Контроль и испытания проектируемого цифрового устройства. Встроенный контроль и диагностика цифровых устройств

24.02.2022

Встроенный контроль и диагностика цифровых устройств. Методы повышения контролепригодности цифровых устройств

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.

Рис. 1. Схемы встроенного контроля с избыточным дублированием аппаратурной части (а) и с избыточным кодированием операций:

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).

При передаче информации слово передается со своим контрольным разрядом. Если приемное устройство обнаруживает, что значение контрольного разряда не соответствует четности суммы единиц слова, то это воспринимается как признак ошибки в линии передачи информации.

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.

Самодиагностика БИС является естественным развитием структурного подхода к проектированию контролепригодных устройств. Сочетание встроенных средств контролепригодности (сквозного сдвигового регистра для сканирования состояний, генератора псевдослучайных тесткодов, регистра сигнатурного анализа) позволяет организовать самотестирование кристаллов, полупроводниковых пластин, микросхем и печатных узлов. Поскольку стоимость средств самодиагностирования остается примерно одинаковой, а затраты на тестирование стандартными методами увеличиваются в геометрической прогрессии, можно полагать, что с ростом насыщенности СБИС (степени интеграции) средства самодиагностики станут обязательными.

Рис. 5. Встроенный контроль БИС МП. Реконфигурация структуры БИС в режиме тестирования с использованием дополнительных триггеров (а) и специального ЗУ (б)

ЛИТЕРАТУРА

1. Б. Хабаров, Г. Куликов, А. Парамонов. Техническая диагностика и ремонт бытовой радиоэлектронной аппаратуры. - Мн.: Издательство: Горячая Линия - Телеком, 2004. - 376 с.

2. Дэвидсон Г. Поиск неисправностей и ремонт электронной аппаратуры без схем.2-е издание.М. Издательство: ДМК Пресс. 2005, - 544 с.

3. Игнатович В.Г., Митюхин А.И. - Регулировка и ремонт радиоэлектронной аппаратуры. - Минск: "Вышэйшая школа", 2002 - 366 с.

4. Н.И. Домарёнок, Н.С. Собчук. "Физические основы диагностики и неразрушающего контроля качества МЭА", - Мн., БГУИР, 2001.

А.А. Дружаев, В.Г. Ханбеков

В статье рассматриваются предпосылки к созданию систем контроля и диагностики электронных устройств (СКД ЭУ), области и возможности их применения. Описывается существующая СКД ЭУ Крона-511.

The premises of developing a system for electronic device supervision and diagnosis, the areas and potentialities of its application are considered. The existing Krona-511 system is described.

Проблемы в АСУ ТП

С появлением автоматизированных систем управления технологическими процессами, систем безопасности и аварийной защиты, многоканальных систем авторегулирования (например, системы возбуждения генератора, систем регулирования турбины, других сложных исполнительных механизмов) встала задача мониторинга и проверки их работы. Обычный подход (с мультиметром в одной руке и осциллографом — в другой) здесь недостаточно эффективен так как:

самая простая система управления имеет десятки (а иногда и сотни) сигналов, определяющих ее состояние;
переходные процессы слишком скоротечны, чтобы их можно было заметить и отследить на экране осциллографа (не говоря уже о том, чтобы точно замерить их параметры);
требуется не только измерять мгновенные значения сигналов, но и иметь "картину" событий предшествующих определенному (аварийному) моменту и следующих за ним;
необходимо не только фиксировать сигналы, но и "привязывать" их к единым временным отсчетам;
возможные аварийные состояния достаточно редки во времени.

Поэтому возникла необходимость создания особого класса систем, позволяющих эффективно решать вопросы контроля и диагностики работы данных устройств.

Основные требования к СКД ЭУ

СКД ЭУ, призванные решать вышеперечисленные проблемы, должны обладать следующими характеристиками и возможностями:

отсутствие влияния СКД на объект контроля (как в момент подключения, так и в рабочем режиме);
непрерывность работы СКД (от нескольких часов до нескольких суток);
дискретность записи входных сигналов до нескольких микросекунд;
возможность начала и окончания записи по комбинации состояний входных сигналов;
возможность контроля уровней, форм и параметров входных сигналов;
фиксация времени "аварии";
возможность непрерывной записи входных сигналов в течении времени от нескольких секунд до нескольких часов;
хранение информации о предаварийном и поставарийном состоянии входных сигналов;
возможность накопления нескольких аварийных ситуаций в запоминающем устройстве;
возможность просмотра и анализа записанных сигналов в виде временных графиков.

