可重构机器人（共7篇）
可重构机器人 篇1
0 引言
机器人诞生于二十世纪六十年代, 其后发展历程长期而漫长, 到了八十年代, 伴随着以计算机、微电子、互联网为代表的各类技术的迅猛发展, 机器人技术也得到了长足的进步[1,2]。由于市场竞争的白热化, 行业压力与日俱增, 制造系统必须要能适应飞速发展的变化即需要具备柔性制造能力, 受限于传统工业机器人的特征性太强, 通用性太弱, 导致不能实现快速适应各种工况和环境, 无法快速响应。与此同时, 需求的快速增长, 使得在非制造领城, 工况越来越复杂, 事先很难确定工作环境和工作任务, 这就更需要机器人有很强的适应能力, 在不同的环境下可以实现可重构, 这种可以随时改变构形的机器人被统称为可重构机器人[3~5]。
1 研究背景
可重构机器人的定义为:具备若干个模块, 不同的模块之间可以相互连接和分开以实现不同的组合, 最终使机器人可以呈现不同的形态和实现不同的功能。可重构机器人的模块的种类虽然不多, 一般为1~4类, 但是数量却达成百上千甚至上万。每个模块的功能简单, 结构单一, 但是经过组合之后形成的组合体可以实现之前每个单体无法实现的复杂功能, 整体性能有了飞跃性的提升。可重构机器人根据任务的不同来进行形态、姿态和功能重组, 比如, 在崎岖不平的山路上它化身为多足机器人, 在起伏的沙漠里它化身为履带机器人, 在城市下水道中, 它化身为长条蛇状曲折前进。比起传统的机器人, 可重构机器人的优点主要有:高智能化, 高适应性, 高可靠性, 长寿命高稳定性[6]。
2 国内外研究概况
从二十世纪80年代开始, 国内外针对可重构机器人开展了大量的研究, 目前国内研究领域一般把可重构机器人分为两种:静态机器人和动态机器人, 两者的区别主要体现在两个方面:1) 前者需要借助外力实现重构, 广泛应用于工业领域, 又称为工业机器人;2) 后者具有很高的人工智能, 可以不借助外力实现重构, 又称为自重构机器人[7]。
Benhabib开发了一种可重构机器人系统, 通过建立模块系统库, 实现机器人几何构形的变化和重组, 模块系统库主要由三部分组成:connec module, staff system, articulation module。在这个基础上, 1979年美国麻省理工学院机器人研究所开发了一种全新的系统RMMS, 即可重构机器人系统。作为世界上第一台原理样机, 当时被认为是跨时代的一次飞跃, 它不仅在机械结构上实现了可重构, 同时还在控制器、软件、算法等方面同样实现了可重构。通过进进一步的研究工作, 1996年Khosla, Paredis等人进行了系统方面的改进, 推出了新型的RMMS, 采用了分布控制的方法实现了多样性控制。其中最主要模块为连杆模块以及关节模块, 如图1、图2所示。
1989年日本SONY公司研发出了新一代ATRRBUS系统, ATRRBUS系统的主要组成部除了与上述系统类似的连杆模块和关节模块以外, 还有全新的控制模块。所有的指令都是通过控制模块实现通讯和传输以实现机器人的每一个动作以及整体控制。
国内对于可重构机器人的探索起步较晚, 还处于初级阶段。中科院沈阳自动化所的于苏洋对国内可重构机器人的发展进行了战略前瞻;上海复旦大学的聂爱英依托泛函分析理论, 构建了静力学和动力学运动方程, 并利用遗传算法进行了模拟推演。天津大学的王琦开发出基于模糊控制的可重构机器人拓扑结构模型。清华大学, 北京航空航天大学, 北京理工大学, 哈尔滨工业大学和中国科技人学也在进行相关内容的研究, 成果颇丰。
3 可重构机器人模块化设计
制造技术日新月异, 要求制造系统具备柔性化特质, 更要求机器人可以适应环境的变化和任务的不同, 全世界的研究人员致力于使用各种方法解决此难题, 在这中间, 模块化设计方法是行之有效的一种, 它不仅可以实现快速可重构, 而且时间短, 成本低, 性价比高。
3.1 模块化设计原则
由于机器人的自由度很高, 结构复杂, 各个自由度支架高度耦合, 并非线性变化, 因此需要根据功能进行模块的划分, 基本原则为:
1) 功能独立性:每个模块具备特定的独立功能, 实现模块专业化, 是可重构设计的基本要求;
2) 响应迅速性:可重构机器人的最大特点就是要适应工作任务的不同和工作环境的改变而变形, 这就要求各个模块应该方便拆卸, 连接简捷, 响应迅速, 反应及时;
3) 良好驱动性:为了增加传输运动效率, 减少能量损失, 每个模块都要将惯量减至最小, 并且可以自己驱动自己实现本体动作而不依赖于外力, 可以有效的降低整体能耗;
4) 运动独立性:为了减少耦合性, 不同的运动模块之间应该相对独立, 降低耦合性对系统的影响;
5) 数据自治性:每个模块应该具备独立自治能力, 可以实现不同模块之间的实时数据处理和及时上下通讯。
3.2 模块化平台设计
如果要设计可重构机器人的模块化平台, 那么我们首先需要知道它构形的变化范围。本文主要研究范围以串联关节结构为主, 例如关节型机械臂、仿生腿型机器人。
首先要做的是根据模块划分对机器人的结构进行分析。机器人的基本功能结构图如图3所示。从图中我们可以看到主要的4个功能和对应的4个功能模块。由于实现方式不同, 所以可以据此对机器人进行不同的分类, 比如以移动机器人为例, 如果采用轮式结构实现, 则为轮式移动机器人;如果采用关节串联结构实现, 则为串联关节型机器人;如果采用仿生腿实现, 则为仿生腿移动机器人。以上这些例子是单一功能的实现, 真正复杂的机器人应该是两种或者是多种运动功能的叠加, 以适应更广泛的应用领域。以下, 主要开展关节串联结构移动机器人的研究。
在功能分析之后, 我们可以知道, 如果要实现串联结构来实现移动功能, 只能采用多自由度主动关节来进行, 那么移动机构的可重构就是机器人整体可重构的重要基础和关键所在。根据前述模块化设计原则, 我们可以把主动关节当作一个独立的模块, 由连杆参数 (两关节轴之问的相对位置关系) 决定串联机构的运动性能。
要开发出模块化设计平台, 就必须采用典型划分方法, 利用拓扑结构和自身特征进行分组, 首先定义基础模块, 在此基础上开发连杆、关节两个并列模块, 并衍生出控制类的工具和调节模块。特点需要强调的是调节和连杆两个模块共同组成连接结构, 前者用于调节关节轴之间的距离, 后者用于调整关节轴之间的角度, 两种模块一起作用可以实现关节轴的任意运动。
基础模块是系统的根基, 用来定义可重构机器人的整体结构外包络, 如图4所示。
关节模块是系统的纽带, 用来定义任意两关节之间的交叉角度, 调整位置和坐标, 如图5所示为三种不同类型的关节:垂直转动关节、横向摆动关节和上下移动关节。
连杆模块是系统的桥梁, 用来定义两关节之间的最短距离, 如图6所示。
4 可重构机器人构形设计
4.1 基础构形设计思路
可重构机器人所需要完成的任务可以进行逐级分解, 在这里, 我们以某个装配任务作为例子进行分析, 底层任务是运动路径规划, 中间层任务是定位、加紧、加工等工序集合, 顶层任务为完成从零件到部组件的装配。所以可重构机器人的基础构形设计思路可概括为:
由问题出发:运动路径规划并发任务拆包分发, 借助模块化平台搭建整体可重构模型;
从结果反求:通过模块构建通信控制平台, 最终圆满完成给定任务。
4.2 可重构机器人构形设计方法
广义上构形设计问题都可以概括为一类搜索问题, 在约束条件和任务目标下, 通过搜索目标函数构造最优构形。传统优化方法采用计算代价函数的梯度值, 只能得到线性最优解, 不满足非线性要求, 故本文采用进化算法。进化算法与遗传算法类似, 是其的一种演化, 它以达尔文的进化论为基础, 通过模拟生物自然进化过程来进行求解和自适应, 主要通过选择、重组和变异三种手段实现优化问题的求解。
1) 进化算法不需要假设提前解, 不需要考虑形式与功能之间的关联, 柔性很大, 可以完成任意产品的构形设计;
2) 进化算法比其他算法能更好的处理离散问题, 耦合问题, 适用于不同大小的搜索空间, 构形设计空间往往是高度耦合的, 涵盖离散和连续的变量:
3) 进化算法鲁棒性能优越, 避免了其他算法往往纠缠于局部最优解的困扰, 尽可能的实现全局最优解;
4) 进化算法操作简单, 运行时间较短, 对计算机的硬件需求较低, 不需要特别高的配置, 具有很好的并行工作能力。
4.3 构形设计实例
在知道了任务要求和得到可重构机器人模块化平台的前提下, 即可开展构形设计, 前述文中已经讨论过构建模块化平台所需要的四种模块, 在后续讨论中, 我们只考虑除末端工具模块以外其余的三个:
