嵌入式电子信息系统可靠度优化

潘晓贝

(三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000)

嵌入式系统是在单片机基础上发展而来的专用计算机系统,具有系统内核小、专用性强、系统精简、实效性高等优点,将其与电子信息技术相结合,可以广泛应用到工业控制、交通管理、信息家电、国防与航天等多个行业和领域中,发挥着越来越重要的作用。但是在实际应用过程中,仍面临着较多的技术难题,尤其是系统可靠度优化方面,经常出现可靠度不稳定现象,无法保证系统运行的稳定性。如何通过优化提高系统可靠性,是当前嵌入式电子信息系统推广应用过程中的研究热点。

1 嵌入式系统

图1 嵌入式电子信息系统

嵌入式系统的本质为专用计算机系统,能够对机器、装置等大型设备进行监视和控制,当前国内比较认同的嵌入式系统概念为:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。系统主要包括嵌入式计算机系统和执行装置两部分,其中嵌入式计算机系统为关键组成,又可按照层级结构分为硬件层、中间层和软件层,而控制指令则由执行装置负责完成,所以也叫做被控制对象[1]。嵌入式系统内核小,具有较强的专用性和实效性,并且系统组成简单,有着多方面的应用优势,所以已经在工业、交通、家电、国防、航天等行业和领域得到了广泛应用。同时,随着电子信息技术的迅速发展,为嵌入式系统提供了先进技术支持,其智能化程度在不断提高,嵌入式电子信息系统如图1所示它是必然发展方向,而对系统开发及设计也提出了更高要求,所以加大对其可靠度优化研究是非常重要且必要的。

2 影响嵌入式电子系统可靠度的主要因素

在对嵌入式电子系统可靠度优化展开研究之前,应先明确影响其可靠度稳定性的主要因素,具体包括硬件环境、操作系统、应用程序。首先,嵌入式电子系统运行的实现,需要建立在稳定的硬件环境基础上的,可以为操作系统及应用程序提供平台支撑。嵌入式电子信息系统硬件组成复杂,并且如果系统所用应用程序不同时,则其所能适应的硬件环境也存在较大差异,多样性特点明显,系统较小时,其数据空间和程序空间也比较小,仅有1kB和16kB左右,当系统较大时,其FLASH MEMORY和SRAM则分别可以达到32MB和128MB,如果系统具有较高的实时性要求,则还需要增设64位处理器,保证其工作频率达到1GHz[2]。同时,系统I/O端口、外设器件、图形控制器等硬件设备,自身工作性能的是否良好,也会对系统可靠度造成影响,其次,对于嵌入式电子系统来讲,操作系统是其运行的关键所在,主要负责任务调度和控制,内嵌式芯片的重要性不言而喻。虽然内嵌式芯片内核精简、易于配置、稳定性良好,但是实际应用过程中往往出现于系统不兼容问题,影响了内嵌式芯片的工作性能,进而整个系统可靠度也会降低。再者,虽然操作系统提供了较为完整的嵌入式运行结构,但是程序编程环境却存在较大差异。同时,嵌入式系统本身自带的ROM的容量有限,系统在执行特定任务指令使,需要依托EOS才可完成的,但是因系统本身不具备自主开发能力,在对其进行二次开发时,需要借助专用工具,并且在特定环境下才能实现,也会引发系统可靠度不稳定问题[3]。这些因素都会对嵌入式电子系统可靠度造成影响,无法保证系统运行具有较强的稳定性,不利于调度和控制的实现。

3 嵌入式电子信息系统可靠度优化模型

为改善嵌入式电子信息系统可靠度不稳定问题,可综合其可靠度衡量指标,包括平均寿命、失效率、故障密度函数、可用度进行分析考虑,构建可靠度优化模型,以提高可靠度优化精准性。

3.1 系统平均寿命优化

系统平均寿命长短不同时,其可靠度会存在一定差异,所以可就平均寿命设定约束条件并构建优化模型,对嵌入式电子信息系统可靠性展开研究。如果嵌入式电子信息系统运行时,用{X(m),m=0,1…,n}表示其一个呈正态分布的随机过程,用E=(i0,i1,…,in)表示状态集,则与随机变量(X(0),X(1),…,X(n))一一对应,此时存在约束条件为

P(X)|[X(n)=in,X(n-1)=in-1,…,X(0)=i0]=P(X)|[X(n)=in]。

3.2 系统失效率优化

一般情况下,嵌入式电子信息系统失效现象包括早期失效、偶然失效和特定失效3种情况,3个时期的失效率大小是不一定的。结合规定失效率和使用寿命对其失效率进行综合分析,可以发现早期失效和特定失效时期,系统失效率是比较高的,可能会超出规定失效率范围,导致系统无法稳定运行[4]。首先,对于早期失效,大多都是因为系统刚投入运行所引起的,采取内部调整方法可以避免失效现象发生。其次,对于特定失效,基本是由系统运行时间过长,发生老化或故障问题而造成的,在应对此类失效现象时,可通过对系统损耗时间进行估测,采取有效预防措施来降低甚至是消除失效率。最后,系统偶然失效阶段失效率较低,都是在规定失效率范围内的,此时系统运行状态最为稳定,突然加载等偶然因素,是造成偶然失效的主要愿意,需要加强系统监测和调控力度。

