НАДЕЖНОСТЬ

Цель. Выполнить анализ терминологии надежности применительно к встраиваемым программно-аппаратным системам, разработать методику оценки функциональной надежности компонентов программно-аппаратной встраиваемой микропроцессорной системы управления и провести практическую оценку надежности актуальных на сегодняшний день программно-аппаратных компонент уровня встраиваемого компьютера и микроконтроллера для выбора оптимальной структуры системы управления. В качестве объекта управления используется опытный образец медицинского робота, выполняющего функции удержания хирургических инструментов, ранорасширителей по Фараберу и пр. В состав системы робота входит микропроцессорный блок на распространенном одноплатном компьютере, реализующий высокоуровневые функции управления и распознавания голосовых команд, дополнительный микропроцессорный блок для управления сервоприводами и получения входных сигналов, а также исполнительные модули – приводы.

Методы. В статье применяются методы анализа библиографических источников, выполнен анализ нерецензируемых сборников документов, ранее закрытых иностранных стандартов и публикаций.

Результаты. Представлена методика оценки функциональной надежности компонентов программно-аппаратной встраиваемой микропроцессорной системы управления. Выполнен расчет вероятности безотказной работы программных и аппаратных компонент рассматриваемой системы по статистическим оценкам и по объему кода. Несмотря на различные методы расчета и справочные данные, результаты в целом близки. Также выполнена оценка вероятности безотказной работы программных средств для альтернативной структуры системы управления, когда часть важных функций разделена с дополнительным программно-аппаратным блоком, имеющим более высокий уровень надежности. В данном случае таким блоком является микроконтроллер Atmega32, который будет обеспечивать непосредственное управление работой приводов. Сравнительный анализ результатов показывает, что за счет внедрения дополнительного уровня с частичным распараллеливанием функций и частичным резервированием каналов управления была значительно повышена оценка вероятности безотказной работы системы в заданных условиях. На основании расчетов сформирована структура системы управления с двумя системными уровнями, обладающая высокими значениями вероятности безотказной работы.

Заключение. С учетом тенденции к интеграции максимального числа функций в единую микропроцессорную систему, для повышения функциональной надежности предпочтительной схемой является двухуровневое структурное представление функциональной схемы, при котором ключевые задачи в части непосредственной работы с аппаратным окружением перераспределяются в пользу отдельного аппаратного модуля. Кроме того, в рамках встраиваемых систем такой подход часто позволяет выделить нижний системный уровень, работающий в режиме реального времени и верхний системный уровень, отвечающий за высокоуровневые функции, такие как распознавание речи, передачу данных посредством коммуникационных интерфейсов и реализацию функций искусственного интеллекта. Не до конца решенным является вопрос практической оценки надежности встраиваемого программного обеспечения, особенностью которого является отсутствие виртуализации и уровня аппаратной абстракции и, как следствие, тесная взаимосвязь с аппаратной частью и периферией. Очевидно, что во время испытаний недостаточно многократно повторять соответствующие испытания, а целесообразно формировать тестовые комбинации из внешних аппаратных воздействий (аномалий сигнального уровня) и программных воздействий на периферию микроконтроллера.