí)電路的硬件消耗Hr近似為

Hr=mnh(N+β-1)。

(1)

如果通過(guò)胚胎電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),并采用列移除自修復(fù)策略進(jìn)行自修復(fù),系統(tǒng)需要冗β列空閑細(xì)胞列,此時(shí)電路的硬件消耗Hc為

Hc=mh(n+β)(1+α)。

(2)

采用細(xì)胞移除自修復(fù)策略,則有β=R(C-n),此時(shí)電路的硬件資源消耗He為

He=RCh(1+α)=h(Rn+β)(1+α)。

(3)

則N模冗余實(shí)現(xiàn)電路與列移除自修復(fù)胚胎電子系統(tǒng)所需硬件消耗比Lc為

(4)

N模冗余實(shí)現(xiàn)電路與細(xì)胞移除自修復(fù)胚胎電子系統(tǒng)所需硬件消耗比Le為

(5)

由式(4)可知,Lc與目標(biāo)電路列數(shù)n、自修復(fù)能力β、電子細(xì)胞輔助電路比例α及N模冗余形式相關(guān)。N模冗余中,N越大,電路的硬件消耗量越大。對(duì)于確定的α和β,采用三模冗余時(shí),即N=3時(shí),Lc值最小,有

(6)

同理,式(5)中,對(duì)于確定的α和β,采用三模冗余時(shí),即N=3時(shí),Le值最小,有

(7)

為便于分析,假設(shè)m=n,且m,n∈[5,100],自修復(fù)能力β∈[1,20],電子細(xì)胞輔助電路比例α分別為0.5,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0 時(shí),Lc隨n和β的變化如圖4所示。

圖4 Lc隨電路規(guī)模和容錯(cuò)次數(shù)變化的變化規(guī)律

由圖4(a)可知,當(dāng)α=0.5且電路規(guī)模一定時(shí),隨著電路容錯(cuò)次數(shù)的增加,冗余容錯(cuò)系統(tǒng)與胚胎電子系統(tǒng)的硬件消耗比Lc不斷增加;當(dāng)電路冗余容錯(cuò)次數(shù)一定時(shí),隨著電路規(guī)模的增加,Lc也不斷增加。當(dāng)n=5和β=1時(shí),Lc最小為1.667。此時(shí)胚胎電子系統(tǒng)的硬件資源消耗小于冗余容錯(cuò)系統(tǒng),且冗余容錯(cuò)次數(shù)越多,電路規(guī)模越大,冗余容錯(cuò)系統(tǒng)硬件消耗相對(duì)于胚胎電子系統(tǒng)硬件消耗更多。

同理,圖4(b)～(f)中,當(dāng)α一定時(shí),隨著隨著電路容錯(cuò)次數(shù)的增加,冗余容錯(cuò)系統(tǒng)與胚胎電子系統(tǒng)的硬件消耗比Lc不斷增加;當(dāng)電路冗余容錯(cuò)次數(shù)一定時(shí),隨著電路規(guī)模的增加,Lc也不斷增加。圖4(b)中,當(dāng)n=5和β=1時(shí),Lc最小為1.250。圖4(c)中,當(dāng)n=5和β=1時(shí),Lc最小為0.830;當(dāng)n=100和β=1時(shí),Lc為0.99。圖4(d)中,當(dāng)n=5和β=1時(shí),Lc最小為0.625;當(dāng)n=5和β=10時(shí),Lc為0.99。圖4(e)中,當(dāng)n=5和β=1時(shí),Lc最小為0.50;當(dāng)n=10和β=6時(shí),Lc為1;當(dāng)n=20和β=4時(shí),Lc為1。圖4(f)中,當(dāng)n=5和β=1時(shí),Lc最小為0.418;當(dāng)n=30和β=5時(shí),Lc為1;當(dāng)n=10和β=10時(shí),Lc為1。

當(dāng)電路規(guī)模和電路容錯(cuò)次數(shù)一定時(shí),輔助資源占比α從0.5增加到4的過(guò)程中,隨著α的增加,冗余容錯(cuò)系統(tǒng)與胚胎電子系統(tǒng)硬件消耗比值Lc不斷下降,因此,設(shè)計(jì)人員應(yīng)該加強(qiáng)電子細(xì)胞設(shè)計(jì)研究,盡可能降低α的值。