基础模块B的有三个实例:Bml (0.2m) , Bm2 (0.4m) , Bm3 (0.8 m) , 变换矩阵如下, h为高度值:
连杆模块L的一共有10个长度实例, 分别为0.05, 0.l, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5 m。变换矩阵如下, L为高度:
关节模块J有三个实例, 变换矩阵如下:
c为关节回转中心到上下两个连接端的长度, 2c=0.lm, θ1为回转中心两部分相对转动的角度:
C同上, θ2为横向摆动关节两部分相对转动中心的交叉角度值:
d为上下移动关节模块的移动量, d1为上下移动关节的移动量为初始值时的长度;
输入条件为六自由度串连关节机器人, 路径规划为输出端可以快速按预定轨迹移动, 位置姿态要求如下所示:
位姿矩阵一:
位姿矩阵二:
位姿矩阵三:
位姿矩阵四:
经过构形设计后, 可重构机器人的摹本构形为:
适应度函数为:
进化参数设置为:种群大小为30, 最大代数为15, 变异概率为0.25, 交叉概率为0.7。
运行结果为:Cm02→JSm→Lm09→JRm→Lm0l→JLm→Lm02→JSm→Lm08→JLm→Lm06→JSm→Tool
5 结论
可重构机器人的构形设计目标在于从在广泛的模块库中寻找和优化出最优的拓扑模型, 从本质上来讲是一种以任务为前提的优化求解过程。本文通过分析可重构机器人构形设计问题的特点, 开展了理论研究, 并对构形设计问题进行了量化说明, 采用遗传算法开展构形设计, 有效地实现了非线性, 强耦合性条件下的构形优化。
参考文献
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可重构机器人的瞬态运动学分析 篇2
第一, 从机构学的角度来分析, 机器人的结构是由一系列连杆通过旋转关节或移动关节连接起来的开式运动链。在机器人机械系统中, 驱动器通过联轴器带动传动装置 (一般为减速器) 再通过关节轴带动杆件运动。
第二, 用一般机构分析方法很难确定两相邻杆件坐标系之间的位姿关系以及末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系, 需要建立一套针对空间机构的运动学、静力学方法。需要使用不同于一般机构分析的专门分析方法来分析末端执行器的位置、速度、加速度以及各个关节驱动力矩之间的关系。由于每个关节的运动受到其它关节运动的影响, 作用在每个关节上的重力和惯性力随手臂位置变化而变化, 在高速情况下, 还要考虑离心力的影响。机器人是一个强耦合性、多输入多输出的、非线性、位置不断改变的动力学系统, 动力学分析相对复杂得多。
可重构机器人也称为链式机器人, 可重构模块化机器人系统是由一套具有标准连接接口的模块组成, 这些模块能够根据特定的任务要求而被快速装配成具有不同运动学参数和动力学行为的机器人构型。相对于传统的移动机器人, 可重构机器人具有很多优点, 能够应用到很多复杂和危险的环境中。
依据markham教授提出的polypod系统, 它由连杆和关节点两种模块组成, 连杆模块有两个自由度, 并装有电机及力和位置传感器和板载微处理器, 所有的连杆模块相互平行或垂直, 连杆模块可以连接到关节点模块的任意一面, 简单的运动步态都是沿直线运动, 根据动作顺序来控制每个自由度。每个连杆模块都是半自由的运行。所有的动作仅用了两种简单的方式伸长模式和缩回模式。在伸长模式中, 利用力传感器一个自由度可以像一个控制得很好的弹簧一样运动, 在缩回模式中, 自由度以恒定速度的速度移动, 直到它达到制停上限, 如果增加机器人的长度, 任意数量模块的步态都可以实现。
下面对瞬态运动学加以详细分析:在分析过程中用到了一个模型, 叫稚可比矩阵。首要任务是理解如何定位末端执行器, 如果知道了末端执行器的坐标系, 就可在那个坐标系内描述, 末端执行器的位置和姿态如果开始移动可以及时监控微分运动。如果把当前构型移动一个小位移, 就会得到一个特定的构型, 有了θ1到θn并且知道了它们的含义, 如果把θ移动一下, 就得到了δθ, 把它引入每个关节角, 做一个微分运动δx, δx不仅涉及到位置, 也涉及到姿态。已经知道了δθ和θ, 因此问题就是找出δθ和δx的关系, 两者之间是线性关系, δ和δx是由导数和矩阵 (稚可比矩阵) 联系到一起, X求导就可以通过稚可比矩阵联系到一起了, X求导包括两个要点:位置和方向两个方面, 因此关于X不仅要讨论线速度, 还要讨论角速度, 要做的就是找到这种关系, 并建立与那些变化有关的稚可比矩阵。要从微分运动开始, 研究稚可比矩阵如何计算目标的线速度和角速度的影响, 这将通过速度从一个关节到下一个的传递来产生, 那会形成递归关系, 找到线速度和末端执行器。用另一种方式检查这种分析的准确性, 而不是通过传播速度这种方式, 检测机器人运动学的结构以及它对末端执行器速度的影响, 将它叫做稚可比矩阵的显式形式。分析其运动学, 看到这个矩阵的每一列都是与一个特定的关节相联系的, 如第一列对应第一个关节, 它和末端执行器速度的影响线速度和角速度这个稚可比矩阵的显式形式在建立关节和末端执行器的位移或者速度关系模型时, 非常重要。这个模型在建立各个力之间的关系时, 也同样很重要。力作用在关节上, 力的类型取决于关节的类型, 如果是一个移动关节, 就会得到一个力, 如果是一个转动关节, 就会得到一个力矩。实际上力和力矩之间的关系决定了末端执行器的动作, 恰恰是从同样的模型、同样的雅可比矩阵中得来的。速度和静力之间是一种对偶关系, 用它可以建立力和力矩之间的关系。首先分析一下那些微分运动, 描述关节坐标, 把关节角作为关节坐标, 对于移动关节, 有时选择的是关节位移, 用变量q来表示, 来获知关节是移动关节还是转动关节, 可以引入qi用θi或者di表示ε=0或者1, 这是一个二元数值。对于转动关节ε=0, 对于移动关节ε=1, 并且ε拔是它的补集, 由关节的类型来确定, qi是θi还是di, 一旦有了关节坐标向量q1、q2和q3, 那就表示找到了X与q之间的关系, 并可以求它们之间的微分运算了, 可以通过下式的微分
上式微分运算涉及到多个变量, X1对应着第一个函数, F1也可以表示为X坐标, X2是Y坐标等等, 于是得到了所有函数, 因此由微分和偏导微分可以简单的计算出稚可比矩阵通过f对q1的偏导, 来计算δx1, f1是所有q的函数, 计算f对所有q的偏微分, 这样才能得到δx1, δxm也是如此。用较少的变量, 较少的函数和微分来得到这种关系, 现在有了一个方程组, 有M个方程, 有N个变量, M个方程都是关于N个变量的函数, 可以把它写成矩阵的形式。其中δx1到δXm用向量δx表示, δq1到δqn用δq表示, 两者之间的关系就可以用矩阵表示, 把这个方程写成矩阵形式:
其中:
第一列就是f1对q1的偏导数, 一直到fm对q1的偏导数。
因此这个矩阵正是雅可比矩阵, 它是一个M×M的矩阵, 并且把δx和δqn联系起来。可以有很多不同的方法表示位置和姿态。这里的δx和δq之间的关系是q求导和x求导之间关系的矩阵。如果对时间求导的话, q求导和x求导会用同一个矩阵, 所以雅可比矩阵里的各项是函数I对J的偏微分。
如图1所示, 平面内的机构有两个自由度, 连杆长度分别是L1和L2, 只需要表示出X和Y。
微分运算得到了这个式子:
第一行是Y, 第二行是X, 这个雅可比矩阵给出了关于微分运动δθ的关系式, 可以计算相应的变化δx, 由关节空间的速度得到末端执行器的速度。实际上这个矩阵被广泛用于控制工业机器人。可以通过求矩阵的逆来计算对应于δx对应的δθ, 这样就可以操控机器人, 机器人可以通过雅可比矩阵的逆来控制。
参考文献
可重构机器人 篇3
可重构数控系统是当前开放式数控技术的一个研究热点,与传统数控系统相比,可重构数控系统具有很多优点[1]。当前对数控可重构技术的研究主要集中在以下几个方面:①将现场可编程逻辑器件作为硬件系统的一个功能模块,研究如何对其实时编程以实现对硬件系统的重构设计[2,3];②利用组件技术设计数控系统,使数控软件系统具有一定的可重构性[4],或研究Windows系统的特点,基于Windows系统设计可重构的软件模型[5];③为了方便系统功能模块的增减,研究总线技术在可重构数控设计中的应用,利用通用串行总线设计系统模块间的通信[6]。上述研究的不足是:忽略了可重构数控系统的实现需要硬件、软件和模块间通信的协同设计。因此,本文将数控系统的重构分成相关联的3个层次:硬件系统重构、软件系统重构和模块级重构,并通过一个实际数控系统的设计,来阐述3个层次的应用及其相互关系。