СКД, отвечающие данным требованиям, позволяют не просто наблюдать и проверять работу ЭУ, они автоматизируют процесс поиска "сбойных", редко появляющихся ситуаций. При этом производится регистрация событий предаварийной ситуации, что крайне важно для диагностики причин аварии.

Изучение временных графиков записанных сигналов позволяет оценить параметры работы ЭУ, их "разброс", тем самым прогнозировать вероятность аварий, отказов. Кроме того, делая регулярные записи, можно наблюдать и фиксировать дрейф параметров с течением времени.

Многоканальная запись с привязкой к единому моменту времени позволяет обнаруживать "разбег" сигналов во времени.

При использовании СКД ЭУ появляется реальная возможность "заглянуть внутрь" электронных систем. Как показывает практика, даже квалифицированный персонал, обслуживающий ЭУ, не имеет точного представления о его реальной работе. Случается, что только с помощью СКД выявляется наличие кратковременных или редких "всплесков", "провалов" или искажений формы сигналов.

Универсальная система контроля и диагностики электронных устройств

Научно-производственным комплексом "КРОНА" разработана СКД ЭУ Крона-511, соответствующая всем требованиям к подобным системам. В основе работы системы положен принцип преобразования сигналов в цифровую форму с постоянной частотой, контролем в реальном времени и записью на диск ЭВМ.

Основные характеристики и отличительные особенности системы:

число каналов до 64 (в т.ч. до 20 дискретных), так как модульность построения позволяет увеличивать число каналов по желанию заказчика;
подключение непосредственно к контрольным точкам с помощью выносных адаптеров;
дискретность записи, на примерах:

время записи ограничивается только свободным объемом жесткого диска, на максимальной частоте записи 1Гб достаточно для записи более одного часа работы ЭУ;
мониторинг сигналов на экране ЭВМ;
мощные средства просмотра и анализа записей, создание и распечатка отчетов, ведение архива записей, возможность экспорта записанных данных в другие программы;
встроенные аппаратные и программные средства самоконтроля; быстрая проверка работоспособности всех частей системы.

Подключение к ЭУ

Подключение к ЭУ производится через выносные адаптеры (напряжения, тока, температуры, дискретных сигналов, "сухие контакты") различных диапазонов, при этом расстояние до точки подключения от 2 до 10 метров. Диапазоны измеряемых сигналов: от 0.01 В до 2500 В, от 0.0005 А до 10 А, от 0 °С до 100 °С. Адаптеры обеспечивают гальваническую "развязку" входных каналов между собой, а также от выходных сигнальных цепей ЭУ и от "земли" (до 3500В), кроме того, выдерживают аварийные режимы многократной перегрузки, без нарушения их работоспособности.

Настройка, запись и контроль сигналов

Управление настройкой, записью, обработкой и просмотром сигналов производится программой, работающей в среде ОС MS Windows 95,98.

Программа позволяет быстро настроить "Крону-511" на любой ЭУ. Достаточно подготовить и ввести список входных сигналов в программу. Для сигналов, подлежащих контролю, описывается форма или задается контролируемый параметр (среднее, среднеквадратичное или средневыпрямленное значения). Форма эталона сигнала может быть задана как одна из стандартных (синусоидальной, пилообразной и т.п.), так и записанной с реального ЭУ. Для каждого из контролируемых сигналов задаются "допуски" - допустимые отклонения формы или параметра.

Кроме того, задаются параметры записи — дискретность записи входных каналов, а так же условия синхронизации контроля, начала и останова записи (для каждого из них - до 60 условий). Условием может быть: переход заданного сигнала через заданный уровень, нахождение сигнала выше или ниже заданного уровня, в заданном диапазоне (или логическом состоянии) или вне него. Возможно логическое объединение условий операциями "И" или "ИЛИ".

