Fault self-repair strategy based on evolvable hardware and reparation balance technology

In the face of harsh natural environment applications such as earth-orbiting and deep space satellites, underwater sea vehicles, strong electromagnetic interference and temperature stress,the circuits faults appear easily. Circuit faults will inevitably lead to serious losses of availability or impeded mission success without self-repair over the mission duration. Traditional fault-repair methods based on redundant fault-tolerant technique are straightforward to implement, yet their area, power and weight cost can be excessive. Moreover they utilize all plug-in or component level circuits to realize redundant backup, such that their applicability is limited. Hence, a novel selfrepair technology based on evolvable hardware（EHW） and reparation balance technology（RBT） is proposed. Its cost is low, and fault self-repair of various circuits and devices can be realized through dynamic configuration. Making full use of the fault signals, correcting circuit can be found through EHW technique to realize the balance and compensation of the fault output-signals. In this paper, the self-repair model was analyzed which based on EHW and RBT technique, the specific self-repair strategy was studied, the corresponding self-repair circuit fault system was designed, and the typical faults were simulated and analyzed which combined with the actual electronic devices. Simulation results demonstrated that the proposed fault self-repair strategy was feasible. Compared to traditional techniques, fault self-repair based on EHW consumes fewer hardware resources, and the scope of fault self-repair was expanded significantly.     

Multi-objective evolutionary design of selective triple modular redundancy systems against SEUs

To improve the reliability of spaceborne electronic systems,a fault-tolerant strategy of selective triple modular redundancy(STMR)based on multi-objective optimization and evolvable hardware(EHW)against single-event upsets(SEUs)for circuits implemented on field programmable gate arrays(FPGAs)based on static random access memory(SRAM)is presented in this paper.Various topologies of circuit with the same functionality are evolved using EHW firstly.Then the SEU-sensitive gates of each circuit are identified using signal probabilities of all the lines in it,and each circuit is hardened against SEUs by selectively applying triple modular redundancy(TMR)to these SEU-sensitive gates.Afterward,each circuit hardened has been evaluated by SEU Simulation,and the multi-objective optimization technology is introduced to optimize the area overhead and the number of functional errors of all the circuits.The proposed fault-tolerant strategy is tested on four circuits from microelectronics center of North Carolina(MCNC)benchmark suite.The experimental results show that it can generate innovative trade-off solutions to compromise between hardware resource consumption and system reliability.The maximum savings in the area overhead of the STMR circuit over the full TMR design is 58%with the same SEU immunity.     

基于小波变换的容差电路故障诊断

针对目前模拟电路中电子元器件存在的容差与非线性导致电路故障难以检测的现状,设计了适用于诊断由器件超出容差所引起的模拟电路故障的小波分析诊断方法。通过设定故障进行蒙特卡罗容差实验,采用小波神经网络,对故障输出信号进行小波分析提取其小波高频系数参量,经PCA分析和归一化后形成训练特征向量,并经过BP神经网络训练后,故障信号通过小波神经网络后能够快速精准的对故障器件进行定位。通过大量样本进行仿真计算表明所设计的小波特征参量故障诊断法对于模拟电路具有很好的故障分辨率。     

进化硬件在数字电路设计中的应用研究

进化硬件在航空航天电子系统中有巨大的应用价值和潜力。目前,电路进化设计是进化硬件研究的主要方向之一。本文介绍了进化硬件的原理,并针对平台中算法的早熟和收敛速度慢的缺点,改进了原有算法。同时,指出不同类型数字电路在进化中的区别,并以典型电路为例分别进行进化,对结果进行了比较分析,验证了所用算法对进化不同类型电路的有效性。     

基于遗传粒子群算法的模拟电路测试点选择

针对模拟电路测试点选择的特点,提出利用遗传粒子群算法与整数编码故障字典相结合的方法进行测试点选择。首先根据各测试点的数据建立整数编码故障字典,然后利用遗传粒子群算法选取最优测试点。将该方法应用于实际模拟滤波器的测试点选择,结果表明：利用该方法很容易求出模拟电路的全局最优测试点。     

“小信号谐振放大器”的教学策略

小信号谐振放大器是高频电子线路课程的基本单元电路之一,主要应用在通信系统的接收机电路中,高频放大和中频放大是信号传输电路中的核心部分。掌握小信号谐振放大器的分析方法,对电子信息类、通信工程类专业学生的学习及工作是非常关键的。     

航空发动机电子控制系统的小型化SIP技术

针对电子装备小型化的需求,开展了对航空发动机电子控制系统的系统级封装(SIP)技术研究.以一个航空发动机电子控制系统设计为例,采用芯片堆叠结构,将多个裸芯片管脚用键合线引至电路衬底上的连接点,辅以印制板电路,构成完整的电路系统.通过设计优化和信号完整性仿真分析来控制信号质量,试验验证了在保证电路板信号质量的情况下,采用SIP技术,面积缩小约80%,质量减少约70%.研究显示系统级封装技术是未来航空电子控制系统小型化、高可靠的发展方向之一.      

