胚胎电子系统技术在航天电子装备中的应用

针对在轨航天器和地面测运控系统运行高可靠长寿命的迫切需求,引入胚胎电子系统仿生自修复技术,为高可靠性航天电子装备设计提供一种新思路。分析了航天电子装备面临的主要问题与现有冗余容错技术存在的不足,介绍了胚胎电子系统仿生自修复技术,从硬件资源消耗、可修复故障类型、修复时间等方面对比了胚胎电子系统仿生自修复技术与典型冗余容错技术的优缺点。结合胚胎电子系统仿生自修复技术的优势,分析了其在航天电子装备中的应用方向与面临的挑战,为高可靠航天电子装备设计研究提供参考。

胚胎电子细胞中基因备份数目优选方法

分析现有胚胎电子细胞基因存储结构的基础上,考虑基因备份数目对自修复过程的影响,建立了可靠性模型;并根据存储结构的具体实现方式,建立了硬件消耗模型。以可靠性模型和硬件消耗模型为基础,通过分析可靠性、硬件消耗与基因备份数目间的关系,提出了一种基因备份数目优选方法。该方法根据目标电路的可靠性、硬件消耗设计要求,选择兼顾系统可靠性、硬件消耗的基因存储方式、基因备份数目及胚胎电子阵列规模,具有工程应用价值。通过某电路的基因备份数目的选择,对该方法进行了验证。

基于双模冗余的胚胎电子细胞阵列在线故障检测

针对胚胎电子细胞阵列在线故障检测设计困难、检测率低、检测率难以准确计算等问题,提出了一种基于双模冗余的在线故障检测方法和一种基于电路等价性验证的故障检测率分析方法。设计了一种适用于查找表型功能单元的新型检测器,并开发了自动化设计程序。针对单固定型故障,将电路转变为待验证电路,再通过故障注入和等价性验证,可以快速精确地计算电路的故障检测率。仿真实验选取16个不同规模的标准电路,分别映射在胚胎电子细胞阵列中,分析了双模冗余后面积、延时变化情况和双模冗余的故障检测率。仿真结果给出了较为详细的面积消耗、电路延时和故障检测率等数据,并验证了本文方法具有很高的故障检测率。

一种LUT型胚胎电子阵列的功能分化方法

针对LUT型胚胎电子阵列功能分化方法的不足,提出了一种新型的LUT型胚胎电子阵列功能分化方法,根据目标电路的功能描述,通过前端综合、逻辑优化、逻辑映射、打包等操作,将目标电路转换为电子细胞为基本节点的电路形式,通过物理映射、基因库生成,将电路映射到阵列上,确定阵列中每个细胞的功能、连接,最终生成目标电路的基因库并确定每个细胞的表达基因,完成胚胎电子阵列的功能分化.该方法无需对计算过程中每一代电路进行功能评估,运算量小,计算速度快,为基于LUT型胚胎电子阵列的自修复电路应用提供了设计方法.最后,使用一个算例阐述了功能分化过程,并通过多个电路验证了该方法的分化速度.

用于胚胎电子阵列的实验系统

胚胎电子阵列是新兴的研究方向,基于胚胎电子阵列实现的电路具有与生物类似的自修复、自组织等能力。当前研究多限于软件仿真,缺少相应的实验系统。设计了实验系统体系框架和电子细胞模拟模块结构并进行了实现,多块细胞模拟模块组成胚胎电子阵列,与外围的信号发生器、逻辑分析仪等仪器连接,构成胚胎电子阵列的实验系统。基于该实验系统进行了某胚胎电子阵列上目标电路的实现,实验表明,实验系统能够验证胚胎电子阵列功能,并能够监测阵列中关键信号,为研究阵列结构及自修复机制提供了硬件实验条件,具有很大的实际意义。

n×n阵列胚胎电子系统应用中的优化设计问题分析

通过实例分析,指出对于同一胚胎电子系统,当活动节点的数量一定时,活动节点阵列的行列结构不同会带来不同的可靠性;然后针对具有n×n阵列的胚胎电子系统,采用k-out-of-m可靠性模型,分别在行取消和细胞取消两种错误恢复策略下,从理论和实验上分析了不同行列结构对活动节点阵列可靠性的影响,并给出优化的活动节点阵列设计准则.