3.3 系统故障密度函数优化

在对嵌入式电子信息系统可靠度进行判断时,还需要从故障密度函数方面考虑,所以在优化系统可靠度时,可将其作为约束条件构建模型。如果系统所用到的硬件数量和在t到t+Δt时间段内发生故障的次数,分别用T0和Nf(t)表示,则其最小故障密度约束条件可用式(1)表示

(1)

此次研究中,在对嵌入式电子信息系统故障密度函数进行优化时,可以运用分奇异性半解析处理方法,将系统故障次数降到最低,则式(1)可演变为

(2)

3.4 系统可用度优化

除了上述3种衡量指标外,对嵌入式电子信息系统可靠度进行判断时,还需要考虑其可用度,以提高可靠度优化精准性[5]。系统可用度与其可用状态和故障状态有关,如果系统能够正常使用时用Xk(t)=1表示,系统发生故障无法正常使用时用Xk(t)=0表示,可其可用度模型用式(3)表示

(3)

以此作为依据,构建嵌入式电子信息系统可靠度模型。如果系统寿命与故障维修时间,都是以指数形态分布,则故障排除系统恢复正常运行后,不会对系统寿命造成影响,系统故障概率假设为B,则此时嵌入式电子信息系统可靠度优化模型可表示为

(4)

4 嵌入式电子信息系统可靠度优化模型仿真实验

为证明此次研究所提出的嵌入式电子信息系统可靠度优化模型的可行性,设计仿真实验平台对系统进行测试,所用实验工具为Timenet4.0,仿真平台各项参数如表1所列。仿真结果表明,改进后的可靠度优化模型具有较强的可行性,值得推广应用。

表1 仿真平台各项参数

4.1 平均寿命优化仿真分析

为突出此次研究所提出的嵌入式电子信息系统可靠度优化模型优化效果,与王天舒、张功萱、杨曦晨等学者所提出的可靠度优化设计进行对比分析,绘制出两个系统平均寿命的变化曲线[6]。通过观察可以发现,两种可靠度优化方法下,系统的平均寿命都是不稳定的,表现出不断变化,但是此次研究所提出的可靠度优化方法下,系统平均寿命明显高于对比系统。虽然对比系统每分钟运行0～5s时,平均使用寿命波动幅度较小,但是在10s会呈明显下降趋势,即便之后有所提升,但其寿命长度仍然较短且整体下滑。

4.2 失效率优化仿真分析

在对失效率进行仿真实验时,除上述所用对比方法外,又采用庞斯棉所提出的设计方法,绘制变变化曲线并观察。实验结果显示,2个对比实验组的嵌入式电子信息系统失效率不够稳定,呈现出明显的波动。采用此次研究所提出的改进优化方法,系统失效率整体走向为波动下降的,并且系统运行70 min后不再升高,最终失效率稳定在15%左右,较对比实验组明显降低。

4.3 故障密度函数优化仿真分析

2个嵌入式电子信息系统,分别采用此次研究所提出的可靠度优化方法和平均寿命仿真实验所用到的对比方法进行分析,可以发现随着系统投入使用时间的不断延长,其故障率都呈升高趋势。采用王天舒、张功萱、杨曦晨等学者所提出的系统可靠度优化方法时,其故障率增大幅度较高,而采用优化方法的系统故障率增大幅度有限,且始终低于对比组所用方法。

4.5 可用度优化仿真分析

仍采用上述所用对比方法,对嵌入式电子信息系统可靠度优化进行仿真实验,根据系统可用度变化曲线可知,在0～45min时间段内可用度始终是不断增大的,45min后呈明显下降趋势,并且没有出现再次升高现象,通过计算得知系统平均可用度仅有32%。而采用此次研究所提出的改进方法,可以发现系统可用度一直是升高状态,虽然在0～35min时间段内变化幅度较小,但是35min后却快速升高,并且没有2次下落,通过计算得知系统平均可用度大约为58%,相较于对比仿真实验组提升了26%。

5 结束语

嵌入式电子信息系统有着良好的应用前景,为充分发挥其应用价值和应用优势,便需要加大对其可靠性优化的研究力度,改进传统优化方法中的不足,提高系统可靠度及运行稳定性。在建立可靠度优化模型时,可从平均寿命、失效率、故障密度函数、可用度四方面进行考虑,通过计算得到优化模型,仿真实验表明此次研究中所提出的改进方法,具有较高的可行性,能够提高嵌入式电子信息系统可靠度。

[参 考 文 献]

[1] 李洪亮,吴琼.嵌入式网络电子信息系统鲁棒性优化计算方法[J].计算机仿真,2016，(8)：264-267.

[2] 李敏.改进数据可靠度算法在嵌入式系统中的应用[J].计算机仿真,2016，(6)：282-285.

[3] 白鑫,吕丽平,卫琳.嵌入式电子信息系统可靠度优化[J].沈阳工业大学学报，2017，(4)：417-421.

[4] 陈良.嵌入式电子信息系统可靠度的完善措施[J].中国高新技术企业,2017，(11)：102-103.

[5] 闫薇.嵌入式舰船电子信息系统的可靠度优化方法[J].科技通报,2017,(4):176-180.

[6] 韦丽花,唐露新,张强武,等.LED 舞台照明灯嵌入式控制系统优化设计[J].广东工业大学学报,2015，(3):110-114.