嵌入式实时控制系统硬件可靠性及应用研究

摘 要： 嵌入式实时控制系统硬件故障是造成系统失效的主要原因之一，针对此问题，首先定义嵌入式实时控制系统硬件体系结构；然后分析嵌入式实时控制系统的可用性和失效模式，并对单个IP硬核和嵌入式实时控制系统硬件应用Markov链建立了可靠性模型；最后用所建立的模型，对嵌入式联锁控制器硬件进行了可靠度计算和分析。通过计算可知，所建立的可靠性模型能够描述嵌入式实时控制系统硬件的状态变迁，并能定量预测和分析其可靠度，模型具有一定的实用价值。
关键词： 硬件；可靠性；实时系统；Markov链；联锁

嵌入式实时控制系统是指在系统规定的时间间隔内，调节或强制被控制对象完成预定动作或做出及时响应；能对输入做出快速响应、快速检测和快速处理；并能实时提供现场驱动操作信号，以实现对被控对象控制的系统。嵌入式实时控制系统软件方面的不可靠情况较少，而硬件故障时有发生。
在硬件可靠性方面，已有学者都进行了相关研究：Bobbio等人[1]对单部件Markov模型进行了可靠性分析；Kuo和Zuo[2]对n取k表决系统进行了可靠性模型总结，并提出了优化策略；Arulmozhi[3]对异构部件组成的k/n表决系统提出了一种简单而有效的计算模型；Sherwin和Bossche[4]对备用系统进行了可靠性研究与分析；Pukite[5]对一些常见的硬件结构进行了Markov建模，同时对这些硬件结构的可靠性进行了归纳总结；梅登华等[6]人对铁路信号控制系统的硬件可靠性进行了研究。这些研究对提高计算机系统的可靠性具有十分重要的意义，但对嵌入式实时控制系统硬件可靠性来说，还需要对其进行深入细致的研究。
1 ERCS目标定义
在对嵌入式实时控制系统ERCS(Embedded Real-time Control System)硬件可靠性进行研究之前，需先定义其硬件构成。任何ERCS的硬件都由EDU和IP硬核组成。IP硬核由电子元器件EC(Electronic Components)、电路及其结构CiS(Circuit and its Structure)、电路板CB（Circuit Board）和执行装置ED（Executive Device）等组成。
ERCS硬件组成的每个部分，都具有一定的约束，即：电子元器件IEC1不超过N1、可选电路及其结构ICiS2不能超过N2，……、电路板布线方式ICBn不能超过Nn-1、执行装置可选种类或可选装置不超过Nn；而某种功能的可选硬件有多种，这些可选的硬件具有不同的可靠性参数[7]。





3 算例分析
参考文献[16]设计了嵌入式车站信号联锁控制器，应用本文的ERCS硬件可靠性模型对其进行可靠性分析。
3.1 控制器硬件的可靠性
嵌入式联锁控制器采用冗余结构，单控制器硬件包括MCU、通信模块和外围接口等，具体硬件设计可参见参考文献[16]。对嵌入式联锁控制器的单个MCU的各个组成模块进行分析，得到如图4所示的基本任务可靠性框图[17]。
3.2 各IP硬核可靠度
依据本文模型，以图5所示的嵌入式联锁控制器的电源电路为例，查阅各组成电路的手册，得到如表1所示的各种芯片及器件的失效率。

本文针对ERCS硬件进行了可靠性建模与分析，并结合具体实例，通过对嵌入式联锁控制器硬件采用本文的可靠性模型进行可量化计算可知，该模型适合实时控制系统的可靠性设计要求，能够对ERCS硬件可靠性进行量化计算；同时，该模型适合对ERCS硬件可靠性进行分配与计算，具有可接受性、普遍性和数据真实性，符合IEC61165标准。
参考文献
[1] BOBBIO A，PREMOLI A，SARACCO O.Multi-state homogeneous Markov models in reliability analysis[J].Microelectronics Reliability，1980，20(6)：875-880.
[2] KUO W，ZUO M J.Optimal reliability modeling：principles and applications[M].New York：Wiley，2003：20-135.
[3] ARULMOZHI G.Direct method for reliability computation of k-out-of-n：G systems[J].Applied Mathematics and Computation，2003，143(2-3)：421-429.
[4] SHERWIN D J，BOSSCHE A.The reliability，availability and productiveness of systems[M].London：Chapman & Hall，1993：20-156.
[5] PUKITE J，PUKITE P.Modeling for reliability analysis，Markov modeling for reliability，maintainability，safety and supportability analyses of complex systems[J].New York，IEEE Press，1998.

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