Система контроля и диагностики электронных устройств. Техническая диагностика цифровых систем неплановый средний ремонт системы

Широкое применение радиоэлектронных устройств для цифровой обработки сигналов обуславливает повышенный интерес к вопросам диагностирования их технического состояния. Одной из разновидностей диагностирования цифровых узлов и блоков является тестовое диагностирование, применение которого на этапе проектирования и изготовления цифровых узлов позволяет определить правильность их функционирования и осуществить процедуру поиска неисправностей.

Существо тестового контроля составляет тестовый сигнал, подаваемый на цифровое устройство и вызывающий такую реакцию ЦУ, которая свидетельствует о его работоспособности.

Тест – совокупность тестовых сигналов.

Тестовая программа – упорядоченная последовательность тестов.

Существует два подхода к созданию тестовой программы, в соответствии с этим различают два вида контроля:

1) функциональный – в качестве исходной информации для построения тестовой программы используется алгоритм функционирования цифрового устройства, т.е. решение контрольной задачи. Он не позволяет выявить значительную часть возможных неисправностей при отсутствии информации о причинах и характере возможных неисправностей, при повышенной сложности контролируемой системы или низких требований к полноте контроля.

2). Структурный – в процессе разработки тестовой программы используются данные о структуре ЦУ и характере возможных неисправностей. Он обеспечивает достаточно полную проверку работоспособности ЦУ. Однако для сложных цифровых устройств методы структурного контроля малоэффективны из-за большого числа элементов схемы и отсутствия адекватных моделей неисправностей, характерных для сложных ЦУ.

Чтобы показать проблемы тестирования более наглядно, определим время, необходимое для тестирования типичной микросхемы (МПК580).

Необходимое число возможных тест-комбинаций в общем случае определяется как С=2 nm , где n-длина слова данных в битах (n=8), m-число команд в системе команд МП (m=76). Тогда С=2 8*76 =2 608 =10 183 . Это общее число тест-комбинаций. Пусть каждый тест длится 1мкс. Тогда на проведение всех тестов потребуется время тестирования t=10 177 c. В 365-дневном году содержится 3,15*10 7 с. Поэтому выполнение всех тестов закончится через 0,3*10 170 лет. Для сравнения возраст земли составляет 4,7*10 9 лет.

В зависимости от детализации объекта контроля при разработке тестовой программы различают системный и модульный методы контроля

1). Системный – ЦУ рассматривается как единое целое, для которой разрабатывается тестовая программа.

2). Модульный контроль - ЦУ рассматривается как совокупность отдельных функциональных узлов (модулей) , для каждого из которых составляется своя тестовая программа. Затем эти программы объединяются в программу проверки всей системы. Как при системном, так и при модульном подходах к построению тестовых программ могут использоваться и функциональные и структурные методы.

При разработке тестовой диагностики возникает сложность в определении эталонных реакций при тестировании существующих схем, в определении оптимального числа контрольных точек для снятия выходной реакции диагностируемой цифровой схемы. Это можно сделать либо создавая прототип разрабатываемого цифрового устройства и проводя его диагностику аппаратурными методами, либо осуществляя моделирование на ЭВМ как цифрового устройства, так и процесса диагностики. Наиболее рациональным является второй подход, который предполагает создание автоматизированных систем диагностики, позволяющих производить диагностику цифровых схем на стадии проектирования и способных решать следующие задачи:

1. Производить логическое моделирование цифровых схем с помощью ЭВМ. Цель логического моделирования состоит в том, чтобы выполнить функцию проектируемой схемы без её физической реализации. Для того чтобы проверить состояния сигналов в схеме, необходимо точно описать задержки срабатывания всех элементов в условиях синхронизации. Если, например, осуществляется проверка только значений логической функции на выходе схемы, то достаточно представить схему на уровне логических элементов.

2. Моделирование неисправностей. Задача обнаружения неисправностей в цифровых схемах состоит в том, чтобы определить, обладает ли цифровая схема требуемым поведением. Для решения этой задачи необходимо, прежде всего, установить модель цифровой схемы как объекта контроля, затем метод обнаружения неисправностей и, наконец, модель неисправностей. С точки зрения особенностей поведения цифровых схем их можно разделить на комбинационные и последовательностные. В отношении обнаружения неисправностей комбинационные схемы являются сравнительно простой моделью. Последовательностные схемы в отношении поведения характеризуются наличием внутренних контуров обратной связи, поэтому обнаружение неисправностей в них в общем случае чрезвычайно затруднено.

Моделирование процесса тестовой диагностики. Классическая стратегия тестирования цифровых схем основана на формировании тестовых последовательностей, позволяющих обнаруживать заданные множества неисправностей. При этом для проведения процедуры тестирования, как правило, хранятся как сами тестовые последовательности, так и эталонные выходные реакции схем на их воздействие. В процессе самой процедуры тестирования на основании результатов сравнения реальных выходных реакций с эталонными принимается решение о состоянии проверяемой схемы. При соответствии полученных реакций схемы эталонным она считается исправной, в противном случае схема содержит неисправность и находится в неисправном состоянии.

Для ряда выпускаемых в настоящее время схем классический подход требует значительных временных затрат как на формирование тестовых последовательностей, так и на процедуру тестирования. Кроме того, большие объемы тестовой информации и эталонных выходных реакций предполагают наличие сложного оборудования для проведения тестового эксперимента. В связи с этим стоимость и время, необходимое для реализации классического подхода, растут быстрее, чем сложность цифровых схем, для которых он используется.

Поэтому предлагаются новые решения, позволяющие значительно упростить как процедуру построения тестовых последовательностей, так и проведение тестового эксперимента. В общем случае реализация предложенных методов представлена схемой на рис.1.

ГТВ – генератор тестовых воздействий (генератор М - последовательности);

ЦС – цифровая схема;

Блок эталонных реакций – блок, хранящий сжатые выходные реакции;

Логическая взаимосвязь функциональных блоков построена следующим образом: с генератора тестовых воздействий через цифровую схему сигналы поступают на схему сжатия информации. Сжатые выходные реакции попадают на схему сравнения, где они сравниваются с эталонами, которые хранятся в блоке эталонных реакций. Далее информация попадает в устройство вывода информации о состоянии схемы.

При компактном тестировании для реализации тестовой последовательности используются простейшие методы, позволяющие избежать сложной процедуры синтеза. К ним относятся следующие алгоритмы синтеза:

1. Формирование всевозможных входных тестовых наборов, т.е. полного перебора двоичных комбинаций. В результате применения подобного алгоритма генерируется так называемые счетчиковые последовательности.

2. Формирование случайных тестовых наборов с требуемыми вероятностями появления единичного и нулевого символов по каждому входу ЦС.

3. Формирование псевдослучайных последовательностей.

Основным свойством этих алгоритмов является то, что в результате их применения воспроизводятся последовательности очень большой длины. Поэтому на выходах проверяемой ЦС формируются ее реакции, имеющие ту же длину. При этом если для генераторов тестовых последовательностей, формирующих счетчиковые, случайные и псевдослучайные последовательности не существует проблемы их запоминания и хранения, то для выходных реакций каждой схемы такая проблема имеет место. Простейшим решением, позволяющим значительно сократить объем хранимой информации об эталонных выходных реакциях, является получение интегральных оценок, имеющую меньшую размерность. Для этого используются алгоритмы сжатия. В результате их применения формируются компактные оценки сжимаемой информации. Эти оценки часто называют контрольными суммами, ключевыми словами, синдромами или сигнатурами соответствующих полюсов цифровой схемы, для которых используется один из алгоритмов сжатия информации. Таким образом, под компактным тестированием принято понимать такое тестирование, при котором генерирование тестов и анализ ответов осуществляется компактными алгоритмами. Системы компактного тестирования используются для представления информации в сжатой форме.