具有故障细胞的胚胎电子阵列上目标电路评估

移除-进化自修复通过进化自修复模式提高了目标电路的自修复能力,但在进化过程中,目标电路的评估尚缺少研究。在对胚胎电子阵列状态和目标电路形式数学描述的基础上,以马尔可夫不可修系统理论为指导,研究具有故障细胞的胚胎电子阵列上目标电路评估方法。研究了目标电路状态、状态转移率及工作状态概率自动计算方法,求解了目标电路可靠度及平均故障前时间,以此评估目标电路。仿真实验结果表明,该评估方法有效评估了进化过程中的目标电路形式,为移除-进化自修复中目标电路的优选提供了理论参考依据。

胚胎电子细胞的部分基因循环存储结构

为了在保证胚胎电子系统可靠性的前提下降低系统的硬件消耗,提出一种新型的基因存储结构——部分基因循环存储,细胞只存储阵列的部分基因,通过细胞内、细胞间的基因循环、非循环移位实现阵列的功能分化和自修复,自修复过程中基因存储内容根据故障细胞数目进行自主更新。该存储结构中基因备份数目可由设计者根据系统可靠性和硬件消耗要求设置,不受阵列中空闲资源数目的限制。理论分析和仿真实验表明,该新型存储结构不仅实现了胚胎电子阵列的功能分化、自修复等功能,而且能够在保证系统可靠性的同时降低硬件消耗,具有较高的工程应用价值。

基于功能重分化的LUT型胚胎电子阵列进化自修复

胚胎电子阵列的进化自修复是在胚胎电子阵列的行/列移除基础上提出的一种新型自修复方法。利用演化硬件理论进行进化自修复计算时,求解空间大,且需要对所有个体进行电路功能评估,计算量巨大.提出了一种基于功能重分化的进化自修复方法,以电子细胞组成的电路网表为基础,在具有故障电子细胞的胚胎电子阵列上通过物理重映射,搜索对当前阵列具有更大适应能力的目标电路形式,完成进化自修复.详细分析了故障电子细胞对阵列结构的影响,对物理重映射进行了数学建模,并建立了进化自修复流程.该方法无需进行电路功能评估,降低了运算量,为进化自修复的快速实现打下了基础.最后,通过一个实验电路的仿真,对所提方法进行了验证.

具有进化能力的新型胚胎电子自修复系统

针对胚胎电子电路及其自修复方法——行/列移除和细胞移除的不足,提出了一种具有进化能力的新型胚胎电子自修复系统.该自修复系统具有功能层、修复层和进化层3个层次.功能层实现目标电路功能;修复层采用行/列移除进行目标电路的实时修复;进化层利用功能层剩余资源进化具有更大自修复能力的目标电路结构.该自修复系统既保证了目标电路的实时自修复,又能够充分利用功能层的电子细胞资源,提高了目标电路的自修复能力.通过电路的仿真实验,验证了所提出自修复系统的优越性.

一种新型仿生硬件容错系统——胚胎电子系统

本文介绍了一种从自然界获取灵感的新型容错设计方法——胚胎电子系统设计。它的容错原理是根据在生物细胞内部冗余结构里发现的自修复机制来实现的。胚胎电子系统,就是基于构造一个具有自检测和自修复能力的处理单元阵列的仿生硬件容错系统。本文阐述了这种容错方法的设计原理,介绍了该系统的基本结构,并通过一个设计实例的介绍来验证该方法的有效性。

基于胚胎电子电路的自修复数字电路研究

为了满足航空电子装备的战时损伤下的应用要求,延长航空装备的使用寿命,降低其维护费用,对航空电子装备的数字电路部分的容错性和自修复进行了研究,提出了基于胚胎电子电路的自修复数字电路;分别对自修复数字电路的逻辑功能模块、配置寄存器模块和自修复辅助电路模块进行了结构设计,研究了自修复数字电路在故障状态下,其细胞单元重构过程,并给出了例子进行说明。最后成功将该研究运用某型测试设备适配器上。

基于多路选择器的胚胎电子系统的设计与实现

胚胎电子系统的多细胞结构和工作机制产生于多细胞生物启发的灵感,是一种具有在线自诊断、自修复能力的细胞阵列。文章介绍了胚胎电子阵列的结构和基本原理,给出了细胞电路的设计方案,提出了一种胚胎电子阵列重构时保持电路状态的工作机制。以序列信号发生器为例,给出了基于胚胎电子阵列的应用系统设计方法,通过数字仿真验证了方案的可行性与正确性。

胚胎电子系统动态重构的设计与实现

胚胎电子系统是一种具有自诊断、自修复、自复制能力的仿生硬件;为实现胚胎电子系统的故障修复与硬件复用等功能,设计了支持动态重构的配置控制电路;该配置控制电路针对胚胎电子系统的结构特点,利用其自身的多页存储器,实现了基于多页存储器快速切换的动态重构,可以实现胚胎电子系统基于模块的功能切换与硬件资源的复用;仿真实验表明,配置数据可以在线的下载到配置存储器中,下载过程中不影响其它模块的正常运行,满足胚胎电子系统动态重构的需要。

胚胎电子阵列建模研究

为了开发适用于仿生自修复的电子设计自动化工具,本文借鉴可编程逻辑器件建模的方法,对胚胎电子阵列进行了建模.通过对构成胚胎电子阵列的胚胎电子细胞及细胞间连接关系的建模,形成了胚胎电子阵列的描述文件,为仿生自修复电子设计自动化工具的开发及应用奠定了基础.

