胚胎電子系統(tǒng)技術(shù)在航天電子裝備中的應(yīng)用*

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)星測控中心,西安 710043;2.中國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,隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,太空領(lǐng)域成為世界各國競爭的新戰(zhàn)場。為有效提升我國航天電子裝備的競爭力,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)展至億門級[1]。復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)和現(xiàn)場可編程門陣列(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)境越來越復(fù)雜和未知,CPLD和FPGA應(yīng)用過程中的可靠性正面臨越來越多的挑戰(zhàn)和問題。基于CPLD和FPGA設(shè)計的電子設(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)計階段,通過對設(shè)備可能發(fā)生故障預(yù)先分析,使用冗余容錯技術(shù)對設(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)備在工作過程中發(fā)生故障時,通過對設(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。這種方法在實際設(shè)計過程中應(yīng)用廣泛,實現(xiàn)簡單,但是應(yīng)用于航天電子裝備時存在冗余設(shè)計依賴設(shè)計人員經(jīng)驗、環(huán)境適應(yīng)能力差、硬件資源消耗大,以及容錯能力有限等不足[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)胞生物生長發(fā)育過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)胞生物生長和發(fā)育過程而設(shè)計的新型仿生電路,具有類似于生物的自組織、自檢測和自修復(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。基于胚胎電子系統(tǒng)進(jìn)行再設(shè)計的功能電路具有故障自檢測和自修復(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)計與自修復(fù)策略[12-16]、故障自檢測方法[17]、可靠性評估[11]、硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[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)計的重要指標(biāo)。為了評估胚胎電子系統(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)可靠性評估模型[20],為系統(tǒng)可靠性的評估奠定了基礎(chǔ)。為了更加準(zhǔn)確評估系統(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)可靠性評估方法[22]。同時,在胚胎電子系統(tǒng)可靠性評估過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)可靠性評估的準(zhǔn)確性?；谂咛ル娮酉到y(tǒng)的可靠性評估研究可知,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)計方法難以適應(yīng)未來航天電子裝備中電子設(shè)備的設(shè)計要求,因此有效提高電子設(shè)備的可靠性是未來需要研究和解決的關(guān)鍵問題。為提高電子系統(tǒng)在航天電子裝備工作過程中的可靠性,本文引入胚胎電子系統(tǒng)技術(shù),從硬件消耗、故障修復(fù)時間、可修復(fù)故障類型和環(huán)境適應(yīng)性角度出發(fā),對比分析胚胎電子系統(tǒng)和冗余容錯系統(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)每個電子細(xì)胞都代表一個處理單元。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,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、基因存儲配置模塊、功能模塊、控制模塊、故障檢測模塊和輸入輸出(Input and Output,I/O)模塊組成。圖1中,“W”代表信號傳輸至細(xì)胞的左側(cè)細(xì)胞,“E”代表信號傳輸至細(xì)胞的右側(cè)細(xì)胞,“S”代表信號傳輸至細(xì)胞的下方細(xì)胞,“N”代表信號傳輸至細(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ε渲媚K存儲系統(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)來自基因存儲配置模塊的配置基因,實現(xiàn)電子細(xì)胞的電路功能?？刂颇K完成電子細(xì)胞各個模塊的控制,保證電子細(xì)胞的正常有序工作。故障檢測模塊實現(xiàn)功能模塊的故障自檢測,產(chǎn)生故障自修復(fù)功能的控制信號。I/O模塊實現(xiàn)電子細(xì)胞與相鄰電子細(xì)胞間信號的傳輸。

胚胎電子系統(tǒng)的工作過程如下:首先,根據(jù)系統(tǒng)功能得到每個電子細(xì)胞的基因配置信息存儲在基因存儲和配置模塊;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配置模塊;然后,基因存儲配置模塊根據(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模塊和故障檢測模塊;最后,各個模塊通過執(zhí)行收到的基因配置信息,實現(xiàn)電子細(xì)胞的功能。當(dāng)電子細(xì)胞中故障檢測模塊檢測到故障后,故障信號將直接傳遞給控制模塊?？刂颇K將啟動電子細(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)過處理直接輸出,電子細(xì)胞充當(dāng)導(dǎo)線的作用,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,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)過程

行移除故障自修復(fù)過程中,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)胞的地址對應(yīng)向上移動一位,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)胞的地址將重新計算,進(jìn)而重新配置電子細(xì)胞的功能,實現(xiàn)故障的自修復(fù)。行移除自修復(fù)胚胎電子系統(tǒng)內(nèi)每個電子細(xì)胞存儲該電子系統(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)策略工程實現(xiàn)簡單,故障修復(fù)過程耗時短,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)過程