1 数控系统软硬件开发平台的构建和可重构设计研究
1.1 可重构数控系统软硬件开发平台的建立
图1所示为数控系统的可重构硬件开发平台,以ARM、DSP和FPGA为硬件平台核心,系统采用主从式双CPU设计。ARM 处理器作为主芯片,具有通信管理、网络管理、人机交互、指令译码、故障诊断等功能。DSP 具有软件插补、位置控制、误差控制等功能。FPGA用于硬件插补器和外围接口电路的设计。由于FPGA能够通过编程改变其内部的硬件电路时序关系,所以数控系统的插补模块和外围接口电路能够根据整个系统的重构需要进行重新配置,使该硬件平台具有很强的重构能力。存储器主要用于整个系统运行的程序和数据的存储。各种硬件功能模块包括显示控制模块、键盘控制模块、数据采集模块、PLC控制模块等,主要用于实现各种具体应用功能。
笔者设计的可重构数控系统软件平台如图2所示,由如下几个部分组成。
(1)硬件服务模块。
该模块的主要功能为:①系统开始运行时,对硬件模块进行初始化;②系统运行过程中,其余软件模块只能通过硬件服务模块对硬件进行操作;③硬件模块进行重构时,用VHDL语言描述的文件通过该模块装载入FPGA模块。
(2)实时操作系统模块。
将自行开发的嵌入式实时操作系统TDNC-OS作为系统任务调度与开发平台,该模块的主要功能是处理由内外部事件引发的文件系统或功能任务的调度以及相应设备驱动的激活等。
(3)软件重构配置模块。
该模块的功能为:①原有系统参数的重新配置重构;②新功能的加入或新系统的重构生成。
(4)其余软件功能模块。
包括文件系统模块、各种插补功能模块、各种交互模块等,主要用于完成系统具体的工作功能[7]。
1.2 数控系统可重构设计研究
1.2.1 基于FPGA的硬件可重构模块设计
数控系统的可重构性要求数控系统能适时地调整自身的硬件结构以满足重构要求。现场可编程逻辑器件具有硬件电路在线可编程的特性,即它的硬件结构可以像软件程序一样被动态调整或修改[8]。图3为基于FPGA的可重构系统的结构框图,该系统可实现对数控系统从两轴联动到五轴联动的重构设计。由图3可知,可重构模块是ARM模块、DSP模块、交互模块和总线接口模块彼此间通信的桥梁。它不仅为信号传递提供可靠的通路,而且通过装载不同的配置文件,可重构出不同功能的数控系统。驱动模块和外部I/O接口模块(主要用于数控机床电气的控制)通过串行工业现场总线与数控系统相连,减小了模块之间连线的复杂度,提高了通信的可靠性,使整个系统模块的增减更加简便,极大缩短了数控系统模块级的重构时间。
基于常规SRAM编程,本系统基于FPGA的动态配置方案如图4所示。配置参数模块中的数据按照逻辑功能存放,用于配置FPGA内部的各逻辑模块。外部缓冲SRAM在ARM控制下,对系统重建时隙给予自适应的逻辑补偿,保证系统逻辑时序上的连续。系统整体功能采用FPGA硬件复用形式构筑,但系统功能的整合(系统重构、时隙补偿)由ARM规划和控制。
1.2.2 数控系统引导型软件重构开发平台的研究
数控系统的硬件重构和软件重构必须同步进行,才能实现整个系统的重构。根据该数控系统的结构特点,笔者设计了一种具有引导功能的系统重构开发平台,如图5所示。开发平台采用一种引导开发的模式,借助于预先定义的各种信息库,将使用特殊语言描述的用户功能要求转换成信息库中特定策略的组合,然后通过与ARM和DSP相匹配的代码编译器,将策略描述翻译后,再通过下载电缆传送至数控系统。
软件重构开发包括语言描述和引导设置两种开发方式。语言描述方式采用结构化的功能机制,预先定义出系统重构的算法结构,用户只需根据算法的提示加入自己功能要求的描述。图6所示为重构描述语言的结构,图中定义了一种新的插补算法来完成所需的复杂曲线拟合。开发平台提供独立的结构化描述语言,采用面向对象的编程思想,以功能对象群组的方式来描述数控组件对象的特定工作状态。语言描述方案可以通过灵活定义的算法规范深入系统内部的软件构成细节,适用于系统底层策略方案的自定义重构配置。引导设置采用开发向导的形式以图形化询问界面来定制用户的重构需求,一般用于较为简单的重构开发。图7所示为运动拟合精度的重新设定,较为简单,只需修改一些参数,因此,采用引导设置方式进行开发。
2 基于工业现场总线PROFIBUS-DP的模块可重构数控系统设计
数控系统的模块级重构要求重构过程简便快速,重构后的系统运行安全可靠,在物理空间上能够灵活分布[9]。PROFIBUS-DP是经过优化的高速廉价的通信总线,专用于自动化系统中分散的现场设备之间的通信。特别适合于分布式数字控制系统的高速数据传输。笔者基于前述的可重构软硬件数控平台,将12Mbit/s的PROFIBUS-DP作为数控系统模块间的通信总线,成功开发出了TDNCM4数控系统,图8为TDNCM4数控系统分布式模块结构图。在此基础上,下文将研究重构出新的更高性能的五轴联动数控系统TDNCH8的策略方法。
图9为将要设计的TDNCH8数控系统的分布式模块结构图,与图8相比最显著的变化就是增加了1个I/O控制器从节点和4个进给驱动从节点,变化的原因是TDNCH8数控系统需具有控制八轴五联动的能力。
表1列出了TDNCM4和TDNCH8数控系统在功能上的相同和不同之处,同时给出了从TDNCM4重构出TDNCH8系统时各种功能所采用的重构方式,“√”表示所在列的重构方式被采用。表1中所列数控功能的重构主要分为3类:
(1)不变。指TDNCM4和TDNCH8共有的功能。如平面直线插补、空间直线插补等功能,在数控系统重构升级的过程中,这部分功能可直接用到新的数控系统中。
(2)增加。指TDNCM4系统有此功能,但由于控制轴数的增加而必须对其进行扩展。如最大进给轴数、坐标系统等功能,需要从四轴增加到八轴。最大进给轴数的扩展是这样实现的:硬件重构增加轴控制通道数,软件重构解决新增轴的位置控制和配置问题,模块重构使新增的进给轴物理载体(一般是伺服电机驱动器和伺服电机)方便地连接到数控系统主控器上。显而易见,为实现控制轴数的重构升级,3种重构方式必须同时采用,缺一不可。坐标系统只需利用软件重构的方式,在前面提到的引导型软件重构平台上,在坐标系统函数库中增加新增四轴的坐标处理函数即可实现,硬件重构和模块重构的方式未用到。
(3)新增。指TDNCM4没有,而TDNCH8新增的功能。主要是一些更高级的插补功能,需要通过软件重构的方式来实现。
从上述分析中可以看出,基于TDNCM4系统重构出TDNCH8系统必须同时利用数控系统的硬件重构、软件重构和模块级重构技术,三者相辅相成,密不可分。换个角度分析,我们可以把数控系统的重构分为3个层次:①核心功能重构(一般指控制轴数和联动轴数的改变)需要同时采用3种重构方式才能实现;②工作功能(主要指插补功能)重构,只需通过软件重构就能实现;③辅助功能(包括坐标系统、程序管理系统、刀具管理系统等)重构,只需通过软件重构就能实现。只要判断出一个数控系统的重构升级属于哪个层次,就能决定其应该采用的重构方式,例如,如果只是想把刀具管理系统管理的刀具数从1024增加到2048,只需进行软件重构就可以。实际上,这种重构并未改变TDNCM4系统的根本性能,而是扩充或增强了其辅助功能。但如果把TDNCM4系统的控制轴数和联动轴数分别增加到8和5时的数控系统的重构属于核心功能的重构,需3种重构方式同时使用才能实现,而且重构后的系统在根本性能上与TDNCM4系统相比已经有了质的飞跃,新的更高性能的数控系统已经诞生。因此,如果一个可重构的数控系统平台具备上述3个层次的重构能力,那么必将能开发出从低端到高端的系列化数控产品。
在实际应用中,通过对TDNCM4数控系统的软硬件和组成模块的重构设计,成功开发出了五轴联动数控系统TDNCH8,并将其应用在TDNCM80A五轴加工中心上。显然TDNCM4和TDNCH8基于同一种设计结构,属同一个产品系列,只是性能高低不同。同理,采用相同的重构方法,也能方便地重构出车床控制系统、磨床控制系统等,从而形成一个数控系统产品系列。
3 结束语
论文提出从数控系统设计的硬件、软件和模块3个层次来研究可重构数控系统的设计,并给出了各个层次重构的实现方法。研究了3个层次在系统重构中协同应用的问题,并以一个实际设计为例,给出了不同数控功能重构的3种层次的选择方法。课题后续的工作将着重于进一步研究重构过程中的软硬件协同设计问题以及数控系统重构和机床重构的关系问题。
摘要：提出了一个软硬件可重构的数控系统平台方案,给出了硬件系统的重构策略,并设计了一个引导型软件重构开发平台。通过对数控系统的功能分析,将重构分为核心功能重构、工作功能重构和辅助功能重构,并以此研究了数控系统硬件重构、软件重构和模块重构的关系和协同设计问题。
