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軍用嵌入式系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

時間:2007-12-13 16:14:00來源:dujing

導語:?如今的嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在各國軍隊的武器控制、指揮控制以及各種通信裝備、野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)等專用設(shè)備上。
1 引言 目前用于機電一體化和工業(yè)自動控制的嵌入式系統(tǒng),最早出現(xiàn)在20世紀60年代的武器控制系統(tǒng)之中,后來逐步用于軍事指揮和通信。到了上世紀80年代,美軍先進的武器系統(tǒng)基本都裝備了嵌入式計算機。之后又經(jīng)過幾十年的發(fā)展,如今的嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在各國軍隊的武器控制、指揮控制以及各種通信裝備、野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)等專用設(shè)備上。 2 可靠性是軍用嵌入式系統(tǒng)的重要因素 嵌入式系統(tǒng)往往工作環(huán)境惡劣、受電噪聲干擾較大,而且隨著軟件越來越復雜,系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的現(xiàn)象愈來愈嚴重,因此,可靠性已經(jīng)成為衡量嵌人式系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素;軍用嵌入式系統(tǒng)更應(yīng)高度重視其可靠性設(shè)計、測試和評估技術(shù),應(yīng)把可靠性作為嵌入式系統(tǒng)最重要的指標優(yōu)先考慮。這一方面是因為嵌入式系統(tǒng)是軟硬一體的混合系統(tǒng),軟件和硬件要共用大量的接口。因此要特別注意系統(tǒng)的穩(wěn)定性、信號串擾、電磁干擾與靜電防護等方面的可靠性設(shè)計問題。 另一方面,嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用也為可靠性設(shè)計提供了有效手段(如軟件抗干擾、仿真測試等可靠性技術(shù))。然而,由于主要的處理器芯片和操作系統(tǒng)的核心技術(shù)掌握于國外廠商手中,我國的嵌入式技術(shù)大都集中在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域,市場上的嵌入式基礎(chǔ)技術(shù)與開發(fā)平臺大部分為國外品牌所控制,所以,我們應(yīng)充分掌握嵌入式技術(shù)的最新發(fā)展,并積極慎重地加之利用。 3 軍用嵌入式系統(tǒng)的可靠性考慮 3.1 架構(gòu)的可靠性 目前,我國自行研制的常規(guī)兵器及檢測器材中的嵌入式系統(tǒng)以加固型微機和專用計算機組件較為多見。前者是將通用微型計算機經(jīng)機械加固和電氣加固,并配置各種外圍接口電路,從而構(gòu)成各種作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)或檢測系統(tǒng);后者則以自行設(shè)計多個插件的形式構(gòu)成計算機系統(tǒng)。總之,采用芯片級或板級嵌入式模塊的還不多,并且較多采用的是MC51系列/X86系列處理器體系結(jié)構(gòu),這與近些年來嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展和軍事裝備更復雜的功能需求已不相適應(yīng),并在較大程度上制約了武器裝備性能的進一步發(fā)揮與系統(tǒng)可靠性的提高。 為此,設(shè)計時首先要選擇合適的高性能嵌入式處理器。這對于提高系統(tǒng)可靠性起著至關(guān)重要的作用。國內(nèi)外的工程實踐證明,在許多時候,電子元器件的失效并不是因為電子元器件的固有可靠性不高,而是由于系統(tǒng)設(shè)計者的選擇和使用不當造成的。資料顯示,由于使用不當而造成的電子元器件失效約占整個電子元器件失效的50%左右。因此,設(shè)計者應(yīng)首先對要選用的處理器以及相關(guān)元器件進行充分地了解和選擇,并在使用過程中采取適當?shù)拇胧?,打好系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。例如不同類型處理器的抗干擾能力和接口驅(qū)動能力是不一樣的,因此在選用時應(yīng)避免選擇能力弱的型號。就發(fā)展趨勢而言,今天的廠家為我們提供的片上系統(tǒng)SOC(System On Chip))是較好的解決方案,可以在一塊芯片上集成多核(例如ARM+DSP、甚至更多個CPU)、集成更大容量的RAM和閃存、集成CRT/LCD接口、數(shù)據(jù)I/O接口、A/D、D/A、定時器、通信接口、存儲器管理單元及允許用戶編程的功能區(qū)域等一系列的功能部件,從而形成功能更加強大的嵌入式處理器。由于集成度高、構(gòu)成系統(tǒng)所用的分立元器件少,因而必然增加系統(tǒng)的可靠性。同時,我們也應(yīng)認識到,轉(zhuǎn)用32位架構(gòu)不僅能提升性能,還能降低制造成本和系統(tǒng)功耗,縮短研制時間,并可提供不斷擴展和更新的方案,從而使裝備具有持續(xù)升級的能力,延長裝備的壽命周期。 所眾周知,20世紀90年代后,商用計算機在技術(shù)上已超過了軍用計算機。為了引進更先進的計算機技術(shù),縮短研制周期,降低訂購價格,軍用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)由過去“一切自行設(shè)計”逐步采用商用成熟技術(shù)和開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標準。比如引入實時操作系統(tǒng)RTOS(Real-Time Operaing Sys-tem)可有效解決嵌入式軟件開發(fā)標準化的難題,促進軍用嵌入式軟件的可互操作性、可重復利用性和可移植性。 3.2 網(wǎng)絡(luò)可靠性 隨著網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念的提出,武器裝備發(fā)展的中心將有所轉(zhuǎn)移,更加依賴戰(zhàn)場感知能力、指揮控制能力和多種武器平臺之間的互通能力。