軍用嵌入式系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

0 引言

目前用于機(jī)電一體化和工業(yè)自動(dòng)控制的嵌入式系統(tǒng)，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代的武器控制系統(tǒng)之中，后來(lái)逐步用于軍事指揮和通信。到了上世紀(jì)80年代，美軍先進(jìn)的武器系統(tǒng)基本都裝備了嵌入式計(jì)算機(jī)。之后又經(jīng)過(guò)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(guó)軍隊(duì)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 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(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象愈來(lái)愈嚴(yán)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(jì)、測(cè)試和評(píng)估技術(shù)，應(yīng)把可靠性作為嵌入式系統(tǒng)最重要的指標(biāo)優(yōu)先考慮。這一方面是因?yàn)榍度胧较到y(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(hào)串?dāng)_、電磁干擾與靜電防護(hù)等方面的可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題。

另一方面，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用也為可靠性設(shè)計(jì)提供了有效手段(如軟件抗干擾、仿真測(cè)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(guó)外廠商手中，我國(guó)的嵌入式技術(shù)大都集中在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，市場(chǎng)上的嵌入式基礎(chǔ)技術(shù)與開(kāi)發(fā)平臺(tái)大部分為國(guó)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。

2 軍用嵌入式系統(tǒng)的可靠性考慮

2.1 架構(gòu)的可靠性

目前，我國(guó)自行研制的常規(guī)兵器及檢測(cè)器材中的嵌入式系統(tǒng)以加固型微機(jī)和專用計(jì)算機(jī)組件較為多見(jiàn)。前者是將通用微型計(jì)算機(jī)經(jīng)機(jī)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(cè)系統(tǒng)；后者則以自行設(shè)計(jì)多個(gè)插件的形式構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?？傊?，采用芯片級(jí)或板級(jí)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(lái)嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展和軍事裝備更復(fù)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(jìn)一步發(fā)揮與系統(tǒng)可靠性的提高。

為此，設(shè)計(jì)時(shí)首先要選擇合適的高性能嵌入式處理器。這對(duì)于提高系統(tǒng)可靠性起著至關(guān)重要的作用。國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐證明，在許多時(shí)候，電子元器件的失效并不是因?yàn)殡娮釉骷墓逃锌煽啃圆桓撸怯捎谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)者的選擇和使用不當(dāng)造成的。資料顯示，由于使用不當(dāng)而造成的電子元器件失效約占整個(gè)電子元器件失效的50％左右。因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)首先對(duì)要選用的處理器以及相關(guān)元器件進(jìn)行充分地了解和選擇，并在使用過(guò)程中采取適當(dāng)?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(dòng)能力是不一樣的，因此在選用時(shí)應(yīng)避免選擇能力弱的型號(hào)。就發(fā)展趨勢(shì)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(gè)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(shí)器、通信接口、存儲(chǔ)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(qiáng)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(shí)，我們也應(yīng)認(rèn)識(shí)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(shí)間，并可提供不斷擴(kuò)展和更新的方案，從而使裝備具有持續(xù)升級(jí)的能力，延長(zhǎng)裝備的壽命周期。

所眾周知，20世紀(jì)90年代后，商用計(jì)算機(jī)在技術(shù)上已超過(guò)了軍用計(jì)算機(jī)。為了引進(jìn)更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，縮短研制周期，降低訂購(gòu)價(jià)格，軍用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)由過(guò)去“一切自行設(shè)計(jì)”逐步采用商用成熟技術(shù)和開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。比如引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real-Time Operaing Sys-tem)可有效解決嵌入式軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的難題，促進(jìn)軍用嵌入式軟件的可互操作性、可重復(fù)利用性和可移植性。