关键词：数控系统,硬件重构,软件重构,模块重构
参考文献
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可重构技术研究现状与发展 篇4
随着社会的发展和进步,信息处理量越来越大,通用的微处理器和专用硬件已经不能满足人们对信息数据处理的要求。于是,人们提出了一种兼顾通用处理器和专用硬件两者优点的系统――可重构计算系统。目前,可重构技术得到了较大发展,在容错计算、并行处理、硅圆片集成电路等方面的研究中得到了广泛应用,已经成为研究热点[1]。
2、可重构计算技术研究现状
2.1 国外在可重构计算技术上的主要研究成果:
(1)美国超级计算机研究中心的基于XC3090和XC4010 FPGA阵列的两代SPLASH系统。SPLASH-l用于DNA研究时获得了比Cray-2巨型机高出325倍的性能,SPLASH-2也已广泛应用于模板匹配、图像处理等领域。
(2)Lockheed Sanders公司设计的CHAMP(Configurable Hardware Algorithm Mappable Preprocessor,可配置硬件算法映射系统)系统,基于XC4013 FPGA,用于空间滤波、光谱滤波和背景归一化,己经在新型号导弹预警系统中使用。
(3)美国虚拟计算机公司(Virtual Computer Corp,VCC)为海军开发P Series系统,以及最近发布的EVC-l系统,是基于一片XC4010风XC4013的可重构系统,通过总线可以直接与SPARC工作站相连,用作协处理器。EVC-1的重构时间小于50ms,可以作为新型集成电路设计的仿真平台或算法加速器[3]。
(4)美国的Brigham Young大学的一个研究小组把FPGA和DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理)结合在一起,构成面向高性能的嵌入式数字信号处理的可重构处理器。这是一种面向应用的解决方案。它将DSP的优点与FPGA的灵活性相结合,构成DSP-RL(Reconfigurable Logic,可重构逻辑)结构的处理器。因此,可以达到完成多种不同的计算而不必更换DSP的目的。它的基本思想是,在数字信号处理器中嵌入一块可重构逻辑阵列,常规控制和简单计算由DSP完成,计算量大的任务由可重构阵列完成。
(5)英国牛津大学的程序研究小组利用Xilinx4000系列的FPGA对可重构计算进行了卓有成效的研究。他们将FPGA、设计自动化和适应性计算融为一体,提出了一种基于FPGA的可重构处理器思想。
(6)美国加州大学伯克利分校的BRASS研究小组开发了将一个MIPS微处理器和细粒度FPGA组合在一起的系统,称为Garp。
(7)XPP(e Xtreme Processing Platform)结构是PACT公司提出的一种粗粒度实时动态可重构的数据处理技术,其中心思想是用配置流来替代指令流。
2.2 国内研究现状
目前国内对可重构计算进行多方面的研究。西北工业大学航空微电子中心,在国内较早进行了单芯片可重构计算系统的概念验证原型,即在一个芯片中集成微处理器核、可编程资源和嵌入式的存储器系统。这就为今后在这个领域继续深入研究打下了一个坚实的基础。哈尔滨工业大学在线程计算方面,对多线程计算结果的可重构做过研究;华为公司在程控处理方面提出过自己的专用可重构处理机等。对数据通路或者执行通路的研究较多,对于可重构逻辑阵列结构控制和置策略,如何算是优化,如何形成完整的策略等,尚未有深入探讨[4,5,6]。
3、可重构技术的发展趋势
3.1 可重构计算的编译技术
尽管几十年前通用处理器的高级编译就已经成为一个活跃的研究领域,可重构计算的编译技术仍处于起步阶段。传统的计算系统就是将软件代码下载到其RAM(Random-access Memory,随机存储器)中,这样提供了极大的灵活性。同样,使用可重构件也是基于RAM的:结构代码(即配置代码)下载到结构件内部的RAM或寄存器中。由于配置代码不是程序代码,因此不能从软件编译得到,需要有其相应的不同的编译技术。
冯·诺伊曼和传统编译器已经过时了,现在主机/协处理器工作模式已经被越来越多的系统所采用现在的实现方式仍是将顺序代码下载到主处理器的RAM中而协处理器(加速器)仍然用EDA工具来实现,软件配置代码划分仍然需要手工来完成。需要从高级编程语言源程序自动编译到主处理器和可重构协处理器上:协同编译包括自动的软件/配置代码划分,决定分割和调度计算的顺序以及哪一部分电路需要被改变。在此方面已经有一些研究成果,但仍然需要开发更先进的工具来充分利用新硬件技术的优势[3]。
为了更好地支持可重构计算的不断发展,需要在硬件综合、高级编译以及设计验证方面作进一步的研究。
3.2 可演化硬件
对于2020年及其以后的硬件结构,可演化性将成为其一个关键特征。在固定功能的硬件和可重构硬件之后,下一代将是可以自我配置和演化的硬件。术语可演化硬件(Evolvable Hardware,EH),可演化方法(E-volvable Method,EM)代表的是一个新的研究领域,也是FPGA(遗传FPGA,Genetic FPGA)的一个新的应用领域。它是指动态可重构电路的配置是由演化进程决定的。设计者将要用可重构FPGA完成的任务,用设计拟合功能的方式来描述,然后,演化的方法如遗传算法被用来产生及进化出一系列FPGA的配置,最终产生具有所需功能的设计,由此可能产生超出现有模型、技术综合或设计者能力的具有新型功能的电路。
它可以看成是控制论和仿生学的复苏,主要推动技术就是现在出现的可重构硬件技术。当今在日本、韩国和美国都出现了越来越多的与EM相关的学术会议。
可演化硬件面临的两个重要的挑战,分别是可扩展性和对完整的规范描述的需求。到目前为止,只有相对简单的系统被演化出来,而所使用的部件均为原始部件,如晶体管、电容、电阻等。对任何一个复杂系统,所使用的部件数量以及之间的互连方式都是很多的,因此对一个问题的搜索空间非常之大[2]。
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可重构制造系统的使能技术 篇5
目前,在企业中主要存在2类制造系统,即专用制造系统和柔性制造系统(FMS)。专用制造系统成本较低,能进行多刀加工,故生产效率高,但没有柔性,系统的软件、硬件都是为特定零件而设计的,不能扩展。柔性制造系统则具有软件柔性,能控制固定的硬件设备完成众多加工功能,及时响应市场变化,但造价高、软件冗余大,只能进行单刀加工,生产效率较低。可重构制造系统企图综合上述两种制造系统的优点,为响应市场或不确定需求的突然变化,迅速调整出一个零件族内的生产能力和功能,为快速改变系统结构以及硬件和软件组件而构成一种可重构制造系统。这种系统硬件、软件均可重构,可进行多刀加工,系统造价适中,但硬件有冗余。由于可重构制造各级党组织充分利用资源,因此符合可持续制造策略。
1.1 可重构制造系统的体系结构及内涵
根据重构的力度不同,可以分别在企业级、车间级、生产资源级进行重构,面向先进制造的重构体系结构为图1所示。
在企业级,体现面向先进制造重构制造哲理的是虚拟企业、分散网络化制造、面向全球的制造等;在车间级,面向先进制造的重构分为制造系统的逻辑重构和制造系统的物理重构,根据需要,制造系统的逻辑重构可以是面向企业内部的重构,也可以是面向企业外部的重构,其典型系统是虚拟制造车间和虚拟制造单元,制造系统的物理重构通过在制造系统中增加、移走或重放机器以组成新的制造系统,其典型系统是快速重组制造系统;在生产资源级,面向先进制造的重构指可重构机床、可重构机器人、可重构传送带等,其中,可重构机床包括可重构模块化机床和可重构并联机床。
根据重构内容的不同,重构可分为组织重构、过程重构与优化、零件重构、设计重构、加工制造系统重构,信息集成平台重构,如图2所示。
组织重构分为面向企业间的重构和面向企业内部的重构。面向企业间的重构主要指虚拟企业、基于虚拟CIM全球制造;面向企业内部的重构主要指虚拟制造车间单元。
过程重构与优化属于并行工程的范畴,生产计划安排是过程重构与优化的一种形式。它通过再现由制造系统内改变工序顺序和零件路径等来实现生产计划的优化。
零件重构通过识别不同零件的共同加工需求来获得,其概念由可重构的零件和面向零件族的可重构工件组成。可重构零件是对一个零件族的设计和制造特征参数化的假设零件,通过重构这个假设零件参数,可以获得多种的零件;面向零件族的可重构工件是能够用于制造零件族内的任一零件的一个中间工件状态体。