同理,假設(shè)m=n,且m,n∈[5,100],R=2n,自修復(fù)能力β∈[1,20],電子細(xì)胞輔助電路比例α分別為0.5,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0 時(shí),Le隨n和β的變化如圖5所示。

圖5 Le隨電路規(guī)模和容錯(cuò)次數(shù)變化的變化規(guī)律

由圖5(a)可知,α=0.5且電路規(guī)模一定時(shí),隨著電路容錯(cuò)次數(shù)的增加,冗余容錯(cuò)系統(tǒng)與胚胎電子系統(tǒng)的硬件消耗比Le不斷增加;當(dāng)電路冗余容錯(cuò)次數(shù)一定時(shí),隨著電路規(guī)模的增加,Le也不斷增加。當(dāng)n=5和β=1時(shí),Le最小為0.980;當(dāng)n=100和β=1時(shí),Le為1。因此,冗余容錯(cuò)系統(tǒng)適用于小規(guī)模電路。隨著電路規(guī)模的不斷增加,胚胎電子系統(tǒng)的硬件消耗相對(duì)于冗余容錯(cuò)系統(tǒng)更小。

同理,圖5(b)～(f)中,當(dāng)α一定時(shí),隨著電路容錯(cuò)次數(shù)的增加,冗余容錯(cuò)系統(tǒng)與胚胎電子系統(tǒng)的硬件消耗比Le不斷增加;當(dāng)電路冗余容錯(cuò)次數(shù)一定時(shí),隨著電路規(guī)模的增加,Le也不斷增加。圖5(b)中,當(dāng)n=5和β=1時(shí),Le最小為0.735;當(dāng)n=5和β=1時(shí),Le最小為0.49;當(dāng)n=100和β=4時(shí),Le為1。圖5(d)中,當(dāng)n=5和β=1時(shí),Le最小為0.368;當(dāng)n=100和β=6時(shí),Le為1。圖5(e)中,當(dāng)n=5和β=1時(shí),Le最小為0.294;當(dāng)n=100和β=8時(shí),Le為1;當(dāng)n=5和β=10時(shí),Le為1。圖5(f)中,當(dāng)n=5和β=1時(shí),Le最小為0.245;當(dāng)n=100和β=10時(shí),Le為1;當(dāng)n=5和β=13時(shí),Le為1。

當(dāng)電路規(guī)模和電路容錯(cuò)次數(shù)一定時(shí),輔助資源占比α從0.5增加到4的過(guò)程中,隨著α的增加,冗余容錯(cuò)系統(tǒng)與胚胎電子系統(tǒng)硬件消耗比值Le不斷下降,因此,設(shè)計(jì)人員應(yīng)該加強(qiáng)電子細(xì)胞設(shè)計(jì)研究,盡可能降低α的值。

2.2 故障修復(fù)時(shí)間對(duì)比

冗余容錯(cuò)系統(tǒng)故障修復(fù)時(shí)間主要由邏輯判斷時(shí)間和開(kāi)關(guān)切換時(shí)間兩部分組成。其中,邏輯判斷即對(duì)信號(hào)進(jìn)行比對(duì),而信號(hào)測(cè)量與信號(hào)的時(shí)鐘頻率有直接關(guān)系。信號(hào)的頻率越高,其周期越短,根據(jù)奈奎斯特采樣定理,只要能采樣一個(gè)周期的信號(hào),就能對(duì)信號(hào)進(jìn)行評(píng)判。絕大多數(shù)數(shù)字信號(hào)的周期都在1 s之內(nèi),也就是信號(hào)檢測(cè)和比較能夠在1 s內(nèi)完成?；贑MOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)組成的MUX(Multiplexer)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間可忽略不計(jì)。