合理运用SI技术快速收敛高速数字电路设计

随着数字电路集成度和工作频率的不断提高,信号完整性(Signal Integrity, SI)问题在产品研制过程中越来越突出。以惯导系统中的某导航计算机为例,针对故障信号回路,使用仿真软件对其SDRAM时钟信号进行信号完整性仿真,并进行优化设计。通过对比优化前和优化后的仿真与测量结果,验证了由于端接参数不匹配造成SDRAM时钟信号的非单调性畸变问题。仿真与测量结果表明,在产品研制流程中加入信号完整性仿真环节有利于设计快速收敛,提前规避风险,缩短研发周期,降低设计成本,提高电路产品的可靠性和电磁兼容性。     

A method of multi-objective reliability tolerance design for electronic circuits

Tolerance design plays an important role in reliability design for electronic circuits. The traditional method only focuses on the consistency of output response. It is not able to meet the needs of increasing development of electronic products. This paper researches the state of related fields and proposes a method of multi-objective reliability tolerance design. The characteristics of output response and operating stresses on critical components are both defined as design objectives. Critical components and their operating stresses are determined by failure mode and effect analysis (FMEA) and fault tree analysis (FTA). Sensitivity analysis is carried out to determine sensitive parameters that affect the design objectives significantly. Monte Carlo and worst-case analysis are utilized to explore the tolerance levels of sensitive parameters. Design of experiment and regression analysis are applied in this method. The optimal tolerance levels are selected in accord with a quality-cost model to improve consistency of output response and reduce failure rates of critical components synchronously. The application in light-emitting diode (LED) drivers indicates details and potential. It shows that the proposed method provides a more effective way to improve performance and reliability of electronic circuits.     

一种用于惯性系统的刚挠背板设计方法

惯性系统是一种电路种类多、电信号复杂的电子产品,电路信号的品质直接决定整个产品的质量,背板对于各个功能电路的高密度信号互连关系着整个系统的性能。提出了背板设计方法,将惯性系统中电气系统的功能模块电路进行合理划分,确定立体化布局。为模块电路所需的二次电源进行集中分配,对于生成二次电源的总电源进行针对性的电磁滤波,实现惯性系统敏感器、执行机构和模块电路的刚挠电气连接。刚挠背板的设计不仅实现了功能电路的三维布局、电路网络的相互连接,还对信号的质量进行了针对性的优化设计。实践表明,该设计方法提升了电路的集成度,缩小了惯性系统的体积,同时还提高了产品的可靠性。     

边界扫描技术在板级可测性设计中的应用

阐述了JTAG技术的基本原理,从设计方法、优化策略及实现技术等方面,对基于JTAG的PCB可测性设计进行了研究,给出了具体的实现方法,并实现了导弹通用测试系统中数据采集电路板的可测性设计。     

航空发动机电子控制器可测试性技术应用研究

基于边界扫描的测试思想,提出了1种航空发动机电子控制器可测试性设计方案。通过器件管脚的边界扫描单元,在板级甚至多个目标板组成的复杂系统间,构建了1条在集成电路边界绕行的移位寄存器链,可以实现复杂集成电路的嵌入式测试。该方案还可以实现故障注入,对航空发动机电子控制器机内自测试(B IT)能力进行验证。     

基于自定义组件的故障诊断过程显示

针对导弹控制系统结构复杂,信号线繁多,难以在故障诊断软件设计中实现诊断过程图形化实时显示的问题,提出了一种基于自定义组件开发故障诊断软件的方法.根据导弹控制系统的故障诊断流程及实时显示需要,对其结构进行了分析,抽象出了主要组成元素--信号通道和部件,由此提出了需要定义的相应组件.用Borland C Builder6.0开发环境进行了应用实践,证明使用这种方法可快速开发出能图形化实时显示故障诊断过程的导弹控制系统故障诊断软件,开发出的软件还具有运行稳定、修改升级方便等优点.     