Система имеет два режима работы: однократный - это запись информации в линейный буфер (до его заполнения), и кольцевой - это запись в буфер с вытеснением устаревших данных более новыми (до останова или аварийного события).

Таким образом, однократная запись позволяет записать и/или проконтролировать работу ЭУ в течение заданного периода времени после запуска. Поэтому применение этого режима эффективно для отображения интервала выхода энергетического объекта на определенный уровень работы.

Поскольку пользователь имеет возможность задать время записи не только "до останова" (аварии), но и "после", кольцевой режим позволяет записать работу ЭУ как до, так и после аварийного/заданного события, что является эффективным для любых исследовательских задач.

Запись информации начинается по команде оператора или по заданным условиям. Параллельно с записью входной информации ЭВМ сравнивает сигналы с эталонами или их контрольными параметрами.

Окончание записи производится по прошествии заданного периода, либо после выполнения заданных условий "несравнения" формы/параметра сигналов или команды от оператора.

В режиме кольцевой записи предусмотрена возможность "авторестарта" записи после останова — то есть повторный запуск
без участия пользователя (количество повторных запусков задается заранее).

Пользователь может вывести на экран до двенадцати "осциллографических окошек", в которых в реальном времени будут "рисоваться" выбранные сигналы.

Просмотр записей

Результаты записи сигналов отображаются пользователю в виде графиков (рис.1.).

Рисунок 1. Просмотр многоканальной записи аварийного момента с наложением эталона сигнала

На экран может быть выведено несколько временных осей, на каждой из которых может быть помещено несколько графиков сигналов (записи сигналов могут быть из разных сеансов, что позволяет оценить дрейф параметров ЭУ с течением времени) (рис.2.). На полученные изображения сигналов могут накладываться эталоны для визуальной оценки.

Рисунок 2. Наблюдение за изменением сигнала с течением времени

На графиках отмечаются моменты синхронизации контроля, несравнения, останова. Кроме того, пользователь может самостоятельно проставить комментарии на графиках.

Выводимые на печать графики оформляются в виде документа. В него включается сводка, в которой указываются названия сеансов и печатающихся сигналов, дата и время начала и окончания записи, а также останова/"несравнения"; и, кроме того, - рассчитанные параметры для указанных графиков.

Встроенный "Редактор эталонов" позволяет "вырезать" часть записи сигнала (при необходимости — отредактировать) и использовать её в дальнейшем как физический эталон для контроля сигналов сложной формы!

Пользователь имеет возможность для копирования сеансов записи с диска СКД ЭУ на другие носители (дискеты, съемные диски большой емкости, сетевые диски). Это позволяет вести распределенную обработку записанных данных несколькими пользователями на разных ЭВМ.

Предоставляется возможность экспорта записанных данных в виде текстового файла. Это позволяет вести обработку данных другими программами (например, собственными АРМ-программами предприятия).

Программное обеспечение модернизировано по результатам многочисленных внедрений. В нем учтены все замечания и пожелания пользователей, полученные в ходе 3-х летней эксплуатации изделий. Постоянно ведется работа по дополнению СКД ЭУ новыми функциональными возможностями.

Заключение

Опыт использования СКД ЭУ "Крона-511" на ряде атомных станций РФ показал возможность построения на данном оборудовании многоканальных систем прогнозирования отказов систем безопасности, аварийной защиты и т.д. Причем вероятность обнаружения потенциально ненадежного канала (узла, элемента) достаточно велика ещё до выхода данных систем на критический уровень.

Соглашение об использовании материалов сайта

Просим использовать работы, опубликованные на сайте , исключительно в личных целях. Публикация материалов на других сайтах запрещена.
Данная работа (и все другие) доступна для скачивания совершенно бесплатно. Мысленно можете поблагодарить ее автора и коллектив сайта.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Автоматизация конструирования. Разработка схем цифровых устройств на основе интегральных схем разной степени интеграции. Требования, методы и средства разработки печатных плат. Редактор АСП DipTrace. Требования нормативно-технической документации.

отчет по практике , добавлен 25.05.2014

Алгоритмическое, логическое и конструкторско-технологическое проектирование операционного автомата. Изучение элементной базы простейших цифровых устройств. Разработка цифрового устройства для упорядочивания двоичных чисел. Синтез принципиальных схем.