В связи с созданием сложных цифровых систем на базе интегральных микросхем большое внимание в последнее время уделяется разработке новых методов встроенного тестирования, т.е. определение процедуры диагностики как одной из функций цифровой системы. В настоящее время потребность в экономичных системах тестирования усиливается повышением степени интеграции элементной базы вычислительной техники. В связи с этим имеет место тенденция снижения аппаратурной сложности диагностических средств.

Наиболее изученным классом компактных систем тестирования являются разомкнутые системы, в которых генератор тестов (ГТ), объект тестирования (ОТ), анализатор ответов (АО) соединены последовательно (рис.2а). Дальнейшее снижение аппаратурной сложности достигается в классе замкнутых систем, где генератор, объект, анализатор образуют замкнутый контур (рис.2б).

Особенности замкнутых систем обусловлены эффектом "размножения" дефекта по контуру, усиливающим обнаруживающие способности.

Рис. 2. Разомкнутая (а) и замкнутая (б) системы тестирования.

Замкнутость компактных систем тестирования в значительной мере способствует разрешению противоречия, обусловленного отставанием характеристик старых средств тестирования от характеристик вновь создаваемого объекта. Поскольку в процессе функционирования встроенных средств таких систем отсутствуют обращения к запоминающим устройствам и сравнения фактических ответов с эталонными, то возможно проведение проверок на высокой рабочей частоте объекта.

С развитием замкнутых систем тестирования связано появление системы кольцевого тестирования. В кольцевых системах функции генератора и анализатора совмещаются в пространстве и во времени, топология структуры имеет форму кольца, модели систем описываются в алгебре кольца многочленов и кольцевыми (циклическими) графами, что породило термин кольцевое тестирование (в дальнейшем КТ). В процессе проверки исправная система проходит свои состояния по циклическому маршруту. Поэтому заключение об исправности объекта делается на основании сравнения начального и конечного состояний системы.

1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ
1.1. Жизненный цикл цифровой системы
Цифровые устройства и системы, как и другие технические системы, создаются для удовлетворения конкретных потребностей людей и общества. Объективно цифровой системе присущи иерархичность структуры, связь с внешней средой, взаимосвязь элементов, из которых состоят подсистемы, наличие управляющих и исполнительных органов и т.п.
При этом все изменения цифровой системы, начиная с момента ее создания (возникновения необходимости ее создания) и кончая полной утилизацией, образуют жизненный цикл (ЖЦ), характеризуемый рядом процессов и включающий различные стадии и этапы . В таблице 1.1 приведен типовой жизненный цикл цифровой системы.
Жизненный цикл цифровой системы – это совокупность исследования, разработки, изготовления, обращения, эксплуатации и утилизации системы от начала исследования возможностей ее создания до окончания использования по назначению.
Составляющими жизненного цикла являются:
- стадия исследования и проектирования цифровых систем, на которой осуществляются исследования и отработка замысла, формирование уровня качества, соответствующего достижениям научно- технического прогресса, разработка проектной и рабочей документации, изготовление и испытание опытного образца, разработка рабочей конструкторской документации;
- стадия изготовления цифровых систем, включающая: технологическую подготовку производства; становление производства; подготовку изделий к транспортировке и хранению;
- стадия обращения изделий, на которой организуется максимальное сохранение качества готовой продукции в период транспортировки и хранения;
- стадия эксплуатации, на которой реализуется, поддерживается и восстанавливается качество системы, оно включает: целевое использование, в соответствии с назначением; техническое обслуживание; ремонт и восстановление после отказа.
На рис. 1.1 приведено типовое распределение стадий и этапов жизненного цикла, цифровой системы. Мы будем рассматривать задачи, возникающие на стадии жизненного цикла, связанном эксплуатацией цифровых систем. Итак, эксплуатация системы - стадия жизненного цикла, на которой реализуется (функциональное использование), поддер­живается (техническое обслуживание) и восстанавливается (техническое обслуживание и ремонт) её качество.
Часть эксплуатации, включающая транспортирование, хранение, техническое обслуживание и ремонт, называют технической эксплуатацией.
Таблица 1.1
Стадии жизненного цикла цифровой системы

Поисковые исследования
Научно исследовательские работы (НИР)
Опытно-конструкторские разработки (ОКР)
Промышленное производство
Эксплуатация
1. Постановка научной проблемы
2. Анализ публикаций по исследуемой проблеме
3. Теоретические исследования и разработка научных концепций (исследовательский задел)
1. Разработка технического задания на НИР
2. Формализация технической идеи
3. Исследование рынка
4. Технико- экономическое обоснование
1. Разработка технического задания на ОКР
2. Разработка эскизного проекта
3. Изготовление макетов
4. Разработка технического проекта
5. Создание рабочего проекта
6. Изготовление опытных образцов, их испытание
7. Корректировка конструкторский документации (КД) по результатом
изготовления и испытания опытных образцов
8. Техническая подготовка, производства
1. Изготовление и испытание установочной серии
2. Корректировка конструкторский документации (КД) по результатам
изготовления и испытания установочной серии
3. Серийное производство
1. Приработка

2. Нормальная эксплуатация

3. Старение
4. Ремонт или утилизация
1.2.Основные задачи теории технической эксплуатации цифровых систем
Классификация основных задач технической эксплуатации цифровых систем приведена на рис. 1.2 . Теория технической эксплуатации систем рассматривает математические модели деградационных процессов в работе систем, старения и износа узлов, методы расчета и оценки надежного функционирования систем, теорию диагностирования и прогнозирования отказов и неисправностей в системах, теорию оптимальных профилактических мероприятий, теорию восстановления и методы увеличения технического ресурса систем и т. д. В связи с тем, что эти процессы в основном стохастические, с целью разработки их математической модели применяют аналитические методы теории случайных процессов и теории массового обслуживания. В настоящее время для этих же целей успешно применяются статистическая теория принятия решений и статистическая теория распознавания образов.

Использование новых направлений математической теории случайных процессов в разработке моделей процессов технической эксплуатации систем позволяет значительно расширить наши познания и успешно управлять процессами для повышения эффективности функционирования и улучшения работоспособности достаточно сложных цифровых систем.
Поэтому на первом этапе исследования осуществляется решение следующих задач: оптимальное управление эксплуатационными процессами, разработка оптимальных моделей эксплуатации цифровых систем, составление оптимальных планов организации техобслуживания, выбор оптимальных профилактических процедур, разработка методов эффективной технической диагностики и прогнозирование технического состояния систем.
Как указано в , основная задача теории эксплуатации состоит в научном прогнозировании состояний сложных систем или технических устройств и выработке с помощью специальных моделей и математических методов анализа и синтеза этих моделей рекомендаций по организации их эксплуатации. Следует отметить, что при решении основной задачи эксплуатации используется вероятностно-статистический подход к прогнозированию и управлению состояниями сложных систем и моделированию эксплуатационных процессов. Поэтому теория эксплуатации цифровых систем в данный период быстро формируется и усиленно развивается.
Техническая эксплуатация цифровых систем сводится к оптимизации деятельности человеко-машинных систем и процедур управляющих воздействий человека на функционирование систем. Поэтому режимы эксплуатации цифровых систем (рис. 1.2) можно различать в зависимости от отношений человеко-машинной системы: предэксплуатационные режимы систем, эксплуатационные режимы систем, режимы технического обслуживания и режимы ремонта систем. Режимы различаются определенными этапами и фазами, типом процедур управляющих воздействий техперсонала на функционирование систем.
Режимы эксплуатации зависят в основном от качества элементной базы систем, степени использования микропроцессорной техники в составе аппаратуры, комплекса контрольно- измерительной аппаратуры, степени обучения техперсонала, а также других обстоятельств, связанных с обеспечением запасными элементами систем. Кроме того, режимы эксплуатации обусловлены основными требованиями, предъявляемыми цифровым системам: верностью передачи информации, временем задержки в доставке информации, надежностью доставки информации.
Эксплуатация систем - это процесс их использования по назначению при поддержании систем в технически исправном состоянии, который состоит из цепочки различных последовательных и планомерных мероприятий: техобслуживания, профилактики, контроля, ремонта и т. д.
Техобслуживание систем (рис. 1.2) характеризуют три основных этапа: профилактическое обслуживание, контроль и оценка технического состояния, организация техобслуживания. Определить степень влияния отдельных этапов техобслуживания на надежность систем весьма затруднительно, но известно, что они оказывают существенное влияние на качество и надежность функционирования систем.
Контроль и оценка технического состояния систем производится контролем за качеством функционирования узлов систем, методами технической диагностики отказов и неисправностей, а также реализацией алгоритмов прогнозирования отказов в системах.
1.3.Общие принципы построения системы технической эксплуатации
Общая задача системы технической эксплуатации (СТЭ) состоит в обеспечении бесперебойного функционирования цифровых систем, поэтому основным направлением развития СТЭ является автоматизация важнейших технологических процессов эксплуатации . Функциональной задачей технической эксплуатации является выработка управляющих воздействий, компенсирующих влияние внешней и внутренней сред с целью поддержания заданного технического состояния цифровых систем. Эта общая функция делится на две: общую эксплуатацию - управление состоянием внешней среды и техническую эксплуатацию - управление состоянием внутренней среды. При этом управление состоянием внутренней среды заключается в управлении ее техническим состоянием.