胚胎电子系统及其故障自检测自修复研究

胚胎电子系统是模拟生物细胞组织结构和生长机制而设计的一种新型仿生硬件系统。由于其具有良好的故障容错能力,能有效地提高电子装备在复杂应用环境中的可靠性,在航空航天、深水探测、电磁对抗等应用领域具有重要价值。近年来,关于胚胎电子系统的研究主要围绕胚胎阵列结构设计、分化设计和可靠性等问题展开,取得了丰富的成果。首先介绍了胚胎电子系统国内外研究现状,并对目前胚胎电子系统的主要结构、自检测技术和自修复技术关键技术进行了归纳总结,最后在现有研究基础上,分析了胚胎电子系统故障自检测和自修复技术研究存在的主要瓶颈及未来的研究方向。

基于多态系统的总线胚胎电子阵列可靠性分析

通过分析总线胚胎电子阵列(BBEEA)的结构特点和工作原理,将多态系统理论引入到阵列的可靠性分析中,采用通用生成函数(UGF)方法建立了阵列的可靠性分析模型。与基于n/k系统的阵列可靠性分析模型进行对比,验证了基于多态系统阵列可靠性分析模型的正确性和有效性。利用建立的阵列可靠性分析模型对总线胚胎电子阵列的可靠性进行分析,根据阵列的可靠性要求指导阵列的结构设计。同时,对比不同规模总线胚胎电子阵列与典型胚胎电子阵列(EEA)的可靠性,分析总线胚胎电子阵列的性能。分析结果表明:建立的阵列可靠性分析模型能够准确有效地分析阵列的可靠性,将阵列的可靠性分析与工作状态相结合,对阵列的结构设计和预防性维修决策具有重要的指导意义。

胚胎电子细胞剩余码/berger码联合编码自检方法

为了更好地实现胚胎电路的自检需求,针对地址产生模块和输入输出模块,基于基本逻辑和算术运算中操作数和结果数之间的剩余码和berger码关系,对胚胎电子细胞输入输出等价运算的构建进行了讨论分析。通过剩余码检测单个故障,berger码检测多位单向故障,设计了一种剩余码/berger码联合编码的胚胎电子细胞自检方法。给出了所提方法的流程和实现方法,分析了基于所提方法设计的胚胎电子细胞的故障检测率、自检模块自检率和硬件资源消耗。以时序逻辑电路为目标电路进行了仿真实验,验证了所提方法对胚胎电子细胞各模块的检测能力和对检测模块的自检能力。

胚胎电子阵列连线容错自修复策略

现有胚胎电子阵列自修复策略很少研究连线故障的容错,为此分析连线故障对阵列可靠性的影响,提出了一种可对细胞故障和连线故障都能容错的混合移除策略。基于该策略建立了电子细胞结构。仿真实验以四位二进制乘法器为例,设计一个7×6的胚胎电子阵列,验证混合移除策略能够对细胞故障容错和连线故障容错的有效性。从硬件资源和可靠性两个方面与列移除策略、细胞移除策略等典型自修复策略进行对比,结果表明:混合移除策略的连线容错组件消耗的硬件资源很少,该策略的硬件资源在可接受范围内;对于规模较大、连线数量较多且连线不完全可靠的胚胎电子阵列,混合移除策略的可靠性明显优于列移除策略和细胞移除策略的可靠性。

一种簇结构的胚胎电子细胞阵列

针对胚胎电子细胞阵列中存在的故障自修复能力有限、资源利用率低、硬件资源消耗大等问题,设计了一种由簇内开关盒、簇内电子细胞和控制单元构成的电子细胞簇结构。基于这种结构提出了一种簇内基因移位的故障自修复方法。仿真实验以累计加法器为例,对电子细胞簇的功能进行了验证,并对电子细胞簇的硬件资源消耗和基于簇结构的电子细胞阵列可靠性进行了分析。仿真和分析结果表明,基于基因移位的故障自修复方法在修复故障的同时可有效保存时序电路的中间状态,而且随着阵列规模的增大,基于簇的电子细胞阵列平均失效前时间更长,硬件资源消耗更低。