综合容错飞行控制系统的设计与仿真

将主动容错控制与被动容错控制相结合,提出了一种综合容错飞行控制系统的设计方法。首先利用基于凸优化的线性二次型控制器构造可靠控制系统,然后通过故障检测滤波器对执行机构进行故障检测分离,并使用伪逆法重构控制律。仿真结果表明,该方法提高了飞行控制系统的可靠性。     

自适应可调品质因子小波变换在轴承早期故障诊断中的应用

分析了可调品质因子小波变换(TQWT)的近似平移不变性,并通过模拟信号对该性质进行验证。提出了基于时频峭度指标优化的自适应可调品质因子小波变换(ATQWT)方法,用于解决滚动轴承早期故障诊断问题。首先利用时频峭度指标对TQWT的品质因子和冗余因子进行搜寻,确定最优影响参数后,根据所得结果设置好TQWT的参数并对原始信号进行处理,得到相应的信号分量并选定最佳信号分量,对最佳信号分量执行包络解调处理,最后分析包络谱中的频率成分来判定轴承的状态。实验信号分析结果表明:所得时频峭度指标更加可靠，鲁棒性更强。在低信噪比情况下,该方法可以准确分离出原始信号中的微弱特征,有效判定轴承的早期故障。      

基于贝叶斯优化的磁光阱多参数自主优化系统

磁光阱是一种冷却陷俘原子的装置，磁光阱实验参数的优化是冷原子实验中基础且重要的工作，人工手动优化参数需耗费大量时间，且很难确保最终参数是全局最优的。基于贝叶斯优化的机器学习方法是一种对目标表达式未知、非凸、多峰的量子物理系统进行参数优化的有效方案，该过程通常远快于人工手动调节，且有更大概率找到全局最优值。提出了一种基于贝叶斯优化方法的冷原子多参数自主实时优化实验方案，该方案通过成本函数构造、控制程序编写、贝叶斯算法优化等形成一个可自主优化的闭环系统。实验结果表明，经过约30 min的迭代优化，所提方案可有效完成磁光阱系统的多参数优化，并得到最优的实验结果；所提方案验证了贝叶斯优化方法在多参数物理系统中应用的可行性，通过改进成本函数，还可应用于其他的复杂多参数实验物理系统最优参数快速确定。     

推力矢量飞机自适应控制系统仿真平台研究

研究了具有自修复功能的推力矢量飞机自适应控制系统的结构功能特点,研究了RHO优化控制算法实现在线控制器设计,利用MSLS辨识算法实现在线飞行参数辨识和等价空间算法、传感器信息融合技术和概率统计理论实现FDI算法。并且根据系统各个部分的算法,采用面向对象技术语言VC 6.0和三维图形语言OpenGL开发了仿真平台,利用仿真平台实时演示了飞机存在舵面故障情况下的飞行控制系统运行仿真,解决了飞机飞行过程中存在舵面损伤和气动参数变化的问题,该仿真平台可以根据需求进行飞机故障加载,具备完备的推力矢量飞机自适应控制系统仿真功能。     

基于粒子群和人工蜂群混合算法的气动优化设计

现代启发式智能算法存在全局与局部搜索能力的平衡问题,针对此问题,采用双种群进化策略和信息交流机制,提出一种基于粒子群算法和人工蜂群算法相结合的新型混合优化算法——MABCPSO,并分别进行函数测试和翼型的气动优化设计验证。结果表明:MABCPSO新型混合优化算法具有更好的寻优能力,相比粒子群算法和人工蜂群算法,该算法能以更少的进化代数分别提高1.7%和2.2%的减阻效果。     

胚胎电子细胞阵列中空闲细胞的配置

空闲细胞是胚胎电子细胞阵列(EECA)实现自修复的前提,空闲细胞越多,系统的可靠性越高,但过多的空闲细胞也将带来巨大的硬件资源消耗。在航空航天等领域,电子系统追求高可靠性的同时,硬件资源消耗也必须考虑,为优化胚胎电子细胞阵列中空闲细胞的配置,以阵列可靠性和硬件资源消耗为出发点,将多态系统理论引入到阵列的可靠性分析中,优化可靠性计算模型。针对经典胚胎电子细胞阵列,在不同自修复策略下,仿真并分析阵列的可靠性、硬件资源消耗与空闲细胞配置的关系。根据研究结果制定了不同自修复方式下空闲细胞的配置方法,同时兼顾可靠性和硬件资源消耗的要求。同时,研究了确定规模的胚胎电子细胞阵列自修复方式的选择方法。本文研究成果对推动胚胎电子细胞阵列的实际应用具有重要的意义。     

基于信号完整性分析的高速数字PCB板设计方法

通过对传统PCB设计与基于信号完整性分析方法的高速数字PCB设计的对比,介绍了一种基于信号完整性分析的高速数字信号PCB设计方法。在该设计方法中,首先对所有的高速数字信号建立起PCB板级的信号传输模型;然后通过对相应的信号传输模型进行完整性计算与分析来寻求能满足设计要求的布线规则;最后在相应布线规则的基础上来完成高速PCB板的设计和校验。实践表明,该设计方法可有效提高产品的设计性能,大幅缩短产品开发周期和降低开发成本,具有较好的实用价值。