Рис. 1.3. Структурная схема автоматизированной системы технической эксплуатации: ПНРМ - подсистема пусконаладочных и ремонтных работ; СТХ - подсистема снабжения, транспортирования и хранения; СОИСТЭ - подсистема сбора и обработки информации СТЭ; ТТД - подсистема тестового технического диагностирования; ЭОСТЭ - подсистема эргономического обеспечения СТЭ; УСТЭ - подсистема управления СТЭ.
АСТЭ состоит из двух подсистем: подсистемы технической эксплуатации при подготовке и использовании цифровых систем (ТЭПИ) и подсистемы технической эксплуатации при использовании цифровых систем по назначению (ТЭИН). Каждая из этих подсистем содержит ряд элементов, основные из которых показаны на рис. 1.3. Более подробно функции подсистем приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2

Подсистема Основные функции ПНРМ
Организация пусконаладочных работ вновь вводимых цифровых систем, а также текущего, среднего и

капитального ремонтов

СТХ
Размещение и пополнение ЗИП, баз снабжения и заводов изготовителей ЗИП, транспортирование и хранение ЗИП

СОИСТЭ
Планирование использования цифровых систем и ведение эксплуатационной документации, сбор и обработка эксплуатационных данных, разработка рекомендаций по совершенствованию СТЭ

ТТД
Определение технического состояния, обнаружение дефекта с заданной глубиной, взаимодействие с подсистемой функционального технического диагностирования (ФТД)

ЭОСТЭ
Выполнение части функций ТТД, требующих участия человека, обеспечение двухсторонней связи в системе «человек - машина», участие в проведении текущего ремонта, выполняемого без прекращения функционирования

УСТЭ
Определение очередности выполнения задач ТТД, ЭОСТЭ для конкретных условий, управление процессом восстановления, обработка результатов выполнения задач ТТД и ЭОСТЭ, организация взаимодействия с другими элементами цифровых систем

Наличие СТЭ позволяет значительно уменьшить время обнаружения неисправностей в цифровых системах и на основе контрольной информации о состоянии систем предупреждать появление простоев в ее работе. С этой целью организуются центры технической эксплуатации цифровых систем, которые осуществляют функции, указанные на рис. 1.4.

В современных цифровых системах распространен статистический метод обслуживания, который заключается в том, что ремонтно- восстановительные работы начинаются после того, как качество функционирования достигло критического значения. Если при контроле за состоянием элементов систем появляются признаки снижения качества функционирования, то они отключаются от сети для восстановления работоспособности.

Контроль функционирования цифровых систем осуществляется по совокупности параметров, характеризующих их работоспособность.

Контроль функционирования цифровых систем осуществляется по следующим характеристикам; верности передачи сообщений; времени передачи сообщений; вероятности своевременной доставки сообщений; среднему времени доставки сообщений и др. Общая схема функционального контроля показана на рис.1.5.

Рис. 1.4. Основные функции центра технической эксплуатации

Рис.1.5. Алгоритм системы функциональной диагностики цифровой системы

2. ОСНОВЫ КОНТРОЛЯ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

2.1. Основные понятия и определения

Одним из наиболее эффективных способов улучшения эксплуатационно-технических характеристик цифровых систем, занявших доминирующее положение в современных телекоммуникационных системах является использование при их эксплуатации методов и средств контроля и технической диагностики.

Техническая диагностика представляет собой область знаний, позволяющая с заданной достоверностью разделять неисправное и исправное состояния систем и цель ее состоит в локализации неисправностей и в восстановлении исправного состояния системы. С точки зрения системного подхода средства контроля и технической диагностики целесообразно рассматривать как составную часть подсистемы технического обслуживания и ремонта, т.е системы технической эксплуатации.

Рассмотрим основные понятия и определения, применяемые для описания и характеристики методов контроля и диагностики .

Техническое обслуживание - это комплекс работ (операций) для поддержания системы в исправном или работоспособном состоянии.

Ремонт - комплекс операций по восстановлению работоспособности и восстановлению ресурсов системы или ее составных частей.

Ремонтопригодность - свойство системы, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения ее отказов и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта.

В зависимости от сложности и объема работ, характера неисправностей предусматриваются два вида ремонта цифровых систем:

Неплановый текущий ремонт системы;

Неплановый средний ремонт системы.

Текущий ремонт - ремонт, выполняемый для обеспечения или восстановления работоспособности системы и состоящий в замене или восстановлении ее отдельных частей.

Средний ремонт - ремонт, выполняемый для восстановления исправности и частичного восстановления ресурса с заменой или восстановлением составных частей ограниченной номенклатуры и контролем технического состояния составных частей, выполняемом в объеме, установленном нормативно- технической документацией.

Одним из важных понятий в технической диагностике является

техническое состояние объекта.

Техническое состояние - совокупность подверженных изменению в процессе производства или эксплуатации свойств объекта, характеризуемая в определенный момент признаками, установленными нормативно-технической документацией.

Контроль технического состояния - определение вида технического состояния.

Вид технического состояния - совокупность технических состояний, удовлетворяющих (или неудовлетворяющих) требованиям, определяющим исправность, работоспособность или правильность функционирования объекта.

Различают следующие виды состояния объекта:

Исправное или неисправное состояние,

Работоспособное или неработоспособное состояния,

Полное или частичное функционирование.

Исправное - техническое состояние, при котором объект соответствует всем установленным требованиям.

Неисправное - техническое состояние, при котором объект не соответствует хотя бы одному из установленных требований нормативных характеристик.

Работоспособное - техническое состояние, при котором объект способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в установленных пределах.

Неработоспособное - техническое состояние, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность объекта выполнять заданные функции, несоответствует установленным требованиям.

Правильное функционирование - техническое состояние, при котором объект выполняет все те регламентированные функции, которые требуются в текущий момент времени, сохраняя значения заданных параметров их выполнения в установленных пределах.

Неправильное функционирование - техническое состояние, при котором объект не выполняет части регламентированных функций, требуемых в текущий момент времени или не сохраняет значения заданных параметров их выполнения в установленных пределах.

