军用嵌入式系统的可靠性设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 第９卷２００７年ｌ第ｌ０月　０期　撬恭衙嬉　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．１０　０ｃｔ．２００７　军用嵌入式系统的可靠性设计　李明　，胡立德　，尹安治　（１．重庆大学机械工程学院，重庆４０００３０；　２．总装驻二。七所军代室，山西　太原０３００２４）　摘要：可靠性是军用嵌入式系统的设计基础。文章从架构、网络、数据、人员等方面详细　讨论了当前军用嵌入式系统可靠性设计中的一些问题，指出了这些问题的解决途径。　关键词：武器装备；嵌入式系统；可靠性设计　０　引言　市场上的嵌入式基础技术与开发平台大部分为国　外品牌所控制，所以，我们应充分掌握嵌入式技　目前用于机电一体化和工业自动控制的嵌入　术的最新发展，并积极慎重地加之利用。　式系统．最早出现在２Ｏ世纪６Ｏ年代的武器控制系　统之中，后来逐步用于军事指挥和通信。到了上　２．军用嵌入式系统的可靠性考虑　世纪８Ｏ年代，美军先进的武器系统基本都装备了　嵌入式计算机。之后又经过几十年的发展．如今　２．１架构的可靠性　的嵌入式系统已广泛应用在各国的武器控　目前．我国自行研制的常规兵器及检测器材　制、指挥控制以及各种通信装备、野战指挥作战　中的嵌入式系统以加固型微机和专用计算机组件　等专用设备上。　较为多见。前者是将通用微型计算机经机械加固　和电气加固．并配置各种外围接口电路，从而构　１　可靠性是军用嵌入式系统的重要因素　成各种作战指挥系统或检测系统：后者则以自行　嵌入式系统往往工作环境恶劣、受电噪声干　设计多个插件的形式构成计算机系统。总之，采　扰较大，而且随着软件越来越复杂，系统运行不　用芯片级或板级嵌入式模块的还不多，并且较多　稳定的现象愈来愈严重，因此，可靠性已经成为　采用的是ＭＣ５１系列／）（８６系列处理器体系结构，　衡量嵌入式系统优劣的重要因素：军用嵌入式系　这与近些年来嵌入式技术的快速发展和军事装备　统更应高度重视其可靠性设计、测试和评估技　更复杂的功能需求已不相适应，并在较大程度上　术，应把可靠性作为嵌入式系统最重要的指标优　制约了武器装备性能的进一步发挥与系统可靠性　先考虑。这一方面是因为嵌入式系统是软硬一体　的提高。　的混合系统，软件和硬件要共用大量的接口。因　为此，设计时首先要选择合适的高性能嵌入　此要特别注意系统的稳定性、信号串扰、电磁干　式处理器。这对于提高系统可靠性起着至关重要　扰与静电防护等方面的可靠性设计问题。　的作用。国内外的工程实践证明，在许多时候，　另一方面，嵌入式系统的开发应用也为可靠　电子元器件的失效并不是因为电子元器件的固有　性设计提供了有效手段（如软件抗干扰、仿真测　可靠性不高．而是由于系统设计者的选择和使用　试等可靠性技术）。然而，由于主要的处理器芯　不当造成的。资料显示，由于使用不当而造成的　片和操作系统的核心技术掌握于国外厂商手中，　电子元器件失效约占整个电子元器件失效的５０％　我国的嵌入式技术大都集中在嵌入式应用领域．　左右。因此，设计者应首先对要选用的处理器以　及相关元器件进行充分地了解和选择，并在使用　收稿日期：２００７—０４—０６　过程中采取适当的措施，打好系统可靠性的基　．ｅｃｄａ．ｃｎ　２００７．１０电子元嚣件盔用　７１　维普资讯 http://www.cqvip.com

第９卷第１Ｏ期　电子元器件主用　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．１Ｏ　０ｃｔ．２０Ｄ７　２００７年１Ｏ月　础。例如不同类型处理器的抗干扰能力和接口驱　动能力是不一样的，因此在选用时应避免选择能　力弱的型号。就发展趋势而言，今天的厂家为我　们提供的片上系统ＳＯＣ（Ｓｙｓｔｅｍ　Ｏｎ　Ｃｈｉｐ））是较　好的解决方案，可以在一块芯片上集成多核（例　￣ＩＩＡＲＭ＋ＤＳＰ、甚至更多个ＣＰＵ）、集成更大容量　的ＲＡＭ和闪存、集成ＣＲＴ／ＬＣＤ接口、数据Ｉ／Ｏ接　口、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ、定时器、通信接口、存储器管理　单元及允许用户编程的功能区域等一系列的功能　部件．