设计重构是指在产品或零件设计阶段,需要按多种构型开发和管理产品或零件,以适应各种用户的需求。设计可重构性主要包括大规模定制生产、面向重构的设计和绿色设计。
加工制造系统重构主要指其物理重构,它主要涉及物料加工处理设备和系统的动态应变能力。其内涵包括3个方面:生产资源(如可重构机床、可重构机器人、可重构的材料传送系统等)是可重构的;制造系统设备布局是可重构的;与生产资源和设备布局的可重构性相对应,加工制造系统的控制器也是可重构的。
信息集成平台重构是制造系统可重构的前提之一,制造系统的可重构特征决定了信息集成平台必须是可重构的。信息集成平台允许应用程序模块方便地在面向异构分布环境的信息系统内“插入和拔出”,软件系统应该用模块化的方法设计以支持软件组件重用。
2 可重构制造系统的特征
可重构制造系统必须从一开始就设计成可重构的,并且必须使用能快速且可靠地集成的硬件和软件模块,否则,重构过程将既长又不切合实际。为实现这一目的,可重构制造系统必须具备以下几个关键特征:
(1)模块性(modularity)在一个可重构的制造系统里,所有主要部件(如结构件、轴、控制软件和刀具)都是模块,模块化技术是实现系统可重构的核心技术,在某种程度上系统可重构性的质量取决于模块设计的质量。如果有必要,各部件可以分别得到更换以满足新的要求,而不必改动整个生产系统。模块化思想使得整个系统易于维护并降低了成本,但是,如何划分模块,以及采用什么系统合成方法尚有待进一步的研究。
(2)集成性(integrability)设计机器和控制模块具有组元集成的接口,基于其组元的给定性能和软件模块与机器硬件模块的接口预测集成系统的性能。必须建立起一系列集成方法和原则,这些方法和原则应包括从整个生产系统到部分控制单元和机床,还要加强对系统布局和生产工艺流程的研究。
(3)定制性(customization)这种特征包括两个方面:定制柔性和定制控制。定制柔性意味围绕着正在被制造的零件族里的零件构造机器和只提供这些特定零件所需要的柔性,因此降低了成本;定制控制借助于开放体系结构技术集成控制组件,从而准确地提供所需要的控制功能。
(4)转换性(convertibility)在一个可重构制造系统中,可以利用已有的生产线来生产同一零件族中不同产品,同时,在改变生产品种时所需的变换时间要尽量短,变换内容包括刀具、零件加工程序、夹具等。这些都需要有先进的传感、检测系统以进行自动监控和标定。
(5)诊断性(diagnosability)由于可重构生产系统需要经常改变其布局格式,系统应具有重新布置好的系统进行相应的修正和微调的能务,以确保产品的质量。因此,可重构生产系统必须具备可诊断性。产品质量检测系统必须和整个系统有机地结合,这样可有助于快速找到影响质量的原因,并供助统计分析、信号处理和模式识别等技术来保证高质量产品。检测不合格的零件为减少RMS的斜升时间起到重要作用,这里,斜升时间指的是新建或重构制造系统运行开始后达到规划或设计规定的质量、运转时间和成本的过渡时间,它是制造系统重构可行性的一个重要性能测度指标。
可重构制造系统的以上这些特征决定了重构制造系统的难易程度和成本,具备这些关键特征的制造系统具有较高的可重构性。其中,模块性、集成性、诊断性可减少重构的时间和精力,定制性、转换性可减少重构的成本。
3 可重构制造过程的模型
制造过程是制造系统进行物料转换(变换)的过程,是为了生产产品将人、物料、能源、机器设备、情报信息与资金有机地组织起来,完成从原材料或半成品到最终产品或深加工产品的全部制造活动的集合。2002年,美国生产与库存控制学会APICS把制造过程定义为:实现物料从原材料或半成品到进一步完成状态(或最终产品)转换的一系列运作作业(工序)。制造过程可以按照过程组态(布置)、产品组态、制造单元组态或固定位置的布局进行排列,可以根据企业所利用的制造战略和库存位置规划制造过程,以支持大量生产与装配的订单生产或中小批量的生产。可以认为制造系统的制造过程是制造有形产品和提供无形软件与服务的活动集合,也是实现把材料、半成品、零配件、软件与知识转换成顾客满意的产品与服务的一个时间经历过程的集合。但是,传统的制造过程与可重构制造过程有质的区别,如图3与图4所示。图中Sk为制造系统的子系统、模块或子模块。从图中可知,可重构制造过程不仅具备传统制造过程的输入与输出特征,而且还表现出可变生产、多次重构的时变特征,根据顾客需求与生产过程重构的要求进行制造系统不定期的重构,使企业快速实现“多品种变批量”的灵捷制造。
4 可重构制造系统关键技术
4.1 系统建模
可重构制造系统要素随时间而变化的特征使得系统的生产调度与控制更加困难,为此必须建立全生命周期的、能够反映其内涵的动态随机模型,如可重构制造系统布局划与优化模型、物流系统优化设计模型和生产控制调度决策模型等。模型要考虑如下因素:①低的生产成本和重组成本;②短的设计建造时间和斜升时间;③充分利用已有资源;④在公共基础上达到物流量最优等。
在可重构制造系统建模方面,普遍采用基于变形结构面向对象Petri网和多Agent的建模方法。Petri网适合对异步并发系统建模,其性能特性如可达性、活性、死锁、有界性和安全性等有明显的工程意义,虽然存在维数灾,但扩展的Petri网仍能描述和分析可重构制造系统的许多问题。多Agent系统具有自治性、合作性和结构开放性的特点,且没有维数灾问题,很适合建立可重构制造系统系统级和企业级模型。
4.2 支持可重构的信息平台
可重构系统信息平台的开发应当采用模块化设计方法和软构件的思想,允许应用模块方便地在信息系统内“插入和拔出”。采用公用对象请求代理技术规范(CORBA)软总线技术能够实现“即插即用”的功能。系统层设计技术采用基于CORBA的JavaORB,可以把对象包装成CORBA对象,即把各个独立的单元通过CORBA封装成组件,使其具有统一的接口,便于组装和重用。客户端的应用通过桩向本地JavaORB发请求,服务器方根据客户端请求内容调用相关的构架或操作数据库中的实例,然后由指定的对象实现来完成请求。用户可以通过Web页面、超文本链接和搜索引擎等方式使用,结合分散式的组织形式和供应链,构成集成环境。
制造系统重构可视作任务的分解、资源的选取、封装和调度等问题。建立开放、柔性的多层次资源信息模型,要在已有系统基础上,用面向对歇脚方法和中文产品模型数据交换(STEP)标准进行分布式开发。
4.3 设备模块化与界面标准化
可重构设备是可重构制造系统实现的基础,包括可重构机床、机器人、夹具及物流设备等。正确合理的模块划化可简化设备结构,降低设备重构频率,提高模块间精度匹配,减少重构工作量,美化外观。同时,功能模块的标准化也便于组织专业化的大规模生产,实现企业间重构时的模块互换。界面标准化研究主要包括:机械、液压、润滑、冷却、电控接头等界面结合的精度、稳定性、可靠性、模块更换的快速性和方便性等。
4.4 可重构控制与故障诊断技术
开放式的控制系统是可重构制造系统的核心,将递阶控制的稳定性与协同控制的柔性结合的合并结构成为未来可重构控制器的首选结构。基于现场总线的分布式控制系统也许是目前最适宜设备层重构的控制系统。它以自主性控制单元的协作为基础的控制架构,易于集成不同厂商和不同类型的现场设备,为实现模块“即插即用”提供应用环境。
可重构制造过程是各种包含动态和静态的、离散的和连续的、确定的和随机的事件集合体,关于连续量控制器的研究已经十分成熟,目前研究主要集中在对离散的、随机的事件控制器的分析设计上。Park等就采用Petri网建模分析可重构制造系统的逻辑控制器。
在系统重组的斜升时间内,如何快速诊断出系统故障并及时调整,并在系统稳定运行期内,稳定设备工艺能力以及产品质量,成为影响可重构制造系统性能的瓶颈之一。实现快速诊断涉及映射理论、特征矩阵、智能神经网络、变流理论、模糊集、粗糙集等理论问题的应用。
5 可重构制造系统的可重构方法与评价指标
5.1 可重构方法
可重构制造系统的目的是当市场发生变化时,通过对整个系统(包括机器硬件和控制软件)的快速重构,做出迅速而又有竞争力的反应以适应新的市场需求。为了实现这一目的,要求可重构制造系统是一种模块化、可重用和可扩展的系统。这就是说,重构系统的硬件、软件应当是模块化的,具有相对独立的功能,可以按照不同的要求进行相应的重组;系统的应用软件能够在不同的环境,提供通用的控制功能,不同型号的底层加工设备在重构系统中实现即插即用;能够实现网上制造资源的重组及协同工作。