Из определений технических состояний объекта следует, что в состоянии исправности объект всегда работоспособен, в состоянии работоспособности правильно функционирует во всех режимах, а в состоянии неправильное функционирование- неработоспособен и неисправен. Правильно функционирующий объект может быть неработоспособным, а значит, неисправным. Работоспособный объект может быть также неисправным.

Рассмотрим некоторые определения, связанные с понятием контролепригодности и техническим диагностированием.

Контролепригодность - свойство объекта, характеризующее его приспособленность к проведению контроля заданными средствами.

Показатель контролепригодности - количественная характеристика контролепригодности.

Уровень контролепригодности - относительная характеристика контролепригодности, основанная на сравнении совокупности показателей контролепригодности оцениваемого объекта с соответствующей совокупностью базовых показателей.

Техническое диагностирование - процесс определения технического состояния объекта с определенной точностью.

Поиск дефекта - диагностирование, целью которого является определение места и, при необходимости, причины и вида дефекта.

Тест диагностирования - одно или несколько тестовых воздействий и последовательность их выполнения, обеспечивающие диагностирование.

Проверяющий тест - тест диагностирования для проверки исправности или работоспособности объекта.

Тест поиска дефекта - тест диагностирования для поиска дефекта.

Система технического диагностирования - совокупность средств и объекта диагностирования и, при необходимости, исполнителей, подготовленная к диагностированию или осуществляющая его по правилам, установленным соответствующей документацией.

Результатом диагностирования является заключение о техническом состоянии объекта с указанием, при необходимости, места, вида и причины дефекта. Число состояний, которые необходимо различить в результате диагностирования, определяется глубиной поиска неисправности.

Глубина поиска неисправности - степень детализации при техническом диагностировании, указывающая до какой составной части объекта определяется место неисправности.

2.2. Задачи и классификация систем технической диагностики

Все более возрастающие требования к надежности цифровых систем вызывают необходимость создания и внедрения современных методов и технических средств контроля и диагностики для различных стадий жизненного цикла. Как отмечалось ранее переход к широкому применению БИС, СБИС и МПК в цифровых системах создал вместе с бесспорными преимуществами и ряд серьезных проблем в их эксплуатационном обслуживании, связанных в первую очередь с процессами контроля и диагностики. Известно, что затраты на поиск и устранение неисправностей на этапе производства составляют от 30% до 50% общих затрат на изготовление устройств. На этапе же эксплуатации не менее 80% времени восстановления цифровой системы приходится на поиск неисправного сменного элемента. В целом затраты, связанные с обнаружением, поиском и устранением неисправности возрастают в 10 кратном размере при прохождении неисправности через каждый технологический этап и от входного контроля интегральных микросхем до выявления отказа на этапе эксплуатации обходятся в 1000 раз дороже. Успешное решение подобной задачи возможно только на основе комплексного подхода к вопросам контроля диагностики, так как системы диагностики используются на всех этапах жизни цифровой системы. Это требует дальнейшего повышения интенсивности работ по обслуживанию, восстановлению и ремонта на этапах производства и эксплуатации.

Общие задачи контроля и диагностики цифровых систем и ее составных частей обычно рассматриваются с точки зрения основных стадий разработки, производства и эксплуатации. Наряду с общими подходами к решению этих задач имеются и существенные различия, обусловленные специфическими особенностями присущими этим стадиям . На стадии разработки цифровых систем решаются две задачи контроля и диагностики:

1. Обеспечение контролепригодности цифровой системы в целом и ее

Составных частей.

2. Отладка, проверка исправности и работоспособности составных частей

И цифровой системы в целом.

При контроле и диагностике в условиях производства цифровой системы обеспечивается решение следующих задач:

1. Выявление и отбраковка дефектных компонентов и узлов на ранних

Этапах изготовления.

2. Сбор и анализ статистической информации о дефектах и типах

Неисправностей.

3. Снижение трудоемкости и, соответственно, стоимости контроля и

Диагностики.

Контроль и диагностика цифровой системы в условиях эксплуатации имеют следующие особенности:

1. В большинстве случаев достаточна локализация неисправностей на

Уровне конструктивно-съемного узла, как правило, типового

Элемента замены (ТЭЗ).

2. Высока вероятность появления к моменту ремонта не более одной

Неисправности.

3. В большинстве цифровых систем предусмотрены некоторые

Возможности контроля и диагностики.

4. Возможно ранее обнаружение предотказовых состояний при

Профилактических осмотрах.

Таким образом, для объекта, подлежащего техническому диагностированию должны быть установлены вид и назначение системы диагностирования. Согласно устанавливаются следующие основные области применения систем диагностирования:

а) на этапе производства объекта: в процессе наладки, в процессе

Приемки;

б) на этапе эксплуатации объекта; при техническом обслуживании в

Процессе применения, при техническом обслуживании в процессе

Хранения, при техническом обслуживании в процессе транспортировки;

в) при ремонте изделия: перед ремонтом, после ремонта.

Системы диагностирования предназначаются для решения одной или нескольких задач: проверки исправности; проверки работоспособности; проверки функционирования: поиска дефектов. При этом составляющими системы диагностирования являются: объект технического диагностирования, под которым понимают объект или его составные части, техническое состояние которых подлежит определению, средства технического диагностирования, совокупность измерительных приборов, средства коммутации и сопряжения с объектом.

Техническое диагностирование (ТД) осуществляется в системе технического диагностирования (СТД), которая представляет собой совокупность средств и объекта диагностирования и при необходимости исполнителей, подготовленная к диагностированию и осуществляющая его по правилам, установленным документацией.

Составляющими системы являются:

объект технического диагностирования (ОТД), под которым понимают системы или его составные части, техническое состояние которых подлежит определению, и средства технического диагностирования - совокупность измерительных приборов, средств коммутации и сопряжения с ОТД.

Система технического диагностирования работает в соответствии с алгоритмом ТД, который представляет совокупность предписаний о проведении диагностирования.

Условия проведения ТД, включающие состав диагностических параметров (ДП), их предельно допустимые наименьшие и наибольшие предотказовые значения, периодичность диагностирования изделия и эксплуатационные параметры применяемых средств, определяют режим технического диагностирования и контроля.

Диагностический параметр (признак)- параметр, используемый в установленном порядке для определения технического состояния объекта.

Системы технического диагностирования (СТД) могут быть различными по своему назначению, структуре, месту установки, составу, конструкции, схемотехническим решениям. Они могут быть классифицированы по ряду признаков, определяющих их назначение, задачи, структуру, состав технических средств:

по степени охвата ОТД; по характеру взаимодействия между ОТД и системой технического диагностики и контроля (СТДК); по используемым средствам технического диагностирования и контроля; по степени автоматизации ОТД.

По степени охвата системы технического диагностирования могут быть разделены на локальные и общие. Под локальными понимают системы технического диагностирования, решающие одну или несколько перечисленных выше задач - определения работоспособности или поиск места отказа. Общими – называют системы технического диагностирования, решающие все поставленные задачи диагностики.

По характеру взаимодействия ОТД со средствами технического диагностирования (СрТД) системы технического диагностирования подразделяют на:

системы с функциональной диагностикой, в которых решение задач диагностики осуществляется в процессе функционирования ОТД по своему назначению, и системы с тестовой диагностикой, в которых решение задач диагностики осуществляется в специальном режиме работы ОТД путем подачи на него тестовых сигналов.

По используемым средствам технического диагностирования системы ТД можно разделить на:

Системы с универсальными средствами ТДК (например ЭВМ);

Системы со специализированными средствами (стенды, имитаторы, специализированные ЭВМ);

Системы с внешними средствами, в которых средства и ОТД конструктивно отделены друг от друга;

системы со встроенными средствами, в которых ОТД и СТД конструктивно представляют одно изделие.