胚胎電子系統(tǒng)故障修復(fù)時(shí)間主要由故障檢測(cè)時(shí)間、配置信息重新表達(dá)和重布線(xiàn)時(shí)間三部分組成,其中重布線(xiàn)時(shí)間本質(zhì)也是開(kāi)關(guān)切換的時(shí)間。故障檢測(cè)只關(guān)心是否出現(xiàn)故障,而不關(guān)注是何種故障,最簡(jiǎn)單的方法就是將測(cè)量值和預(yù)期值進(jìn)行比對(duì)。耗時(shí)與邏輯判斷時(shí)間基本一致,即信號(hào)檢測(cè)和比較能夠在1 s內(nèi)完成。數(shù)據(jù)配置耗時(shí)與配置文件大小和DCLK頻率有直接關(guān)系,通常情況下的數(shù)據(jù)配置耗時(shí)可控制在1 s內(nèi)。基于CMOS組成的MUX開(kāi)關(guān)切換時(shí)間可忽略不計(jì)。

因此,胚胎電子系統(tǒng)修復(fù)時(shí)間略大于冗余容錯(cuò)系統(tǒng),但是很接近。

2.3 可修復(fù)故障類(lèi)型對(duì)比

數(shù)字電路出現(xiàn)的故障類(lèi)型較多。根據(jù)不同故障類(lèi)型具有的特點(diǎn),結(jié)合基于冗余容錯(cuò)系統(tǒng)和胚胎電子系統(tǒng)的故障修復(fù)機(jī)制,不同故障類(lèi)型下系統(tǒng)的故障修復(fù)能力見(jiàn)表1。

表1 不同故障類(lèi)型的修復(fù)能力

在冗余容錯(cuò)系統(tǒng)中,任何影響電路輸出結(jié)果的故障能夠被發(fā)現(xiàn),按照冗余容錯(cuò)系統(tǒng)少數(shù)服從多數(shù)的判斷方式,輸出正確的結(jié)果,實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)。

在胚胎電子系統(tǒng)中,故障檢測(cè)模塊原理為雙模冗余方式,這與冗余容錯(cuò)系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)制基本一致,因此,任意改變電路輸出的故障均可被檢測(cè)出來(lái),從而觸發(fā)故障修復(fù)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)故障的修復(fù)。

2.4 環(huán)境適應(yīng)能力對(duì)比

電路系統(tǒng)采用冗余容錯(cuò)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí),設(shè)計(jì)人員根據(jù)電路系統(tǒng)的工作環(huán)境,結(jié)合相關(guān)理論與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),對(duì)關(guān)鍵模塊或易故障模塊進(jìn)行冗余設(shè)計(jì),從而提高系統(tǒng)的可靠性。因此,設(shè)計(jì)出的電路系統(tǒng)針對(duì)特定的工作環(huán)境有效,在其他環(huán)境下不一定有效。

電路系統(tǒng)采用胚胎電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí),設(shè)計(jì)人員是將電路系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),使整個(gè)電路系統(tǒng)具備故障自修復(fù)能力。電路系統(tǒng)中任意電子細(xì)胞故障后,均能夠利用空閑細(xì)胞完成故障修復(fù),與具體的環(huán)境無(wú)關(guān)。

3 應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)分析

3.1 應(yīng)用前景分析

將現(xiàn)有航天裝備中的電子電路按照胚胎電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì),能夠使電子裝備具備故障自檢測(cè)和故障自修復(fù)的能力,有效提高電路系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力,在航天裝備中具有廣闊的應(yīng)用前景。圖6展示胚胎電子系統(tǒng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景。

圖6 胚胎電子系統(tǒng)典型應(yīng)用場(chǎng)景

3.1.1 高可靠大載荷航天器設(shè)計(jì)

由冗余容錯(cuò)系統(tǒng)和胚胎電子系統(tǒng)的對(duì)比分析可知,在相同自修復(fù)能力要求的前提下,電路規(guī)模越大,胚胎電子系統(tǒng)相對(duì)于冗余容錯(cuò)系統(tǒng)的硬件消耗更少,航天器可以在有限資源條件下搭載更多的應(yīng)用載荷。