从而形成功能更加强大的嵌入式处理器。　由于集成度高、构成系统所用的分立元器件少，　因而必然增加系统的可靠性。同时，我们也应认　识到．转用３２位架构不仅能提升性能，还能降低　制造成本和系统功耗，缩短研制时间，并可提供　不断扩展和更新的方案，从而使装备具有持续升　级的能力，延长装备的寿命周期。　所众周知，２０世纪９０年代后，商用计算机在　技术上已超过了军用计算机。为了引进更先进的　计算机技术，缩短研制周期，降低订购价格，军　用嵌入式系统应由过去“一切自行设计”逐步采　用商用成熟技术和开放系统结构标准。比如引入　实时操作系统ＲＴＯＳ（Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ　Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｙｓ—　ｔｅｒｎ）可有效解决嵌入式软件开发标准化的难题，　促进军用嵌入式软件的可互操作性、可重复利用　性和可移植性。　２．２网络可靠性　随着网络中心战概念的提出，武器装备发展　的中心将有所转移，更加依赖战场感知能力、指　挥控制能力和多种武器平台之间的互通能力。眼　下新武器系统的开发已很重视以卫星、无线电　台、光纤等通信网络为中心来规划武器平台的任　务与作战需求。而设计武器系统和平台配置、制　订武器系统的战技指标、积极为传统武器平台装　备先进的传感器与通信设备并加以改造，这些都　对当前网络化军用嵌入式系统的体系结构与软硬　件平台提出了较高的要求。　将嵌入式系统与网络设备结合起来的一个主　要技术障碍在于网络上面的各种通信协议对于计　算机存储器、运算速度等的要求比较高，而目前　军用嵌入式系统中除部分３２位处理器以外．大量　的也就是８位和１６位ＭＣＵ，这些ＭＣＭ支持ＴＣＰ／ＩＰ　７２　电子元器件主硐　２ＯＯ７．１０　．ｅｃｄ￣ｃｎ　等标准网络协议将占用大量的系统资源，由此将　严重制约着指挥作战效能和网络的可靠性。　其实影响网络兼容性、实时性和可靠性的因　素很多（如硬件资源的存储和计算能力、ＲＴＯＳ的　实时性、ＴＣＰ／ＩＰ的运行效率等）．故在构建基于　嵌入式系统的控制和通信网络时应特别注意。　２－３数据的可靠性　军用嵌入式系统在复杂多变的环境中应用　时，这对数据存储的可靠性有更高的要求。为　此，除了加强电源稳定性和提供掉电故障出现的　软件保护外，还应引入文件系统来完成数据的存　储和管理功能，以进一步增强系统可靠性。　传统嵌入式系统主要应用于控制领域．对数　据存储要求不高，因此，嵌入式操作系统中的文件　系统没有得到充分的重视。但随着嵌入式技术应　用领域的拓展，对数据操作的灵活性和数据存储的　可靠性都提出了越来越高的要求，需要开发相应的　文件系统，并应在文件格式、外存管理等方面做　出相应改进以适应硬件特点。　Ｆｌａｓｈ存储芯片，电子盘ＤＯＣ（Ｄｉｓｋ　Ｏｎ　Ｃｈｉｐ）　等存储器件具有成本低廉、存储容量大、体积　小、功耗低等特性，在嵌入系统中与磁盘相比具　有明显的优势，已经成为使用最广泛的嵌入式系　统外部存储器。然而，任何硬件都有寿命的限　制，存储器件也不例外。一般的ＮＯＲ型Ｆｌａｓｈ每个　扇区的擦写寿命在１００　０００～１　０００　０００万次之间，　如果频繁擦除某一个扇区就容易造成该扇区损　坏，从而导致整个存储芯片都不可用。众所周　知．文件系统使用了一段时间以后就会产生大量　的“存储碎片”，如果存储算法不合理，就有可　能使某些扇区被频繁的擦除．从而使该扇区损　坏。所以，文件系统的设计应使Ｆｌａｓｈ上各个扇区　的擦除次数趋于平均，这对提高系统的可靠性非　常必要　２．４人员的可靠性　嵌入式计算机系统起源于微型机，但有过很　长一段单片机的发展道路。国内熟悉８位　ＭＣＵ开发的设计人员以电子工程和其他机电专业　工程师为主体．