眼下新武器系統(tǒng)的開發(fā)已很重視以衛(wèi)星、無線電臺、光纖等通信網(wǎng)絡(luò)為中心來規(guī)劃武器平臺的任務(wù)與作戰(zhàn)需求。而設(shè)計武器系統(tǒng)和平臺配置、制訂武器系統(tǒng)的戰(zhàn)技指標、積極為傳統(tǒng)武器平臺裝備先進的傳感器與通信設(shè)備并加以改造,這些都對當前網(wǎng)絡(luò)化軍用嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與軟硬件平臺提出了較高的要求。 將嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)合起來的一個主要技術(shù)障礙在于網(wǎng)絡(luò)上面的各種通信協(xié)議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高,而目前軍用嵌入式系統(tǒng)中除部分32位處理器以外,大量的也就是8位和16位MCU,這些MCM支持TCP/IP等標準網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將占用大量的系統(tǒng)資源,由此將嚴重制約著指揮作戰(zhàn)效能和網(wǎng)絡(luò)的可靠性。 其實影響網(wǎng)絡(luò)兼容性、實時性和可靠性的因素很多(如硬件資源的存儲和計算能力、RTOS的實時性、TCP/lP的運行效率等),故在構(gòu)建基于嵌入式系統(tǒng)的控制和通信網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)特別注意。 3.3 數(shù)據(jù)的可靠性 軍用嵌入式系統(tǒng)在復雜多變的環(huán)境中應(yīng)用時,這對數(shù)據(jù)存儲的可靠性有更高的要求。為此,除了加強電源穩(wěn)定性和提供掉電故障出現(xiàn)的軟件保護外,還應(yīng)引入文件系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)的存儲和管理功能,以進一步增強系統(tǒng)可靠性。 傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用于控制領(lǐng)域,對數(shù)據(jù)存儲要求不高,因此,嵌入式操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)沒有得到充分的重視。但隨著嵌入式技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,對數(shù)據(jù)操作的靈活性和數(shù)據(jù)存儲的可靠性都提出了越來越高的要求,需要開發(fā)相應(yīng)的文件系統(tǒng),并應(yīng)在文件格式、外存管理等方面做出相應(yīng)改進以適應(yīng)硬件特點。 Flash存儲芯片,電子盤DOC (Disk On Chip)等存儲器件具有成本低廉、存儲容量大、體積小、功耗低等特性,在嵌入系統(tǒng)中與磁盤相比具有明顯的優(yōu)勢,已經(jīng)成為使用最廣泛的嵌入式系統(tǒng)外部存儲器。然而,任何硬件都有壽命的限制,存儲器件也不例外。一般的NOR型Flash每個扇區(qū)的擦寫壽命在100 000~1 000 000萬次之間,如果頻繁擦除某一個扇區(qū)就容易造成該扇區(qū)損壞,從而導致整個存儲芯片都不可用。眾所周知,文件系統(tǒng)使用了一段時間以后就會產(chǎn)生大量的“存儲碎片”,如果存儲算法不合理,就有可能使某些扇區(qū)被頻繁的擦除,從而使該扇區(qū)損壞。所以,文件系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)使Flash上各個扇區(qū)的擦除次數(shù)趨于平均,這對提高系統(tǒng)的可靠性非常必要。 3.4 人員的可靠性 嵌入式計算機系統(tǒng)起源于微型機,但有過很長一段單片機的獨立發(fā)展道路。國內(nèi)熟悉8位MCU開發(fā)的設(shè)計人員以電子工程和其他機電專業(yè)工程師為主體,這意味著精通嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人才在軍內(nèi)比較短缺,而且裝備研制單位和軍工行業(yè)更為突出。 過去設(shè)計人員往往以自己習慣性的電子技術(shù)應(yīng)用模式來從事單片機的應(yīng)用開發(fā)。這種模式的重要特點是缺少計算機工程設(shè)計方法,具有軟、硬件的底層性和隨意性。隨著軟、硬件技術(shù)的快速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)難度和復雜程度大大增加,且開發(fā)形式、開發(fā)平臺與開發(fā)語言也與以往有很大的不同,應(yīng)用模式也越來越多地帶有以計算機工程應(yīng)用為主,同時具有網(wǎng)絡(luò)、通信、自動化等多學科多專業(yè)交叉的特點。因而人員因素對于嵌入式系統(tǒng)的可靠性有著不可忽視的影響。 在嵌入式系統(tǒng)的工程應(yīng)用中,C/C++和匯編語言是不可缺少的程序設(shè)計語言,而Java和Linux技術(shù)也越來越多地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。這就要求原有設(shè)計人員除了要具有基于嵌入式CPU、DSP等處理芯片的電路設(shè)計和調(diào)試技能外,還應(yīng)具備較好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及程序設(shè)計知識,方能勝任嵌入式系統(tǒng)的可靠性設(shè)計工作。 4 結(jié)束語 如今,新型武器裝備的研制以及現(xiàn)有武器的改造都會涉及到嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與升級,軍用嵌入式系統(tǒng)也正在向著更加智能化和網(wǎng)絡(luò)化的趨勢快速發(fā)展,由此,軍事科技專家預言: “嵌入式系統(tǒng)將會成為振興我國武器裝備的突破口”,而可靠性又是嵌入式系統(tǒng)的生命線,同時也是取得突破的重要保證。

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