細(xì)胞移除故障自修復(fù)過程分為兩個階段:第一階段為電子細(xì)胞行內(nèi)故障工作細(xì)胞數(shù)目不超過空閑細(xì)胞數(shù)目時,故障自修復(fù)過程在電子細(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)目超過空閑細(xì)胞數(shù)目時,故障自修復(fù)進(jìn)入第二個階段,胚胎電子系統(tǒng)進(jìn)行行移除故障自修復(fù)策略,實現(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)每個電子細(xì)胞將存儲系統(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)能夠正常工作的時間,但是電子細(xì)胞內(nèi)需要大量的存儲空間存儲配置信息,而且陣列自修復(fù)過程的重配置和重新布局布線更加復(fù)雜,實現(xiàn)難度更大。

2 與典型容錯方式對比分析

冗余容錯技術(shù)因為具有工程易實現(xiàn)、修復(fù)時效高等優(yōu)點,目前被廣泛用于提高系統(tǒng)可靠性設(shè)計。因此,選擇冗余容錯技術(shù)作為對比對象,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)時間、可修復(fù)故障類型、環(huán)境適應(yīng)能力等方面開展對比分析,驗證胚胎電子系統(tǒng)對于提高系統(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、基因配置存儲模塊、故障自檢測模塊與自修復(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)計水平及故障自檢測的覆蓋率兩個因素決定。電路由基本單元實現(xiàn)時,硬件消耗為mnh;電路由電子細(xì)胞實現(xiàn)時,硬件消耗為mnh(1 +α)。

如果要求電路的容錯次數(shù)為β(β∈+),電路系統(tǒng)通過N模冗余實現(xiàn),并使用模塊冗余結(jié)構(gòu)。此時需要N+β-1個電路通過表決器、一致性檢測器和開關(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、檢測器和開關(guān)的硬件消耗,此時電路的硬件消耗Hr近似為

Hr=mnh(N+β-1)。

(1)

如果通過胚胎電子系統(tǒng)實現(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。對于確定的α和β,采用三模冗余時,即N=3時,Lc值最小,有

(6)

同理,式(5)中,對于確定的α和β,采用三模冗余時,即N=3時,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,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,隨著電路容錯次數(shù)的增加,冗余容錯系統(tǒng)與胚胎電子系統(tǒng)的硬件消耗比Lc不斷增加;當(dāng)電路冗余容錯次數(shù)一定時,隨著電路規(guī)模的增加,Lc也不斷增加。當(dāng)n=5和β=1時,Lc最小為1.667。此時胚胎電子系統(tǒng)的硬件資源消耗小于冗余容錯系統(tǒng),且冗余容錯次數(shù)越多,電路規(guī)模越大,冗余容錯系統(tǒng)硬件消耗相對于胚胎電子系統(tǒng)硬件消耗更多。

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

當(dāng)電路規(guī)模和電路容錯次數(shù)一定時,輔助資源占比α從0.5增加到4的過程中,隨著α的增加,冗余容錯系統(tǒng)與胚胎電子系統(tǒng)硬件消耗比值Lc不斷下降,因此,設(shè)計人員應(yīng)該加強(qiáng)電子細(xì)胞設(shè)計研究,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,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,隨著電路容錯次數(shù)的增加,冗余容錯系統(tǒng)與胚胎電子系統(tǒng)的硬件消耗比Le不斷增加;當(dāng)電路冗余容錯次數(shù)一定時,隨著電路規(guī)模的增加,Le也不斷增加。當(dāng)n=5和β=1時,Le最小為0.980;當(dāng)n=100和β=1時,Le為1。因此,冗余容錯系統(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)的硬件消耗相對于冗余容錯系統(tǒng)更小。

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

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

2.2 故障修復(fù)時間對比

冗余容錯系統(tǒng)故障修復(fù)時間主要由邏輯判斷時間和開關(guān)切換時間兩部分組成。其中,邏輯判斷即對信號進(jìn)行比對,而信號測量與信號的時鐘頻率有直接關(guān)系。信號的頻率越高,其周期越短,根據(jù)奈奎斯特采樣定理,只要能采樣一個周期的信號,就能對信號進(jìn)行評判。絕大多數(shù)數(shù)字信號的周期都在1 s之內(nèi),也就是信號檢測和比較能夠在1 s內(nèi)完成。基于CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)組成的MUX(Multiplexer)開關(guān)切換時間可忽略不計。

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

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

2.3 可修復(fù)故障類型對比

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

表1 不同故障類型的修復(fù)能力

在冗余容錯系統(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,實現(xiàn)故障容錯。

在胚胎電子系統(tǒng)中,故障檢測模塊原理為雙模冗余方式,這與冗余容錯系統(tǒng)檢測機(jī)制基本一致,因此,任意改變電路輸出的故障均可被檢測出來,從而觸發(fā)故障修復(fù)動作,實現(xiàn)故障的修復(fù)。