По степени автоматизации системы технического диагностирования можно разделить на:

Автоматические, в которых процесс получения информации о техническом состоянии ОТД осуществляется без участия человека;

Автоматизированные, в которых получение и обработка информации осуществляется с частичным участием человека;

Неавтоматизированные (ручные), в которых получение и обработка информации осуществляется человеком-оператором.

Аналогичным образом могут классифицироваться и средства технического диагностирования: автоматические; автоматизированные; ручные.

Применительно к объекту технического диагностирования системы диагностики должны: предупреждать постепенные отказы; выявлять неявные отказы; осуществлять поиск неисправных узлов, блоков, сборочных единиц и локализовать место отказа.

2.3. Показатели диагностирования и контролепригодности

Как указывалось ранее, процесс определения технического состояния объекта при диагностировании предусматривает использование диагностических показателей.

Диагностические показатели представляют набор характеристик объекта, используемые для оценки его технического состояния. Показатели диагностирования определяют при проектировании, испытании и эксплуатации системы диагностирования и используют при сравнении различных вариантов последних. Согласно устанавливаются следующие показатели диагностирования:

1. Вероятность ошибки диагностирования вида - вероятность совместного наступления двух событий: объект диагностирования находится в техническом состоянии, а в результате диагностирования считается находящимся в техническом состоянии (при показатель, является вероятностью правильного определения технического состояния объекта диагностирования)

, (2.1)

где - число состояний средства диагностирования;

Априорная вероятность нахождения объекта диагностирования в состоянии;

Априорная вероятность нахождения средства диагностирования в состоянии;

Условная вероятность того, что в результате диагностирования объект диагностирования признается находящимся в состоянии при условиях, что он находится в состоянии и средство диагностирования находится в состоянии;

Условная вероятность получения результата "объект диагностирования находится в состоянии " при условии, что средство диагностирования находится в состоянии;

Условная вероятность нахождения объекта диагностирования в состоянии при условиях, что получен результат "объект диагностирования находится в состоянии " и средство диагностирования находится в состоянии.

2. Апостериорная вероятность ошибки диагностирования вида - вероятность нахождения объекта диагностирования в состоянии при условии, что получен результат "объект диагностирования находится в техническом состоянии "(при =) показатель является апостериорной вероятностью правильного определения технического состояния).

, (2.2)

где - число состояний объекта.

3. Вероятность правильного диагностирования D - полная вероятность того, что система диагностирования определяет то техническое состояние, в котором действительно находится объект диагностирования.

. (2.3)

4. Средняя оперативная продолжительность диагностирования

Математическое ожидание оперативной продолжительности одно-

кратного диагностирования.

, (2.4)

где - средняя оперативная продолжительность диагностирования объекта, находящегося в состоянии;

Оперативная продолжительность диагностирования объекта, находящегося в состоянии при условии, что средство диагностирования находится в состоянии.

Величина включает продолжительность выполнения вспомогательных операций диагностирования и продолжительность собственно диагностирования.

5. Cредняя стоимость диагностирования - математическое ожидание стоимости однократного диагностирования.

, (2.5)

где - средняя стоимость диагностирования объекта, находящегося в состоянии;

Стоимость диагностирования объекта, находящегося в состоянии при условии, что средство диагностирования находится в состоянии. Величина включает амортизационные затраты диагностирования, затраты на эксплуатацию системы диагностирования и стоимость износа объекта диагностирования.

6. Средняя оперативная трудоемкость диагностирования - математическое ожидание оперативной трудоемкости проведения однократного диагностирования

, (2.6)

где - средняя оперативная трудоемкость диагностирования при нахождении объекта в состоянии;

Оперативная трудоемкость диагностирования объекта, находящегося в состоянии при условии, что средство диагностирования находится в состоянии.

7. Глубина поиска дефекта L - характеристика поиска дефекта, задаваемая указанием составной части объекта диагностирования или ее участка с точностью, до которых определяется место дефекта.

Рассмотрим теперь показатель контролепригодности. Контролепригодность обеспечивается на стадиях разработки и изготовления и должна устанавливаться в технических заданиях на разработку и модернизацию изделия.

Согласно установлены следующие показатели контролепригодности и формулы для их расчета:

1. Коэффициент полноты проверки исправности (работоспособности, правильного функционирования):

, (2.7)

где - суммарная интенсивность отказов проверяемых составных частей системы на принятом уровне деления;

– суммарная интенсивность отказов всех составных частей системы на принятом уровне деления.

2. Коэффициент глубины поиска:

, (2.8)

Где – число однозначно различимых составных частей системы на принятом уровне деления, с точностью до которого определяется место дефекта;

– общее число составных частей системы на принятом уровне деления, с точностью до которых требуется определение места дефекта.

3. Длина теста диагностирования:

(2.9)

где || - число тестовых воздействий.

4. Среднее время подготовки системы к диагностированию заданным числом специалистов:

, (2.10)

где - среднее время установки снятия измерительных преобразователей и других устройств, необходимых для диагностирования;

– среднее время машинно- демонтажных работ на системы, необходимых для подготовки к диагностированию.

5. Средняя трудоёмкость подготовки к диагностированию:

, (2.11)

где – средняя трудоёмкость установки и снятия преобразователей и других устройств, необходимых для диагностирования;

– средняя трудоёмкость монтажа – демонтажа работ на объект для обеспечения доступа к контрольным точкам и приведение объекта в исходное состояние после диагностирования.

6. Коэффициент избыточности системы:

(2.12)

где - объём составных частей, введённых для диагностирования системы;

Масса или объём системы.

7. Коэффициент унификации устройств сопряжения и системы со средствами диагностирования:

(2.13)

где - число унифицированных устройств сопряжения.

Общее число устройств сопряжения.

8. Коэффициент унификации параметров сигналов системы:

(2.14)

Где - число унифицированных параметров сигналов системы, используемых при диагностировании;

Общее число параметров сигналов, используемых при диагностировании.

9. Коэффициент трудоёмкости подготовки системы к диагностированию:

(2.15)

где - средняя оперативная трудоёмкость диагностирования системы;

Средняя трудоёмкость подготовки системы к диагностированию.

10. Коэффициент использования специальных средств диагностирования:

(2.16)

где – суммарная масса или объём серийных и специальных средств диагностирования;

– масса или объём специальных средств диагностирования.

11. Уровень контролепригодности при оценке:

дифференциальной: (2.17)

где - значение показателя контролепригодности оцениваемого системы; - значение базового показателя контролепригодности.

Комплексной, (2.18)

где - число показателей контролепригодности, по совокупности которых оценивают уровень контролепригодности;

Коэффициент весомости -го показателя контролепригодности.

3. ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ И ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ИХ НАДЕЖНОСТИ

3.1. Цифровые системы, основные критерии их надежности

Основной задачей современных цифровых систем является повышение эффективности и качества передачи информации. Решение этой задачи развивается в двух направлениях: с одной стороны, совершенствуются методы передачи и приёма дискретных сообщений для увеличения скорости и достоверности передаваемой информации при ограничении затрат, с другой стороны, разрабатываются новые методы построения цифровых систем, обеспечивающие высокую надежность их работы

Такой подход требует разработки цифровых систем, реализующих сложные алгоритмы управления в условиях случайных воздействий с необходимостью адаптации и обладающих свойством отказоустойчивости .

Применение для этих целей БИС, СБИС и МПК позволяет обеспечить высокую эффективность каналов передачи информации и способность в случае отказа быстро восстановить нормальное функционирование цифровых систем.

В дальнейшем под современной цифровой системой будем понимать такую систему, которая строится на основе БИС, СБИС и МПК.

