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。