在相同硬件資源的前提下,胚胎電子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更多次數(shù)的故障修復(fù),因此基于胚胎電子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。航天器在太空環(huán)境的工作環(huán)境惡劣和未知,對(duì)于傳統(tǒng)電子設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。胚胎電子系統(tǒng)不依賴(lài)于環(huán)境設(shè)計(jì),在未知復(fù)雜環(huán)境中具有更加廣泛的應(yīng)用。

3.1.2 高可靠集成化航天測(cè)運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著航天發(fā)射任務(wù)頻次的增加以及測(cè)量弧段等要求的提高,傳統(tǒng)地基測(cè)控系統(tǒng)已不能完全滿(mǎn)足未來(lái)運(yùn)載火箭及衛(wèi)星的測(cè)控任務(wù)。天基測(cè)控系統(tǒng)因能夠大幅提高測(cè)控覆蓋率、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和測(cè)控?cái)?shù)傳可靠性,已經(jīng)成為未來(lái)運(yùn)載火箭和中低軌衛(wèi)星等航天器測(cè)控的必然趨勢(shì)。

針對(duì)大規(guī)模數(shù)字電路,相同硬件前提下,胚胎電子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更多次數(shù)的故障修復(fù),從而具備更高的可靠性,為后續(xù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守測(cè)站和可靠天基測(cè)站的建立奠定基礎(chǔ)。在相同的可靠性要求下,胚胎電子系統(tǒng)的硬件消耗更少,集成度更高,更加適應(yīng)裝備的未來(lái)發(fā)展需要。

3.1.3 復(fù)雜環(huán)境下電子裝備設(shè)計(jì)

隨著電子裝備應(yīng)用環(huán)境的多樣化和復(fù)雜化,特別是在太空環(huán)境中的應(yīng)用不斷擴(kuò)展,傳統(tǒng)的人工維修難以滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需要,對(duì)于系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。胚胎電子系統(tǒng)具有故障自檢測(cè)和故障自修復(fù)能力,在相同的硬件資源前提下能夠?qū)崿F(xiàn)更高的可靠性,能夠提升系統(tǒng)對(duì)與復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性,進(jìn)而提升系統(tǒng)的可靠性。

3.1.4 智能化航天電子裝備設(shè)計(jì)

智能化是未來(lái)電子電路的必然趨勢(shì)。智能電子裝備要求裝備具有類(lèi)似于生物的能力。胚胎電子系統(tǒng)仿生自修復(fù)技術(shù)是生物理論向電子領(lǐng)域轉(zhuǎn)化的技術(shù)之一,其具備的故障自檢測(cè)與故障自修復(fù)能力來(lái)源于生物免疫系統(tǒng)的“抗原識(shí)別”與“抗體消滅抗原”等機(jī)制的轉(zhuǎn)化。因此,將胚胎電子系統(tǒng)仿生自修復(fù)技術(shù)融入航天電子裝備設(shè)計(jì)過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)智能航天電子裝備設(shè)計(jì),可從根本上提升航天電子裝備性能。

3.2 主要挑戰(zhàn)分析

胚胎電子系統(tǒng)雖然具備故障自修復(fù)能力,但是目前關(guān)于胚胎電子系統(tǒng)的研究還處于理論研究和簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)階段,距離工程實(shí)際應(yīng)用還存在較大差距,主要面臨以下挑戰(zhàn)。

3.2.1 電子細(xì)胞硬件資源消耗較大

胚胎電子細(xì)胞陣列主要由胚胎電子細(xì)胞組成,細(xì)胞主要由地址模塊、功能模塊、控制模塊、基因配置存儲(chǔ)模塊、故障檢測(cè)模塊與輸入輸出模塊等構(gòu)成,與最基本的功能電路相比,增加了大量的檢測(cè)控制電路,這就勢(shì)必增加電路系統(tǒng)的硬件資源消耗。特別是基因配置存儲(chǔ)模塊在工作過(guò)程中不僅要存儲(chǔ)自身需要的基因配置信息,為完成自修復(fù)功能還需要存儲(chǔ)大量其他細(xì)胞的基因配置信息,存儲(chǔ)基因配置信息的硬件資源消耗占整個(gè)電路硬件資源消耗的絕大部分。同時(shí)受現(xiàn)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與自修復(fù)策略的限制,在功能分化過(guò)程的布局布線(xiàn)和自修復(fù)過(guò)程中都存在較大的硬件資源消耗。