Структурная схема цифровой системы приведена на рис.3.1. Передающая часть цифровой системы осуществляет ряд преобразований дискретного сообщения в сигнал. Совокупность операций, связанных с преобразованием передаваемых сообщений в сигнал, называется способом передачи, который можно описать операторным соотношением

(3.1)

где - оператор способа передачи;

Оператор кодирования;

Оператор модуляции;

Случайный процесс возникновения сбоев и отказов в передатчике.

Появление сбоев и отказов в передатчике приводит к нарушению условия >

Сигналы, передаваемые в среде распространения, претерпевают в ней ослабление и искажения. Поэтому сигналы, приходящие в пункт приема могут существенно отличаться от передаваемых передатчиком.

Рис 3.1. Структурная схема цифровой системы

Влияние среды на распространяемые в ней сигналы можно также описать операторным соотношением

(3.2)

где - оператор среды распространения.

В канале связи на передаваемый сигнал накладываются помехи, так что при передаче сигнала на входе приёмника действует искаженный сигнал:

, (3.3)

где - случайный процесс, соответствующий одной из помех;

Число независимых источников помех.

Задача приемника состоит в том, чтобы по принятому искаженному сигналу определить какое сообщение передавалось. Совокупность операций приемника можно описать операторным соотношением :

(3.4)

где – оператор способа приема;

Оператор демодуляции;

Оператор декодирования;

Случайный процесс возникновения отказов и сбоев в приемнике.

Полнота соответствия переданной последовательности зависит не только от корректирующих возможностей кодированной последовательности, уровня сигнала и помех и их статистики, свойств декодирующих устройств, но и от способности цифровой системы корректировать ошибки, вызванные аппаратурными сбоями и отказами передатчика и приемника и . Рассмотренный подход позволяет описать процесс передачи информации математической моделью, что дает возможность выявить влияние различных факторов на эффективность цифровых систем и наметить пути повышения их надежности.

Известно, что все цифровые системы бывают невосстанавливаемые и восстанавливаемые. Основным критерием надежности невосстанавливаемой цифровой системы является вероятность безотказной работы :

(3.5)

это вероятность того, что за заданный отрезок времени t не произойдет отказа;

Где -

? – интенсивность отказа;

Число элементов в цифровой системе;

Интенсивность отказа одного элемента цифровой системы.

Основным критерием надежности восстанавливаемой цифровых систем является коэффициент готовности

, (3.6)

который характеризует вероятность того, что система будет находиться в исправном состоянии в произвольно выбранный момент времени;

Где - средняя наработка на отказ;

Это среднее значение длительности непрерывной работы системы между двумя отказами.

, (3.7)

где N- общее число отказов;

Время работы между () и отказом.

Время восстановления. Среднее время простоя системы, вызванное отысканием и устранением отказа.

, (3.8)

где - длительность отказа.

где - интенсивность восстановления, характеризует число восстановлений в единицу времени.

3.2. Пути повышения надежности цифровых систем

Современные цифровые системы, представляют собой сложные территориально распределённые технические комплексы, выполняющие важные задачи по своевременной и качественной передаче информации .

Техническое обслуживание и обеспечение необходимых ремонтно-восстановительных работ для сложных цифровых систем является важной проблемой.

При выборе цифровых систем необходимо убедится, что их производители готовы осуществить техническую поддержку в течении не только гарантийного, но и всего срока службы, т.е. до наступления предельного состояния. Таким образом, при принятии решения о приобретении цифровых систем операторам необходимо учитывать долговременные затраты на ее техническое обслуживание и ремонт.

Необходимо отметить, что качество предлагаемых услуг, а также размеры затрат, которые несёт операторская компания в своей деятельности, в значительной степени зависит от подготовки и организации процесса технического обслуживания и ремонта цифровых систем. Поэтому задача совершенствования методов технического обслуживания и ремонта, территориально распределённых цифровых систем приобретает всё большую актуальность.

Известно, что требования международных стандартов в области качества обязывают оператора связи как поставщика услуг включать в область системы качества – техническое обслуживание и ремонт цифровых систем.

Как показывает международный опыт развитых стран, в которых уже пройдён период массовой цифровизации сети телекоммуникаций и внедрения принципиально новых услуг, эффективно эта задача решается созданием развитой инфраструктуры организационно-технической поддержки, включающей в себя также систему сервис центров и центры ремонта .

Поэтому поставщики цифровых систем должны организовать центры сервисного обслуживания для осуществления гарантийного и послегарантийного обслуживания своего оборудования, текущей её эксплуатации и ремонта.

Обычно структура системы сервис центров включает в себя:

Главный сервис центр, координирующий работу всех остальных сервис центров и имеющий возможность выполнять наиболее сложные виды работ;

Региональные сервис центры;

Службы технического сервиса оператора связи.

Однако, как показывает практика, наряду с высоким качеством поставляемого оборудования и его широкими функциональными возможностями возникает и ряд проблем:

Недостаточное развитие (а в ряде случаев отсутствие) сети сервисного обслуживания поставляемых цифровых систем;

Поставщиков цифровых систем больше, чем сервис центров;

Высокая стоимость ремонта цифровых систем.

В этой связи к поставщикам необходимо предъявлять соответствующие требования по организации технического обслуживания поставляемого оборудования и срокам замены неисправных узлов цифровых систем.

Так как уровень удобства функций технического обслуживания цифровых систем варьируется от системы к системе, то и работа с различными системами требует разной степени подготовки обслуживающего персонала. Как показывает практика, по-разному строят фирмы поставщики телекоммуникационного оборудования и свою стратегию организации сервисной поддержки:

Создание главного сервис центра технической поддержки;

Создание развитой сети региональных центров поддержки;

Поддержка через сеть дистрибьюторов и своё представительство;

Поддержка силами дилерской сети.
В настоящее время существует большое разнообразие форм, методов и видов технического обслуживания. Услуги заказчикам предоставляются в четырёх различных формах:

Самообслуживание силами самих заказчиков;

Обслуживание на месте эксплуатации оборудования;

Обслуживание в центрах, производящих не ремонт, а замену;

Обслуживание в центрах ремонта.

Необходимо особо отметить, что в настоящее время не существует единой концепции сервисного обслуживания.

1. Одни операторские компании придерживаются мнения, что главной задачей является ускорение ремонта, что достигается заменой плат и даже блоков, которые затем проходят полный цикл контроля и восстановления их работоспособности в центрах ремонта, оснащённых комплектом современного диагностического оборудования.

2. Другие операторские компании предпочитают переходить к ремонту на уровне элементов, для локализации неисправностей которых они используют новейшие диагностические средства высокой функциональной сложности.

Поэтому неотъемлемой составной частью систем технического обслуживания и ремонта как системы управления состоянием цифровых систем является система технического диагностирования. В настоящее время общепризнанно, что одним из важных путей повышения эксплуатационной надёжности и в конечном счёте качества функционирования цифровых систем является создание эффективной системы технического диагностирования.

Поэтому решение задач технического обслуживания и ремонта предполагает использование соответствующей системы технической диагностики цифровых систем на этапе их эксплуатации, которая должна обеспечивать двухступенчатую стратегию поиска неисправностей в цифровых системах с глубиной поиска соответственно до типового элемента замены (ТЭЗа), платы и микросхемы. С учётом расширения номенклатуры цифровых систем возникает необходимость в снижении требований к квалификации обслуживающего персонала систем технического диагностирования, особенно для центров сервисного обслуживания и ремонта. Диагностическая аппаратура, предназначенная для этих центров должна иметь по возможности минимальные массогабаритные показатели и обеспечивать учёт специфики каждого объекта диагностирования.