在实现系统的可重构时,可以通过以下方法达到系统的可重构目的:①保持原制造系统组成不变,通过改变系统的生产计划,即改变工序顺序和零件路径,实现系统的可重构;②对可重构机床进行重构,例如可通过增加主轴头和轴、改变刀库等方法来实现机床的可重构;③与可重构硬件相适应,对控制系统进行重构。如控制系统增加、替换、重用与可重构机床或机器等组成模块相应的控制功能,或集成新的控制功能到控制系统中。
5.2 评价指标
制造系统重构主要有3个目的,即调整制造系统的功能、产量和技术。为确保制造系统具有可重构性,新的制造系统设计从一开始就必须从可重构的角度出发。制造系统重构是一个满足一定约束条件实现最优的目标函数的过程,其约束条件为:生产节拍、可靠性与产量;已有资源的最大限度利用;公共地基上物流最优,布局合理。
制造系统重构是在公共地基上进行功能分配并调用相关资源实现该功能的一个“填空”过程,也就是功能一资源映射的过程。企业根据生产资源的属性和可重构制造系统的相关评价指标进行任务再分配以实现制造系统重构,尽可能扩大生产资源的利用率和利润。可重构制造系统重构性好坏可从以下几个方面进行评价:①低的生产成本和重组成本的综合值(cost):重组成本包含设备移位、调试、增添和重组停工损失等费用;②短的设计建造时间和斜升时间(time):它是制造系统重组可行性的一个重要性能测度指标。制造系统的重构时间必须满足生产的要求,否则,系统的重构就没有实际价值;③最大限度地利用已有工业的资源(resource):可重构制造系统的一个主要特点就是要最大限度地利用已有的生产资源;④在公共地基上达到物流最优(stream):描述产品和制造过程变换的流动原理称为变流理论,研究变流理论的目的在于及时检测、控制物流、使物流系统新建、重组后快速达到和保持系统运行性能的技术经济指标。
C、T、R、S是可重构制造系统重构性的评价指标。这4个评价指标是相互依存相互矛盾的,在进行制造系统重构设计时可以运用计算机技术和仿真技术全面考虑,在它们之间取得和谐的平衡。
6 结束语
面对不断变化的国际市场环境,制造系统必须具有快速响应能力。可重构制造模式是提高制造系统自身变化能力的一种制造哲理,它让人们以全面系统的观点看待制造系统的动态变化。在某种意义上,敏捷制造、整机制造和生物制造等理论都是在追求制造系统的自身变化能力。因此,可重构制造模式体现了制造系统生存与发展的核心能力。制造系统为了在整体上实现重构,其主要构成要素必须具有可重构性。当然,可重构制造系统理论与技术正处于发展阶段,还需要进一步研究支持制造系统进行重构的方法与技术。
摘要：为增强竞争的核心能力，未来的制造企业应该显著地改进产品和制造系统的设计能力；本文重点阐述了可重构制造系统(RMS)体系结构、内涵及特征，对传统的制造过程与可重构制造过程的区别进行了分析，并给出了二者的描述模型；指出可重构制造系统关键技术包括系统建模、支持可重构的信息平台、设备模块化与界面标准化、可重构控制与故障诊断技术等四个层面；在实现系统的可重构时，可重构制造系统是一种模块化、可重用和可扩展的；最后给出了评价指标。
关键词：可重构制造系统,模型,关键技术,评价指标
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星载环境下可重构技术分析 篇6
当今星上载荷工作系统发展迅速,系统规模日趋庞大,用户数量日趋增多,从而导致星上处理能力种类增多、计算量增加和工作可靠性要求更高。然而星载环境下不仅存在着高温、低温、超重、失重和真空放电等严酷环境,而且存在着各种空间辐射,环境条件苛刻,要求星上处理芯片具有较高的抗辐射特性。而抗辐射类芯片的制造和生产工艺要求极高,关键芯片难以生产制造,成为制约卫星处理能力的瓶颈。
1 器件防护技术比较
卫星运行在宇宙空间中,空间环境中的各种高能粒子穿过卫星内部功能电子器件时会辐射影响半导体电路,单粒子效应(SEE)是指单个的高能质子或重离子导致的微电子器件状态的改变,从而使卫星发生异常或故障的事件,主要包括单粒子翻转(SEU)、单粒子闩锁(SEL) 、单粒子栅击穿(SEGR)、单粒子烧毁(SEB) 、单粒子功能中断(SEFI) 、单粒子瞬态脉冲(SET) 、单粒子多位错(SEMBE) 和单粒子导致暗电流(SEIDC)等。按器件损伤程度可分为永久性故障和暂态故障2类。为了克服和消除单粒子效应造成的后果,采用了多种方法来进行器件防护保护抗辐射,例如屏蔽技术、加固技术、ROM防护技术、EDCA技术和三模冗余技术等。
1.1 EDAC 技术
EDAC技术是防止单粒子翻转的有效技术。常用的方法有奇偶校验码(只能检测错误,不能校正错误)、海明码(可检测2位错误,并校正一位错误)和RS 码(能够检测和校正数据结构中的多位和连续错误)。为了避免处理器系统RAM资源受到单粒子翻转的影响,可以采用纠错编码或纠错电路的方法来消除单粒子翻转对系统的影响。虽然加了纠错码的RAM消耗了更多的资源,但是当有翻转错误发生时,纠错码可有效地将这些错误检出并纠正,从而保证了系统的可靠性,其代价是冗余硬件资源和处理延时。
1.2 三模冗余技术
将重要数据存放在存储器内3个不同的物理区域位置,应用时从3处取出,按照3取2比对/刷新原则处理,也可以削除SEU 造成的瞬时错误。三模冗余技术实际上是一种全集的纠错编解码技术,与三一大数判决有异曲同工之处。其基本思想是:输入数据同时送入3个实现相同的功能的模块,将各个模块输出的数据送到1个多数表决器,进行3选2多数有效选举的判定,从而可以保证输出数据的正确。
1.3 擦洗的方法
FPGA在单片机或者自身内部程序控制下,定期对FPGA的片内RAM进行擦洗和重写入,以保证SRAM中的数据是正确的,从而消除单粒子翻转现象对系统影响。优点是无需额外的硬件逻辑资源,实现简单。缺点是无法对擦洗数据进行校验,不能判断是否发生过单粒子事件,且只能恢复暂态故障,不能消除永久故障。可以被看作是一种最简单和初期的器件重构技术。
2 可重构技术
可重构技术是一种通过编程配置的方法来改变可编程芯片的结构从而实现不同功能的技术,广义的可重构还包括软件领域的模块可重构技术和方法,此处仅指针对FPGA/CPLD的可重构技术。本质是借助可重构硬件,改变芯片内部的资源使用情况,从而进行不同的逻辑计算运行,进而完成各种不同的功能。
2.1 静态重构和动态重构
静态重构又称编译时(Compile-Time)重构,特点是每个任务都需要一个涵盖整个器件的配置文件。在开始执行目标任务前,要将这个配置文件编程到可重构逻辑器件的逻辑资源上。一旦开始执行,在目标任务的整个执行生命周期内,可重构逻辑器件上的配置文件将保持静态而不发生任何改变。
动态重构又称运行时(Run-Time)重构,特点是能够在目标任务运行的同时对可重构逻辑器件上的逻辑资源进行重构,而且在每次重构时配置文件的大小都远小于静态重构的配置文件大小,因此能有效减少重构的时间开销。
2.2 全局重构和局部重构
从重构的范围来说,重构可以分为全局重构和局部重构,早期重构系统多是基于可编程器件整体全部重新加载完成整体重构,而随着重构技术的发展现在重构技术更着重于局部重构,仅仅对功能电路需要更新的模块部分进行重构和升级。
2.3 基于模块的重构技术
基于模块的动态重构是现今快速发展的一种基于模块化的设计方法,即将电路按照逻辑功能划分成若干个单独的模块,这些模块可分为固定模块和可重构模块,模块之间通过总线宏进行连接,在系统模块调度算法的控制下,对可重构模块进行重配置改变其逻辑功能或者恢复原配置以克服由于单粒子事件带来的暂态故障。例如在一个星上数据理系统中,当其中的滤波器模块由于受到单粒子效应而出现暂态故障,此时可以用基于模块的动态重构的方法重新配置滤波器模块,恢复系统的正常工作。基于差异的动态重构是基于比较的设计方法,即FPGA重构后的配置与FPGA当前的配置中有比较少的部分需要修改(比如修改一个LUT、BRAM或者I/O等)的时候,只需要比较待重构前后的电路逻辑功能的差别,产生一个只包含电路差别的比特流(Bit-Stream)配置文件,因其比完整的比特流(Bit-Stream)配置文件小很多,所以下载非常迅速,下载后即可实现基于差异的动态重配置。
3 星载可重构系统
传统的电路设计方法一旦电路结构固定,则电路功能固定不可变,如果电路出现故障或者需要升级改造,则需要重新设计电路或更换电路板等器材。在星载应用环境中,工程应用迫切需要当某部分电路出现故障时,能够在地面进行远程故障诊断和故障维修,使设备能够继续正常工作。
3.1 星载可重构系统
星载可重构系统主要由可编程逻辑单元、存储单元和控制单元共同组成,如图1所示。宇航级处理器/CPLD接受地面远程配置管理,通过控制单元对多片EPROM构成的存储单元进行调度,动态加载重构可编程器件,从而使得整个系统具有远程升级、故障可修复和抗间辐射能力。