这意味着精通嵌入式系统的开发　人才在军内比较短缺，而且装备　（下转第７５页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 第９卷第ｌ０期　２ｏ０７年１０月　撬恭衙＠　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．１０　０ｃｔ．２ｏ０７　将有机粘合剂气化和烧除阶段。若排胶不充分，　烧结后基板就会起泡、变形或分层。排胶时间一　般为８～ｌ０小时。　电镀是在生瓷片上镀金，包括密封框及露　出印刷有钨浆料的部位ｆ如引线、支架），镀金厚　度为０．５～１．２　Ｉ，ｚｍ。　烧结是在２６０～１２００℃时，将树脂分解以排　切断是将烧结电镀好的基座，按照切割好　的线路折断，以形成单个的基座。　检测主要是检验陶瓷基座的尺寸、密度及　除粘合剂，并在１３５０～１７５０℃时使尺寸收缩定型。　采用氮气保护烧结可防止金属材料和加热元件不　被氧化。操作时，在２８０～１３５０℃间，每小时可升　温２２０℃；而在１３５０～１７５０℃间，每小时应升温　外观，同时检验各通路的电阻值、导体之间的绝　缘电阻。还有很重要一点是检查变形，一般陶瓷　３１０℃。最后在１７５０℃下保温１小时。然后降温，　冷却速度为每小时下降３００℃。烧结全过程为ｌ４～　ｌ６小时。排胶烧结全过程在２４／］＂时左右。　基座烧结后沿Ｘ，Ｙ轴的收缩均约１３％，沿Ｚ轴收　缩约１２％。单个基座的翘曲变形应小于０．０６　ｍｍ。　连片的翘曲变形应小于０．５　ｍｍ。　不合格的陶瓷基座主要包括通孔导电不良造　成孤岛电镀ｆ成片镀不上镍和金）、外形尺寸超过　规定误差或变形、致密性不良以及氦质普检漏不　合格等。　整平是对烧结后平整度大于０．０２　ｍｍ英寸的　不合格品进行重新烧结，温度为１２５０～１３００℃，　该温度可使陶瓷基座变软，然后重新整平。　镀镍是对烧结后成片连接在一起的陶瓷基　座进行电镀。电镀时应先镀镍，镀镍层厚度为　１．４５－３．８　Ｉ，ｚｍ。　包装是对形成好的陶瓷基座成品进行包装。　该产品有两种包装方式。一种是整板真空包装，　另一种是真空编带包装。　冲压密封是将０．２　ｍｍ、０．２５　ｍｍ厚的可伐板　冲成０．５　ｍｍ宽的长方形密封框。　３　结束语　我国目前的石英晶体元器件总需求量已达４０　亿只左右，其中表面贴装产品为ｌ５亿只，片式化　率占３０％左右，而同期许多欧美发达国家的片式　化率已达８５％。可见，陶瓷基座的国产化工作迫　在眉睫。因此，本文给出的工艺设计方法对生产　陶瓷基座具有一定的指导意义。　钎焊是将Ａｇ７２一Ｃｕ２８焊环套放在基板上，　再将冲压密封框放在焊环上进行烧结，以将焊环　焊在基座上。钎焊时，一般需要急速升温和急速　降温。钎焊过程可采用人工方式，先把石墨块放　人陶瓷基座内定位，温度为８５０￣Ｃ。　急速升温和急速降温的目的是将焊环快速融　化和快速凝固，以避免焊环融化浸人基座内部。　（上接第７２页）　研制单位和军工行业更为突出。　过去设计人员往往以自己习惯性的电子技术　应用模式来从事单片机的应用开发。这种模式的　重要特点是缺少计算机工程设计方法，具有软、　硬件的底层性和随意性。随着软、硬件技术的快　速发展，嵌人式系统的开发难度和复杂程度大大　增加，且开发形式、开发平台与开发语言也与以　原有设计人员除了要具有基于嵌人式ＣＰＵ、ＤＳＰ　等处理芯片的电路设计和调试技能外，还应具备　较好的数据结构及程序设计知识，方能胜任嵌人　式系统的可靠性设计工作。　３　结束语　如今，新型武器装备的研制以及现有武器的　改造都会涉及到嵌人式系统的开发与升级，军用　嵌入式系统也正在向着更加智能化和网络化的趋　势快速发展，由此，军事科技专家预言：“嵌人　往有很大的不同，应用模式也越来越多地带有以　计算机工程应用为主。同时具有网络、通信、自　动化等多学科多专业交叉的特点。因而人员因素　对于嵌人式系统的可靠性有着不可忽视的影响。　在嵌人式系统的工程应用中，Ｃ／Ｃ＋＋和汇编　语言是不可缺少的程序设计语言，而Ｊａｖａ和Ｌｉｎｕｘ　式系统将会成为振兴我国武器装备的突破口”，　而可靠性又是嵌人式系统的生命线，同时也是取　得突破的重要保证。　ＷＷＷ．ｅｃｄａ．ｃ／ｔ　２００７．１０电手元器件主用７５　技术也越来越多地应用于嵌人式系统。这就要求