王子鈺

摘要：在這個復(fù)雜和有惡劣條件的自然環(huán)境中，電力系統(tǒng)的性能可能很容易受到環(huán)境的影響，它們有可能出錯由此導(dǎo)致運行異常。在深海以及深海的空間等復(fù)雜和惡劣環(huán)境中，如果電力設(shè)備發(fā)生故障后不能及時修復(fù)，則會造成嚴(yán)重?fù)p失。然而，名為基于硬件演化的故障自修復(fù)技術(shù)可以實現(xiàn)故障的自動修復(fù)。本文首先闡述了硬件演化的基本理論，并詳細(xì)介紹了基于硬件演化的故障自修復(fù)的國內(nèi)外情況。然后，闡述了故障自動修復(fù)的重要流程，并指出存在的問題及其可以改進(jìn)方向以及改進(jìn)措施?；谟布莼墓收献孕迯?fù)這種技術(shù)具有非常廣闊的前景和巨大的工程應(yīng)用價值。

1介紹：

傳統(tǒng)的電子電路結(jié)構(gòu)是固定不變的。隨著信息化建設(shè)的加速，電子系統(tǒng)被廣泛用于電力設(shè)備。它主要以大規(guī)模，超大規(guī)模數(shù)字集成電路為主體，核心是現(xiàn)場可編程門陣（FPGA）。當(dāng)這些電子系統(tǒng)處于沙塵，高低溫，強(qiáng)電磁場等復(fù)雜多變的環(huán)境中時，數(shù)字集成電路的性能可能受到影響[1]出錯，從而降低電子設(shè)備的功能，甚至造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。 進(jìn)一步亟待解決一系列問題，提高電子系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的生存能力，確保數(shù)字系統(tǒng)持續(xù)正常運行。

2基于EHW的電子電路故障主要自修復(fù)技術(shù)

結(jié)合硬件和軟件的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA開發(fā)了可在芯片上重新組裝的“變形系統(tǒng)”。硬件的一些功能可以配置在芯片上，因此軟件是為硬件仿真而設(shè)計的[2]。通過這種方式，F(xiàn)PGA的“固件”被重新組合并用于模擬不同類型的硬件。如圖1所示，在實現(xiàn)數(shù)字電路故障自修復(fù)時，不可缺少的是故障檢測，故障定位，故障隔離，冗余設(shè)計和演化算法。他們形成一個完整的系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)的故障自我修復(fù)已成為故障診斷研究領(lǐng)域的熱門話題。

3故障診斷技術(shù)

數(shù)字電路故障診斷主要檢測功能，序列關(guān)系，邏輯關(guān)系。根據(jù)組合邏輯電路和時序電路的不同特點，所用的測試方法不同。數(shù)字電路的故障類型主要包括恒定故障，橋接故障，瞬態(tài)故障和時滯故障?，F(xiàn)在，主要研究常量故障.[3]

3.1測試向量的生成

基于組合電路與時序電路的區(qū)別，產(chǎn)生測試向量時存在差異。在組合邏輯電路的測試中，常用的方法有偽排氣測試，布爾差分法，特征分析法和臨時函數(shù)分析法。相關(guān)算法可分為D立方體，D算法，PODEM算法和邏輯函數(shù)的FAN算法； 時序電路的測試方法主要包括擴(kuò)展D算法和九值算法等。

3.2故障定位技術(shù)

傳統(tǒng)的FPGA診斷方法包括邊界掃描技術(shù)，但邊界掃描技術(shù)無法定位邏輯單元，且硬件開銷較高。利用芯片增加邊界掃描可縮短制造業(yè)的測試工程并縮短發(fā)射時間，但可延長設(shè)計時間。邏輯單元故障定位中出現(xiàn)了各種定位技術(shù)。一種是為被測單元配置電路，并在檢測到極少數(shù)單個CLB的故障時直接將其繪制到IOB端口[4]；然而，當(dāng)測試CLB的數(shù)量過大時，基于陣列的方法，基于異或門級聯(lián)電路的方法，基于與門或門級聯(lián)電路的方法以及內(nèi)建自測試（BIST）方法是建議。BIST的電路配置復(fù)雜[5]，配置可能會失敗；而基于異或門級聯(lián)電路的方法和基于與-門級聯(lián)電路的方法可以檢測到端口的故障，但配置一次后只能檢測一半的CLBS，需要使用至少一半的CLBS來傳輸故障。

3.3 EHW技術(shù)

研究EHW主要研究進(jìn)化算法。首先，研究FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和編碼方式?？删幊踢壿嬈骷≒LD）的結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)位串決定。構(gòu)造比特串可以作為進(jìn)化算法中的染色體，通過進(jìn)化算法可以完成硬件功能的設(shè)計。EHW是進(jìn)化計算基數(shù)在系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計、調(diào)節(jié)、實時自適應(yīng)等方面的應(yīng)用，即以進(jìn)化算法特別是遺傳算法作為組合優(yōu)化和全局搜索的主要工具，以可編程器件作為主要的評估手段和實現(xiàn)載體[7]，尋求在不依賴先驗知識和外力推動（如人工干預(yù)）的條件下，通過進(jìn)化來獲得滿足給定要求的電路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[8]，甚至使系統(tǒng)自動地、實時地調(diào)整（重新配置）其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)內(nèi)部條件（如局部故障）和外部環(huán)境（功能要求或物理條件）的變化[9]。而EHW研究也有兩個方向分別是進(jìn)化設(shè)計和在線自適應(yīng)與容錯。運用電路的進(jìn)化設(shè)計主要對可編程電路結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)和參數(shù)等作為染色體進(jìn)行編碼，對每個備選的個體，根據(jù)一定的約束條件對代碼進(jìn)行演化操作，得到適應(yīng)值較高的代碼。最后將代碼反編譯成電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過實測相應(yīng)的實際電路或者進(jìn)行基于模型的仿真得到相應(yīng)的輸出。電路的行為（輸入-輸出特性）與預(yù)期結(jié)果的符合程度便作為該個體的適應(yīng)度，指導(dǎo)下一步的進(jìn)化操作；如此反復(fù)，逐步通過進(jìn)化計算找到符合要求的即電路。

4結(jié)論

目前，故障診斷技術(shù)日趨成熟，難以創(chuàng)新。大多數(shù)研究集中在診斷技術(shù)的綜合應(yīng)用和硬件進(jìn)化研究上，故障自修復(fù)技術(shù)深入研究，但在國內(nèi)尚處于起步階段。受科學(xué)研究條件限制，相關(guān)技術(shù)研究尚處于理論研究階段。研究是單一的，主要著眼于改進(jìn)進(jìn)化算法而沒有實質(zhì)性的飛躍?；贓HW的數(shù)字電路自修復(fù)技術(shù)是演化算法與PLD的有機(jī)結(jié)合。它根據(jù)外部環(huán)境的變化改變自己的電路結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)目標(biāo)電路的功能要求。技術(shù)必將在各個領(lǐng)域向前發(fā)展，特別是在國防和軍事領(lǐng)域具有廣闊的前景。 EHW技術(shù)與故障診斷相結(jié)合，拓展故障自修復(fù)技術(shù)途徑將成為研究課題。

參考文獻(xiàn)：

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