курсовая работа , добавлен 07.01.2015

Реализация булевых функций на мультиплексорах. Применение постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). Структурная схема программируемых логических матриц (ПЛМ). Функциональная схема устройства на микросхемах малой и средней степени интеграции, ПЗУ и ПЛМ.

курсовая работа , добавлен 20.12.2013

Обзор современных схем построения цифровых радиоприемных устройств (РПУ). Представление сигналов в цифровой форме. Элементы цифровых радиоприемных устройств: цифровые фильтры, детекторы, устройства цифровой индикации и устройства контроля и управления.

курсовая работа , добавлен 15.12.2009

Применение булевой алгебры при анализе и синтезе цифровых электронных устройств. Реализация логических функций в разных базисах. Параметры и характеристики цифровых интегральных микросхем. Структура локальной микропроцессорной системы управления.

книга , добавлен 20.03.2011

Структура и направления деятельности компании ООО "Главный калибр". Изучение основных узлов и устройств вычислительной техники. Конструкторско-технологическое обеспечение производства приспособления. Выполнение работ по проектированию цифровых устройств.

отчет по практике , добавлен 17.04.2014

Технические характеристики цифрового компаратора. Описание цифровых и аналоговых компонентов: микросхем, датчиков, индикаторов, активных компонентов, их условные обозначения и принцип работы. Алгоритм работы устройства, структурная и принципиальная схемы.

курсовая работа , добавлен 29.04.2014

Качество контроля и диагностики зависит не только от технических характеристик контрольно-диагностирующей аппаратуры, но и от тестопригодности испытываемого изделия. Сигналы, возникающие в процессе функционирования основной и контрольной аппаратуры.

ЛЕКЦИЯ 8

В процессе работы цифрового устройства иногда возникают ошибки, искажающие информацию. Причинами таких ошибок могут быть:

1. выход из строя какого-либо элемента, из-за чего устройство теряет работоспособность;

3. Выход из строя элемента устройства рассматривается как неисправность. При этом в устройстве наблюдается постоянное искажение информации.

Иной характер искажений информации имеет место под воздействием помех. Вызвав ошибку, помехи могут затем в течение длительного времени не проявлять себя. Такие ошибки называют случайными сбоями.

В связи с возникновением ошибок необходимо снабжать цифровые устройства системой контроля правильности циркулирующей в ней информации. Такие системы контроля могут предназначаться для решения задач двух типов: задачи обнаружения и задачи исправления ошибок. Система обнаружения ошибок, производя контроль информации, способна лишь выносить решения: нет ошибок и есть ошибка, причем в последнем случае она не указывает, какие разряды слов искажены. Система исправления ошибок сигнализирует о наличии ошибок и указывает, какие из разрядов искажены. При этом непосредственное исправление цифр искаженных разрядов представляет собой уже несложную операцию. Так, если известно, что некоторый разряд двоичного слова ошибочен, то появление в нем ошибочного лог.О означает, что правильное значение - лог.1 и наоборот.

Таким образом, трудно локализовать ошибку, т.е. указать, в каких разрядах слова она возникла. После решения этой задачи само исправление сводится лишь к инверсии цифр искаженных разрядов, поэтому обычно под исправлением ошибок понимают решение задачи локализации ошибок.

При постоянном нарушении правильности информации, обнаружив ошибку, можно принять меры для поиска неисправного элемента и заменить его исправным. Причины же случайных сбоев обычно выявляются чрезвычайно трудно, и такие изредка возникающие ошибки желательно было бы устранять автоматически, восстанавливая правильное значение слов с помощью системы исправления ошибок. Однако следует иметь в виду, что система исправления ошибок требует значительно большего количества оборудования, чем система обнаружения ошибок.

Ниже раздельно рассматриваются методы контроля цифровых устройств двух типов: устройств хранения и передачи информации, устройств обработки информации. К устройствам первого типа могут быть отнесены запоминающие устройства, регистры, цепи передачи и другие устройства, в которых информация не должна изменяться. На выходе этих устройств информация та же, что и на входе. К устройствам второго типа относятся устройства, у которых входная информация не совпадает с выходной и в тех случаях, когда ошибки не возникают. Примером могут служить арифметические и логические устройства.