В настоящее время известны следующие основные направления работ по повышению надежности функционирования цифровых систем:

1. В первую очередь надежность повышается за счет использования высоконадежных компонентов. Это направление сопряжено со значительными затратами средств и обеспечивает лишь решение задачи безотказности, но не ремонтопригодности. Односторонняя ориентация при создании систем на достижение высокой безотказности (за счет использования более совершенной элементной базы и узлов) в ущерб ремонтопригодности, во многих случаях не приводит, в конечном счете, к повышению коэффициента готовности в реальных условиях эксплуатации. Это связано с тем, что даже высококвалифицированные специалисты с использованием традиционных технических средств диагностики тратят на поиск и локализацию неисправностей в сложных современных цифровых системах до 70-80% активного времени ремонта.

2. Вторым направлением повышения надежности является дублирование или резервирование технических средств и каналов связи. Это направление требует вложения больших экономических и трудовых затрат, что в конечном итоге ведет в ряде случаев к неоправданному расточительству, кроме того, в этом случае должна быть обеспечена повышенная надежность самих переключающих устройств.

3. Это направление связано с улучшением эксплуатационных и технических характеристик, путем улучшения показателей ремонтопригодности средствами технической диагностики. Необходимо отметить, что в существующих цифровых системах отсутствуют средства, которые позволили бы оперативно осуществлять селектирование канальных ошибок от ошибок, вызванных аппаратурными источниками в передающей и приемной частях (модемах, кодеках, устройствах синхронизации и т.д.). В таких цифровых системах обнаружение факта отказа, поиск и локализация аппаратурных источников неисправностей производится в режиме «Авария связи». Кроме того, большинство существующих средств контроля и диагностики практически применимы в ремонтно-профилактических режимах, что приводит к большому пространственно-временному разрыву между возникновением и обнаружением неисправностей. Последнее, в конечном итоге, приводит к значительным экономическим и временным затратам на поиск и локализацию местоположения источника и причины неисправностей.

В этой связи, в целях улучшения показателей ремонтопригодности, необходимо предусмотреть специальные меры для оперативного обнаружения факта появления ошибок из-за аппаратурных источников, поиска и локализации, как места появления сбоев и отказов в блоках цифровых систем (модемах, кодеках, устройствах синхронизации и т.д.), так и неисправностей в функциональной схеме неисправного узла.

С целью поддержания цифровых систем в технически исправном состоянии создается подсистема контроля и диагностики, которая представляет собой совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для диагностирования их технического состояния и поддержания (или восстановления) необходимого качественного уровня работы. Средства контроля и диагностики цифровых систем позволяют ускорить сложные процессы обнаружения и устранения отказов, уменьшить время простоя оборудования.

К элементам цифровых систем относятся оконечная аппаратура, каналообразующая аппаратура, коммутационные системы, и т.д.

На рис. 3.2. показана структурная схема элемента цифровой системы передачи информации, где приведены контрольные точки. Устройство управления и контроля, наряду с основными устройствами преобразования сигналов (УПС) и защиты от ошибок (УЗО), также контролирует детектор качества сигналов (ДКС), устройство сопряжения (УС) и оконечное оборудование данных (ООД). Контроль цифровых систем позволяет выявить

Рис.3.2. Структурная схема элемента цифровой системы передачи

Информации

неисправные узлы, снижает количество аппаратурных ошибок, сокращает время простоя терминальных устройств.

Одной из основных задач является оценка состояний качества дискретных каналов, которые классифицируются как работоспособное и неработоспособное состояние.

Известно, что качество дискретных каналов оценивается качеством передачи информации по каналам :

Методом оценки через вторичные статистические характеристики сигналов (искажений элементов, сигналов стирания ошибок);

Методом оценки через параметры сигналов;

Методом оценки через параметры помех.

Результаты этих оценок используются как для диагностики технического состояния канала передачи данных, так и для повышения верности принимаемой последовательности сигналов.

Подсистема технической диагностики состоит из аппаратных и программных средств, обеспечивающих оценку информативных диагностических признаков, позволяющих путем обработки диагностической информации с заданной вероятностью, и глубиной диагностировать технические состояния цифровых систем.

и т.д.................

МИНСК, 2008

Качество контроля и диагностики зависит не только от технических характеристик контрольно-диагностирующей аппаратуры, но и в первую очередь от тестопригодности (контролируемости) самого испытываемого изделия. Это означает, что качество проверки во многом предопределяется качеством разработки изделий. Простейшее решение повышения качества контроля – это вывод некоторых внутренних точек изделия на внешний разъем. Однако число свободных контактов на разъеме ограничено, поэтому указанный подход редко оказывается доступным или достаточно эффективным. Более приемлемое решение связано с размещением на плате дополнительных функциональных элементов, предназначенных для непосредственного получения или накопления информации о состоянии внутренних точек и последующей ее передачи на обработку по требованию анализирующего устройства (внешнего или также встроенного).

Сигналы, возникающие в процессе функционирования основной и контрольной аппаратуры, размещенной вместе на одном печатном модуле или кристалле ИС, сопоставляются по определенным правилам. В результате такого сопоставления вырабатывается информация о правильном функционировании контролируемого узла. В качестве избыточной аппаратуры может быть использована полная копия проверяемого узла (рис.1, а). При этом производиться простейшее сравнение двух одинаковых наборов кодов. С целью уменьшения объема дополнительной контрольной аппаратуры используют более простые контрольные устройства с избыточным кодированием (рис.1, б), но зато при этом усложняются способы получения контрольных соотношений.

ОУ – основное устройство; КУ – контрольное устройство;

УС – устройство сравнения; УК – устройство кодирования:

УОКК – устройство обработки контрольных кодов;

УД – устройство декодирования; Z – сигнал ошибки.

Избыточное кодирование основывается на введении во входной, обрабатываемый и выходной информационный сигнал дополнительных символов, которые вместе с основными образуют коды, обладающие свойствами обнаружения или исправления ошибок.

В качестве примера встроенного контроля с избыточным кодированием рассмотрим один из методов контроля передачи информации: к группе информационных разрядов, представляющих собой простой (т. е. неизбыточный) код добавляется один избыточный (контрольный) разряд, несущий информацию о четности и нечетности передаваемой информации. Значение разряда четности равно), если число единиц в передаваемом коде четное и 1, если число единиц нечетное (рис.2).

Рис. 2. Передача информации с контрольным разрядом: если Z=0, то информация передается без ошибки; если Z=1, то информация передается неверно; n – число основных каналов; n+1 – дополнительный контрольный разряд.

По нечетности контролируется полное пропадание информации, так как кодовое слово, состоящее из нулей, относится к запрещенным.

Этот метод применяют в микропроцессорных системах для контроля передач информации между регистрами, считывания информации в ОЗУ, обменов между устройствами. Магистрали передач данных составляют от 60 до 80% всех аппаратных средств МПС. Поэтому использование контроля по четности позволяет существенно повысить надежность операций передачи информации.

Рис. 3. Схема контроля четности-нечетности 8-миразрядной шины пирамидального типа на двухвходовых логических элементах "исключающее ИЛИ"

Другим примером могут явиться итеративные коды. Их применяют при контроле передач массивов кодов между внешним ЗУ и ЭВМ, между двумя ЭВМ и других случаях. Итеративный код образуется путем добавления дополнительных разрядов по четности к каждой строке и каждому столбцу передаваемого массива слов(двумерный код). Кроме того, четность может определяться и по диагональным элементам массива слова(многомерный) код. Обнаруживающая способность кода зависит от числа дополнительных контрольных символов. Он позволяет обнаружить многократные ошибки и прост в реабилитации.