3.2.2 復(fù)雜電路功能分化計(jì)算量大耗時(shí)長(zhǎng)

電路功能的分化就是將具體的電路功能映射到電子細(xì)胞中。這是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作,能否合理準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電路功能到胚胎電子系統(tǒng)的映射將影響整個(gè)電路的硬件消耗、電路功能實(shí)現(xiàn)及自修復(fù)能否完成。目前基于多路選擇器結(jié)構(gòu)的胚胎電子系統(tǒng)主要采用二叉決策圖法完成電路的功能分化。二叉決策圖法可以直接將功能電路映射到多路選擇器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,但是由于多路選擇器的功能比較簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電路較為困難,因此該方法使用越來(lái)越少?；诓檎冶?Look-Up-Table,LUT)結(jié)構(gòu)的胚胎電子細(xì)胞陣列的功能分化主要靠人為指定,自動(dòng)化程度低,只適用于小規(guī)模電路的功能分化。如何實(shí)現(xiàn)實(shí)際功能電路到胚胎電子系統(tǒng)快速、合理且準(zhǔn)確的功能分化,也是現(xiàn)在研究過(guò)程中的一大難題。

3.2.3 故障檢測(cè)方法不完善

目前胚胎電子系統(tǒng)故障檢測(cè)方法存在故障覆蓋率低、故障檢測(cè)硬件資源消耗大的問(wèn)題。胚胎電子系統(tǒng)的故障檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)電路自修復(fù)的前提,如何快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)?，F(xiàn)有胚胎電子細(xì)胞陣列的故障檢測(cè)方法主要分為細(xì)胞內(nèi)故障自檢和細(xì)胞間故障互檢兩種。細(xì)胞內(nèi)的自檢通常是通過(guò)冗余備份的容錯(cuò)思想進(jìn)行檢錯(cuò)設(shè)計(jì),這種故障自檢測(cè)方式應(yīng)用于大規(guī)模電路的故障檢測(cè)設(shè)計(jì)存在故障覆蓋率低和資源消耗較大等問(wèn)題。細(xì)胞間的互檢需要增加專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)細(xì)胞或者利用周?chē)募?xì)胞進(jìn)行細(xì)胞狀態(tài)檢測(cè),資源消耗相對(duì)增加,自修復(fù)過(guò)程布局布線(xiàn)更加復(fù)雜。

3.2.4 大規(guī)模復(fù)雜電路的實(shí)現(xiàn)難度大

目前在胚胎電子細(xì)胞結(jié)構(gòu)、胚胎電子系統(tǒng)中電子細(xì)胞設(shè)計(jì)、電路的功能分化、電路的故障檢測(cè)技術(shù)等方面都有很多需要繼續(xù)研究的地方,相關(guān)理論技術(shù)還不夠完善,因此實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大規(guī)模電路還比較困難。

4 結(jié) 論

為提高航天裝備內(nèi)電子系統(tǒng)的可靠性,本文首先分析了現(xiàn)有電路設(shè)計(jì)在航天裝備中存在的不足,然后引入胚胎電子系統(tǒng)理論,從硬件資源消耗、故障修復(fù)時(shí)間、可修復(fù)故障類(lèi)型和環(huán)境適應(yīng)性等角度出發(fā)分析了胚胎電子系統(tǒng)與冗余容錯(cuò)系統(tǒng)在電路系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)。胚胎電子系統(tǒng)相對(duì)于冗余容錯(cuò)系統(tǒng)在相同可靠性需求的前提下,硬件消耗更少,兩種設(shè)計(jì)方式的故障修復(fù)時(shí)間、可修復(fù)故障類(lèi)型基本相同,但胚胎電子系統(tǒng)具有不依賴(lài)于設(shè)計(jì)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)。最后,根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果,分析了胚胎電子系統(tǒng)仿生自修復(fù)技術(shù)在航天裝備的應(yīng)用前景與面臨的挑戰(zhàn)。