3.2 星载可重构流程
星载动态重构方法的优点是可以在星上总控单元的控制下,实时地检测错误并自主地修复错误或者接收地面控制系统的重构指令进行动态重构并修复错误,星载可重构流程如图2所示。
3.3 星载可重构特点
3.3.1 抗单粒子效应等空间辐射
当FPGA中的某个CLB发生故障后,采用动态重构的方法进行在线纠正,恢复系统的正常工作。如果出现SEB永久性故障损伤,就通过比对的办法检测出永久故障点并进行标识或标记,在地面进行时序面积约束重新编译设计,综合布局布线工具就禁止使用该块已经损坏的区域,这样生成的FPGA工作电路版图就不再包含该处已经损坏的逻辑块。
如图3所示,经过星地链路上传加载和重新配置,载荷设备经能够恢复正常工作,从而达到远程故障修复的目的。
3.3.2 能够远程故障维修、硬件升级
当星载设备出现未预期故障后,可以采用地面远程配置,更改其工作模式,升级硬件电路程序。如果物理接口保持一致,那么通过加载不同的工作电路算法,还可以工作在不同的协议状态之下,这样星载设备具备很强的向上/向下兼容性。
3.3.3 减小设备体积重量和复杂度
采用可编程器件设计实现可重构系统,包括处理器在内的大部分逻辑电路都可以FPGA来设计实现,这样减少了芯片器件的类型和用量,降低了设备载荷的重量,减少了芯片间的互联复杂度,增大了处理能力,提高了可靠性。
3.3.4 缩短研发周期延长工作寿命
一般来讲卫星的生产量非常小,传统的基于ASIC设计制造的星载系统研发周期长成本高灵活性差,基本属于不可重复利用资源。而基于FPGA的可重构系统其生产费用相对于前者有了很大程度地减低,同时也很大程度地缩短了研发周期,可以通过动态改变其内部配置满足多项功能需要,具有远程修复能力,进而延长系统工作寿命。
4 结束语
星载可重构技术主要采用FPGA来设计完成,相比传统器件方法技术具有成本低投入少的特点,降低单次研制投产高昂的材料费用、试验费用和人力费用。这项技术在星上交换、星上IMS服务器部署、星上数字调制解调和星上信号控制处理等领域广泛应用,能够对航空航天载荷系统的研究工作起到促进和提升。
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可重构分簇式分组密码处理架构 篇7
随着可重构技术研究的深入，面向分组密码处理的可重构架构日益增多。基于VLIW结构的处理架构有:可重构分簇式分组密码处理器RCBCP[1]、多Cluster结构的安全处理器SophSEC[2]、可重构分组密码芯片结构COBRA[3]等，基于VLIW结构的分组密码处理系统通过开发分组密码算法的指令级并行度，将可并行执行的指令组合成一条指令，在一个指令周期内完成，提高了分组密码算法的实现性能。但是上述结构每个时钟周期处理单元最多只能有一种运算逻辑工作，存在资源利用率低的问题。基于阵列结构的处理架构有:可重构密码处理结构RC-PA[4]、可重构层次互连密码处理结构RHCA[5]等，基于阵列结构的分组密码处理系统能够以较大的并行度和流水深度进行密码处理，但是阵列结构存在处理粒度小、互联资源多、布局布线复杂等问题，并且文献[4,5]提出的处理架构采用同构化设计，功能单元的利用率低下。
本文针对分组密码算法的处理特征，提取分组密码算法的共性逻辑，立足提高可重构功能单元的利用率，开发密码算法实现的并行性，提出了基于Crossbar互连的可重构分簇式密码处理架构RCCPA，完成了RCCPA的原型设计，并评估了分组密码算法在该结构上的映射及实现性能。
1 分组密码算法处理特征分析
分组密码大都基于相似的设计理论，如基于Feistel网结构或扩展Feistel网结构设计的DES、FEAL、Lucifer、LOKI、GOST、DFC、MARS及RC6等算法;基于SP网络结构设计的CRYP-TON、SAFER、AES及SERPENT等;基于不同代数群的混合运算来设计的IDEA、MMB等。基于相同或相似设计理论的分组密码有相似的处理结构、操作类型较大交集[5]。通过分析常见的分组密码算法，可以归纳出分组密码处理结构特点:
(1)计算粒度，分组密码算法的分组长度一般为64/128位，分组密码算法运算过程中的处理粒度一般为8～32位，并以32位的运算位宽较为常见，因此本文设计的可重构密码处理单元RCU的处理位宽为32 bit。
(2)并行处理，如图1所示，横向上分组密码算法大都是将数据分组拆分为字长数据，各个字并行处理。纵向上多个分组数据，在无反馈模式下，通过设置多个处理单元可以实现多个分组的流水操作;在反馈模式下，采用交替技术，也可以实现多个分组数据在多个处理单元上的流水操作。
(3)分支控制，分组密码算法的轮运算基本相同，算法各操作之间存在前后数据相关，但是分支较少、反馈较少，因此分组密码算法控制相对简单，适合流水执行。
(4)操作类型，各分组密码算法的操作类型交集较大，基本上由9类基本操作完成:基本逻辑运算、模加/减运算、固定移位操作、变量移位操作、S盒替代操作、置换操作、模乘运算、模乘逆运算、有限域GF(2n)上乘法运算等。
通过对DES、IDEA、AES候选算法等41种公开的分组密码算法加解密结构进行分析研究，可以得出分组密码算法9类基本操作在各算法中的应用情况如图2所示。
从图2可以看出，除模乘逆之外，其它基本操作在41中分组密码算法中所占比例都超过15%以上。根据统计分析结果，运用可重构设计思想，共设计了6种32 bit位宽的可重构密码处理单元RCU:S盒替代单元、32 bit移位单元、有限域GF(2n)上的矩阵乘法单元、算术乘法单元、算术模加/减单元、逻辑运算单元等，为了对SERPENT、CRYPTON等算法中出现的128 bit置换及IDEA中涉及的128 bit长移位提供支持，专门设计了2个超长位宽(128 bit)的处理单元:128 bit的置换单元和128 bit的移位单元。另外由同余定理和费马定理可知，模乘逆运算可以通过反复调用模乘操作得以实现，并且模乘逆运算应用较少，因此不再设计模乘逆运算单元。
2 可重构分簇式分组密码处理架构
分组密码算法适于分组(或分块数据)内并行、分组间并行或流水处理，并且具有分组(或分块数据)间数据交互少的特点，本文在分析分组密码算法特点、提取分组密码算法共性逻辑的基础上，提出了基于Crossbar互连的可重构分簇式密码处理架构RCCPA，并重点研究互连网络、寄存器堆、配置方式等问题。
2.1 总体架构设计
结合分组密码算法处理特点，本文提出的RCCPA架构如图3所示。架构采用分簇式设计，包含4个处理簇、配置单元、通用寄存器堆、子密钥寄存器堆、控制逻辑和I/O接口，每个处理簇包含有针对分组密码算法设计的8种可重构密码处理单元RCU，对于超长处理位宽(128 bit)的可重构处理单元:比特置换、长移位单元将其输入、输出信号分为4组32比特接入到4个处理簇中。处理簇内的RCU通过基于Crossbar互连的Level-1总线进行数据交互，任一RCU的输出可以接到任一RCU的输入上，不同簇间的数据交互通过Level-2总线完成。RCCPA可以根据密码处理的需要，灵活配置簇内、簇间的互连结构，在纵向和横向上组织各个RCU，组成不同的处理路径，充分适应密码处理的并行及流水特性，完成密码运算。
配置单元包括静态配置单元和动态配置单元两部分，其中静态配置主要完成各功能单元的功能配置，动态配置单元根据密码算法的处理流程动态重构互连网络，完成密码处理。通用寄存器用于存储密码处理过程中产生的输入/输出/临时数据，子密钥寄存器用于存储密码运算需要的子密钥数据、常数及IV向量。
在可重构分簇式密码处理架构RCCPA中，配置数据首先在控制单元的控制下分别存储于动态配置单元及静态配置单元中，控制单元根据静态配置单元中存储的配置信息完成可重构处理单元RCU的配置，完成静态配置后，RCCPA接收外部输入的数据进行子密钥生成或密码处理运算，此时控制单元根据动态配置单元的内容动态配置互连网络，控制处理数据的处理序列及输入、输出，并实时地将状态信息写入到标志寄存器中。此外控制单元还可对无需参与运算的RCU进行旁路处理，以减小系统时延提高性能。
2.2 互连网络设计