2.4 環(huán)境適應(yīng)能力對比

電路系統(tǒng)采用冗余容錯技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)時,設(shè)計人員根據(jù)電路系統(tǒng)的工作環(huán)境,結(jié)合相關(guān)理論與設(shè)計經(jīng)驗,對關(guān)鍵模塊或易故障模塊進(jìn)行冗余設(shè)計,從而提高系統(tǒng)的可靠性。因此,設(shè)計出的電路系統(tǒng)針對特定的工作環(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)計實現(xiàn)時,設(shè)計人員是將電路系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計,使整個電路系統(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,能夠使電子裝備具備故障自檢測和故障自修復(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)用場景。

圖6 胚胎電子系統(tǒng)典型應(yīng)用場景

3.1.1 高可靠大載荷航天器設(shè)計

由冗余容錯系統(tǒng)和胚胎電子系統(tǒng)的對比分析可知,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)相對于冗余容錯系統(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)不依賴于環(huán)境設(shè)計,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運控系統(tǒng)設(shè)計

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

針對大規(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)實現(xiàn)無人值守測站和可靠天基測站的建立奠定基礎(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)裝備的未來發(fā)展需要。

3.1.3 復(fù)雜環(huán)境下電子裝備設(shè)計

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)的人工維修難以滿足現(xiàn)實需要,對于系統(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

智能化是未來電子電路的必然趨勢。智能電子裝備要求裝備具有類似于生物的能力。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與故障自修復(fù)能力來源于生物免疫系統(tǒng)的“抗原識別”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)計過程中,實現(xiàn)智能航天電子裝備設(shè)計,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單電路實現(xiàn)階段,距離工程實際應(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、基因配置存儲模塊、故障檢測模塊與輸入輸出模塊等構(gòu)成,與最基本的功能電路相比,增加了大量的檢測控制電路,這就勢必增加電路系統(tǒng)的硬件資源消耗。特別是基因配置存儲模塊在工作過程中不僅要存儲自身需要的基因配置信息,為完成自修復(fù)功能還需要存儲大量其他細(xì)胞的基因配置信息,存儲基因配置信息的硬件資源消耗占整個電路硬件資源消耗的絕大部分。同時受現(xiàn)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)設(shè)計與自修復(fù)策略的限制,在功能分化過程的布局布線和自修復(fù)過程中都存在較大的硬件資源消耗。

3.2.2 復(fù)雜電路功能分化計算量大耗時長

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。這是一項很復(fù)雜的工作,能否合理準(zhǔn)確實現(xiàn)電路功能到胚胎電子系統(tǒng)的映射將影響整個電路的硬件消耗、電路功能實現(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單,實現(xiàn)大規(guī)模電路較為困難,因此該方法使用越來越少?；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,自動化程度低,只適用于小規(guī)模電路的功能分化。如何實現(xiàn)實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)在研究過程中的一大難題。

3.2.3 故障檢測方法不完善

目前胚胎電子系統(tǒng)故障檢測方法存在故障覆蓋率低、故障檢測硬件資源消耗大的問題。胚胎電子系統(tǒng)的故障檢測是實現(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。現(xiàn)有胚胎電子細(xì)胞陣列的故障檢測方法主要分為細(xì)胞內(nèi)故障自檢和細(xì)胞間故障互檢兩種。細(xì)胞內(nèi)的自檢通常是通過冗余備份的容錯思想進(jìn)行檢錯設(shè)計,這種故障自檢測方式應(yīng)用于大規(guī)模電路的故障檢測設(shè)計存在故障覆蓋率低和資源消耗較大等問題。細(xì)胞間的互檢需要增加專門的檢測細(xì)胞或者利用周圍的細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞狀態(tài)檢測,資源消耗相對增加,自修復(fù)過程布局布線更加復(fù)雜。

3.2.4 大規(guī)模復(fù)雜電路的實現(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、電路的功能分化、電路的故障檢測技術(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)時間、可修復(fù)故障類型和環(huán)境適應(yīng)性等角度出發(fā)分析了胚胎電子系統(tǒng)與冗余容錯系統(tǒng)在電路系統(tǒng)優(yōu)缺點。胚胎電子系統(tǒng)相對于冗余容錯系統(tǒng)在相同可靠性需求的前提下,硬件消耗更少,兩種設(shè)計方式的故障修復(fù)時間、可修復(fù)故障類型基本相同,但胚胎電子系統(tǒng)具有不依賴于設(shè)計環(huán)境的優(yōu)勢。最后,根據(jù)對比分析結(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)。