К простейшим аппаратным способам встроенного контроля относится способ дублирования схем и сравнения выходных сигналов этих схем (рис.3). Этот метод легко можно применить для проверки любой схемы. Кроме тог, он обладает преимуществом, что может обнаружить любую функциональную ошибку, появляющуюся в схеме. Недостатком метода является во-первых – увеличение затрат на резервирование и, во-вторых – не исключение собственных ошибок резервной контрольной аппаратуры.

Несколько снизить затраты на аппаратное дублирование цифровых схем можно путем использования так называемой двухпроводной логики. При этом исходная и резервные схемы отличаются тем, что они реализуют инверсные выходы и в схеме все сигналы представлены одновременно в прямом и инвертируемом виде. Сравнение выходных сигналов при обычном дублировании осуществляется на основании их равенства, а при двухпроводной логике – на основании их неравенства.

Для обнаружения ошибок в комбинационных схемах, в особенности для арифметических и логических функций, зависящих от двух аргументов, часто применяют метод псевдодублирования. В этом случае данные обрабатываются дважды последовательно во времени, в одинаковом порядке, однако по различным путям и проверяются на равенство с использованием промежуточного запоминающего устройства. При этом вместо требуемого резервирования схемы фактически увеличивается время обработки информации.

На рис.4 изображена схема проверки двухразрядного покомпонентного логического объединения двух операндов при помощи АЛУ. Вначале переключатели S1 и S2 включаются в правое по схеме положение и с выхода АЛУ результат операции записывается в регистре 3 памяти, подключенных к одному из входов схемы сравнения.

На следующем шаге переключатели S1 и S2 включаются в левое положение. Старшие и младшие разряды входных чисел на входе АЛУ меняются местами, а результат операции с выхода АЛУ с также переставленными старшим и младшим разрядом поступает непосредственно на схему сравнения.

Рис. 4. Схема проверки выполнения арифметических операций по методу псевдодублирования

Допустим, что на выходе 3 АЛУ проявляется ошибка "=1" (тождественная единица) и операнды 0110 и 0010 поразрядно складываются в АЛУ по модулю 2. Если переключатели S1 и S2 включены в правое положение, то в регистр 3 записывается число 0100. Если переключатели включены в левое положение, т. е. на выходы АЛУ поступают числа 1100 и 0100, соответственно, а на выходе 1100 (с учетом ошибки =1 на выходе 3 АЛУ). На входы схемы сравнения поступают коды 0100 – с выхода регистра 3 и 0110 – с выхода АЛУ, которые вырабатывают сигнала ошибки.

Встроенный контроллер особенно удобен для организации контроля и диагностики изделий в условиях эксплуатации, но он может оказаться полезным и в производственных условиях, например, при изготовлении БИС микропроцессорных комплектов. Для этого в схему БИС вводятся дополнительные средства, осуществляющие реконфигурацию структуры БИС в режиме тестирования и обеспечивающие, при этом, улучшение управляемости и наблюдаемости всех, входящих в нее триггеров (рис.5, а). В этом случае тестирование сложной БИС превращается в сравнительно простую процедуру для рекомбинационных схем, входящих в БИС.

Для реализации такого подхода необходимы такие средства реконфигурации структуры последовательностной схемы, чтобы сигнал управления переключал все триггеры из рабочего режима в тестовый, при котором все триггеры становятся управляемыми и наблюдаемыми (рис.5, б). Наибольшее распространение среди этих методов получил метод сканирования **** осуществляемый за счет соединения специальных дополнительных элементов памяти в единый сдвиговый регистр, запоминающий внутренне состояние схемы. Сканирование дополнительных элементов памяти можно контролировать и путем адресации к ним и прямого выбора информации о состоянии схему из дополнительных ЗУ.

Все это усложняет БИС, однако обеспечивает экономическую целесообразность. Так для МП серии Intel 8086, имеющего площадь кристалла 3 мм2, введение средств повышения контролепригодности увеличивает площадь кристалла примерно на 20%, что снижает выход годных с 10% до 12(20)%. Вместе с уменьшением количества кристаллов на пластине это приводит к удорожанию производства на 70%. Тем не менее уменьшение стоимости тестирования, которое составляет более 80% трудоемкости изготовления БИС, полностью компенсирует такое удорожание БИС и сложные ПУ разрабатываются таким образом, чтобы обеспечить возможность самотестирования без участия внешнего оборудования и программных средств.

Для реализации самотестирования схем на печатной плате или на кристалле микропроцессора размещают два регистра, запрограммированных на выполнение функций генератора псевдослучайных кодов и сигнатурного генератора. В программируемом ПЗУ процессора храниться специальная тест-программа, которая должна обеспечить последовательное тестирование всех функциональных узлов микропроцессора. Генератор псевдослучайных кодов формирует входную тестовую последовательность, направленную в контролируемые программно-доступные блоки микропроцессора, а сигнатурный генератор снимает с выхода микропроцессора соответствующие контрольные сигнатуры которые в свою очередь сравниваются с эталонными, хранимыми в ПЗУ. Результат сравнения дает информацию микропроцессору о своем состоянии.

Нарушения в работе цифровых устройств (ошибки) могут происходить из-за отка-зов, к которым приводят неисправности, и сбоев, к которым могут приводить помехи.

Контролируемые устройства бывают двух типов: а) устройства хранения (ЗУ) и передачи данных, в которых информация одинакова на входе и выходе; б) устройства обработки данных (АЛУ), в которых входная и выходная информация не совпадают.

Под ошибкой понимают приём «1» вместо переданного или записанного в память «0» и наоборот, а также ошибки в вычислениях.

Различают системы контроля: обнаружения ошибок и исправления ошибок, а также по кратности (числу ошибок в кодовом слове) обнаруживаемых или исправляемых ошибок. Контроль возможен при введения в данные избыточности. Устройства контроля увеличивают стоимость оборудования и уменьшают скорость работы ЦУ.

Различают одиночные и групповые ошибки. Например, в оперативной памяти наиболее вероятны одиночные ошибки, так как каждый бит хранится в своём элементе памяти. Для памяти на жёстком диске наиболее вероятны групповые ошибки, так как дефект повреждает участок носителя с несколькими битами. В линиях связи также наиболее вероятны групповые ошибки, так как помеха выбивает несколько бит.

При рассмотрении методов борьбы с ошибками вводятся понятия:

а) кодовая комбинация – набор из символов принятого алфавита;

б) кодовое расстояние (между двумя кодовыми комбинациями) – число разрядов, в которых эти комбинации отличаются друг от друга;

в) кратность ошибки – число ошибок в данном слове (число неверных разрядов);

г) вес комбинации – число единиц в данной кодовой комбинации.

В теории кодирования определены минимальные кодовые расстояния, необходимые для обнаружения и исправления ошибок при использовании кодов:

d MIN = r ОБН + 1; d MIN = 2r ИСПР + 1; d MIN = 2r ИСПР + r ОБН + 1,

где d MIN – минимальное требуемое кодовое расстояние кода;

r ИСПР – кратность исправляемой ошибки;

r ОБН – кратность обнаруживаемой ошибки.

Для двоичного кода кодовое расстояние d MIN = 1, поэтому он не может обнаружи-вать ошибки.Для обнаружения однократной ошибки минимальное кодовое расстояние должно составлять d MIN = 2, а для её исправления d MIN = 3.

Обнаружить и устранить групповые ошибки значительно сложнее, чем одиночные,

поэтому для борьбы с ними применяют методы, преобразующие групповые ошибки в одиночные, такие как перемежение и скремблирование.

Методы контроля цифровых устройств: а) по «большинству голосов» в мажоритар-ных схемах; б) по модулю 2 (контроль чётности или нечётности); в) с использованием дополнительной функции; в) с использованием помехоустойчивых кодов (Хэмминга, Рида-Соломона, решётчатых и других), обнаруживающих и исправляющих ошибки.