可重构密码处理器的内部连接网络是各个基本密码运算模块之间进行数据传输的通路。其功能和特性对可重构密码处理器的灵活性、适应性、扩展性、性能和规模具有至关重要的影响[6]。常用的内部连接网络主要包括:全互联网络、单总线网络、多总线网络等，相对于其它两种互联方式，全互联网络具有最大的网络宽度，并且采用Crossbar实现的全互联网络可以动态重构，灵活性高。较大的网络宽度和较强的灵活性，可以提升分组密码处理架构的处理性能和适应性。因此本文选用基于Crossbar的互连网络实现RCCPA中各功能的连接。但是全互联网络规模较大，当处理单元增多时，其网络规模增长较快。分组密码算法的功能单元数量不多，且分组(或分块数据)间数据信息交互较少，因此可以通过分簇、分级的方式设计互连网络，以减小互连网络的规模。本文基于以上分析设计了Level-1、Level-2两级互连结构，每个处理簇包含1个Level-1互连结构，用于簇内各个可重构处理单元RCU之间的互连。Level-2互连结构用于簇间的数据交互。
如图4所示簇内采用Level-1的全Crossbar互连实现簇内8个功能单元间的全连接，Level-1互连结构还将通用寄存器堆数据、输入寄存器数据接入到互连网络上，以实现上述数据到各RCU的连接。同时为了保证处理结果输出灵活性，Level-1互连结构专门设置了数据输出端口，使处理结果可以灵活地写入到通用寄存器堆、子密钥寄存器堆以及输出寄存器堆。Level互连结构的位宽设置与各RCU的处理位宽一致均为32 bit。
为实现4个处理簇之间的数据交互，在RCCPA中设置了Level-2互连结构，在每个处理簇中设置了6个输入端口、6个输出端口，每个端口的位宽为32 bit，分别用于接收其它3个BANK的运算结果或将当前BANK的运算结果发送到其他BANK，其互连结构如图5所示。
通过动态重构互连网络可以将各BANK中的RCU配置成处理分组密码运算的数据路径，图6给出了一种配置方式下形成的数据路径:数据输入->RCU6->RCU1->RCU0->RCU2->结果输出。数据路径中多个RCU协同工作，形成多级流水线，可以同时处理多个密码分组，提高了RCU资源利用率。同时通过Level-2总线互连，还可以将数据路径动态地重构成4个32 bit簇、2个64 bit簇和1个128 bit簇，满足了分组密码处理灵活性的要求。
2.3 分簇式寄存器堆设计
分组密码处理过程中存储的数据大致可分为三类:S盒查找表数据、子密钥数据、输入/输出/临时数据，S盒查找表数据存储在功能单元内部设置的存储器中，与寄存器结构无关。另外两类数据有着不同的用途、使用特点[7]:子密钥一般数据量较多，占用较大的存储空间，但在加解密处理过程中保持不变，只有在主密钥变更时，才会由密钥扩展程序重新计算生成;输入、输出和计算过程中临时数据的存储容量需求不大，但其中某些数据需要频繁的改变。为此设计了两个寄存器堆:子密钥寄存器堆和通用寄存器堆，实现对两类不同数据的存储，寄存器堆采用分簇式设计，其整体结构如图7所示。
通用寄存器堆采用4个独立的寄存器堆实现:GPR_A、GPR_B、GPR_C、GPR_D，每个通用寄存器堆包括1个任意写端口和1个任意读端口，通用寄存器堆GPR_A只能由BANKA直接读写，相应的GPR_B、GPR_C、GPR_D只能由对应的BANKB、BANKC、BANKD直接读写。由于互连结构提供了簇间交互机制，当BANK需要使用其他BANK对应的寄存器数据时，可以通过Level-2互连总线进行读取。根据相同原理设计了子密钥寄存器堆，其读写机制与通用寄存器堆类似，只是面向的功能应用不同，存储空间不同。
RCCPA设计的4个密钥寄存器堆的容量为:128×32，通用寄存器堆的容量为:64×32 bit。通用寄存器堆与密钥寄存器堆的整体结构如下图8所示。通用寄存器堆的输出直接接入到各BANK的互连网络上，每个BANK通过互连网络可直接对本BANK所对应的通用寄存器堆进行读写操作，系统可以通过Level-2总线间接读写其它BANK所对应的通用寄存器。子密钥寄存器堆的设计思想与通用寄存器堆类似，只是子密钥寄存器堆的输出直接接入BANK的功能单元上。
2.4 配置方式研究与设计
采用静态配置与动态配置相结合的方式完成RCCPA中可重构密码处理单元RCU与互连网络的配置，RCU的配置采用静态配置，互连网络的配置采用动态配置。RCCPA中RCU所需要的配置信息存储于RCU的专用配置寄存器中，当需要执行某个配置时，控制单元通过静态配置的方式将配置信息写入到RCU相应的专用配置寄存器中。互连网络的配置信息存储于配置信息存储器中，在算法执行的每一个时钟周期，控制单元将配置信息动态译码输入到相应的互连网络的控制端，组织成不同的数据通路。动态配置互连网络的方式有效减少了配置指令的长度，降低了译码的复杂性，同时保持了较高的编程深度和重构灵活性。
RCCPA在控制单元的控制下完成分组密码处理，控制单元通过状态机实现。RCCPA架构的控制单元各状态之间的转换如图9所示，共包括6种状态:Idle、Config_in、S_config、Wait、Key_gen、Cip_pro。控制单元各状态的具体含义及转换条件如表1所示。
3 原型验证与性能分析
以分组长度和密钥长度都是128位、圈数为10的AES算法为例，说明分组密码算法在RCCPA上的映射。AES由三部分组成:初始圈密钥加法，圈变换和末尾圈变换。初始圈密钥加法是将输入的明密文与初始子密钥进行异或。算法中除了末尾圈变换省略列混合变换外，每圈变换包含字节代替变换、行移位变换、列混合变换和圈密钥加法，因此将4种可重构处理单元RCU:S盒替代单元、置换单元、有限域GF(2n)上的矩阵乘法单元、逻辑运算单元组成数据路径。由于RCU与互连网络输出都含有一级寄存器，因此共可流水处理8个数据分组，AES算法在RCCPA上的映射如图10所示。
为验证设计的正确性，使用NC-Verilog对可重构分簇式密码处理架构RCCPA进行了仿真测试。使用Synopsys公司的Design Complier for Solaris工具，采用0.13μm CMOS工艺标准单元库及相应负载模型和RAM硬核对RCCPA进行逻辑综合，综合结果如表2所示。
经算法适配验证，RCCPA可灵活适配Feistel网结构或扩展Feistel网结构、SP网络结构、代数群混合结构的常用算法。为了对比RCCPA的实现性能，选择不同结构、不同位宽的AES、DES、IDEA算法的实现性能，与其它可重构分组密码处理器进行了对比，性能对比结果如表3所示。
单位:Mbps
RCBCP[[11]]是一款采用VLIW结构设计的具有4路并行的可重构分簇式密码处理器，Crypto-nite[8]采用两路并行的RISC结构，每路RISC处理位宽为64 bit,RCPA[4]是基于阵列结构的可重构密码处理架构。通过适配多种分组密码算法及表4对比结果可以得出，RCCPA结构可以灵活适配分组密码算法，并且对不同设计结构、不同处理位宽、不同操作位宽的分组密码算法均有较高的处理性能，与其它专用可重构密码处理结构相比处理性能提高了2.5～11.3倍。
4 结语
本文在分析分组密码算法处理特征的基础上，立足于提高可重构处理单元RCU的利用率，设计了基于Crossbar互连的可重构分簇式密码处理架构RCCPA，通过动态重构互连网络的方式，可将数据路径动态地重构成4个32 bit簇、2个64 bit簇和1个128 bit簇，并可将可重构处理单元RCU组织成多级流水的处理路径，满足了分组密码处理灵活性的要求。基于分簇式的处理架构，降低了互连网络、寄存器堆设计的复杂性。静态重构与动态重构相结合的配置方式，提高了分组密码适配的灵活性，降低了配置译码的复杂性。与其他可重构分组密码处理架构相比，RCCPA具有更大的灵活性、更高的资源利用率和更强的处理性能。
摘要：针对现有可重构分组密码系统资源利用率低的问题,在分析分组密码算法处理特征的基础上,提出基于Crossbar互连的可重构分簇式分组密码处理架构RCCPA(Reconfigurable Clustered Cipher Processing Architecture),研究了RCCPA的互连网络、分簇式寄存器堆及配置方式。RCCPA通过重构互连网络可将各处理簇动态地重构成4个32 bit簇、2个64 bit簇和1个128 bit簇,并可将可重构处理单元RCU(Reconfigurable Cipher Processing Unit)组织成多级流水的处理路径,满足了分组密码处理灵活性的要求,提高了RCU的利用率。采用RCCPA实现AES/DES/IDEA的处理性能分别达到了2 867.2 Mbps、1 442.6 Mbps、1 462.4 Mbps。
关键词：密码处理,可重构,分组密码,Crossbar,分簇式
参考文献
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