Обнаружение одиночных ошибок в устройствах хранения и передачи информации

Для дальнейшего изложения потребуется понятие кодовое расстояние по Хеммингу. Для двух двоичных слов кодовое расстояние по Хеммингу есть число разрядов, в которых разнятся эти слова. Так, для слов 110112 и 101102 кодовое расстояние d- 3, так как эти слова различаются в трех разрядах (первом, третьем и четвертом).

Пусть используемые слова имеют n разрядов. Для представления информации можно использовать все 2n возможных комбинаций от 00 ... 0 до 11 ... 1. Тогда для каждого слова найдутся другие такие слова, которые отличаются от данного не более чем в одном разряде. Например, для некоторого слова 1101 можно найти следующие слова: 0101, отличающиеся только в четвертом разряде; 1001, отличающееся только в третьем разряде, и т.д. Таким образом, минимальное кодовое расстояние = 1. Обнаружить ошибки в таких словах невозможно. Например, если передавалось слово N1 = 1101, а принято N2 = 0101, то в принятом слове невозможно обнаружить никаких признаков наличия ошибки (ведь могло бы быть передано и слово N2 = 0101). Для того чтобы можно было обнаружить одиночные ошибки (ошибки, возникающие не более чем в одном из разрядов слова), минимальное кодовое расстояние должно удовлетворять условию dmin > 2. Это условие требует, чтобы любая пара используемых слов отличалась друг от друга не менее чем в двух разрядах. При этом, если возникает ошибка, она образует такую комбинацию цифр, которая не используется для представления слов, т.е. образует так называемую запрещенную комбинацию.

Для получения d = 2 достаточно к словам, использующим любые комбинации из n информационных двоичных разрядов, добавить один дополнительный разряд, называемый контрольным. При этом значение цифры контрольного разряда будем выбирать таким, чтобы общее число единиц в слове было четным. Например:

11001110111 0 11010100111 1

В первом из приведенных примеров число единиц в информационной части четно (8), поэтому контрольный разряд должен содержать 0. Во втором примере число единиц в информационной части слова нечетно (7), и для того, чтобы общее число единиц в слове было четным, контрольный разряд должен содержать единицу. Таким способом во все слова вводится определенный признак - четность числа единиц. Принятые слова проверяются на наличие в них этого признака, и, если он оказывается нарушенным (т.е. обнаруживается, что число содержащихся в разрядах слова единиц нечетно), принимается решение, что слово содержит ошибку.

Этот метод позволяет обнаруживать ошибку. Но с его помощью нельзя определить, в каком разряде слова содержится ошибка, т.е. нельзя исправить ее. Кроме того, при этом методе не могут обнаруживаться ошибки четной кратности, т.е. ошибки одновременно в двух, четырех и т.д. разрядах, так как при таком четном числе ошибок не нарушается четность числа единиц в разрядах слова. Однако наряду с одиночными ошибками могут обнаруживаться ошибки, возникающие одновременно в любом нечетном числе разрядов.

На практике часто вместо признака четности используется признак нечетности, т.е. цифра контрольного разряда выбирается такой, чтобы общее число единиц в разрядах слова было нечетным. При этом, если имеет место, например, обрыв линии связи, это обнаруживается, так как принимаемые слова будут иметь 0 во всех разрядах и нарушится принцип нечетности числа единиц

Для контроля и диагностики цифровых устройств применяются две основные группы методов: тестовые и функциональные. Для их реализации используются аппаратные и программные средства. При тестовом контроле осуществляют подачу специальных воздействий (тестов), снятие и анализ реакций контролируемой системы (устройства, узла) в то время, когда она, как правило, не работает по своему прямому назначению. Этим и определяется область применения этого вида контроля: в процессе наладки систем, во время регламента, для автономной проверки систем перед началом штатного функционирования.

Функциональный контроль предназначен для контроля и диагностирования системы в процессе ее работы. Однако если, средства функционального контроля имеются в системе, то они, как правило, используются и при тестовом контроле. Средства функционального контроля обеспечивают:

Обнаружение неисправности в момент ее первого проявления в контрольной точке, что особенно важно в случае, когда действие неисправности надо быстро блокировать;

Выдачу информации, необходимой для управления работой системы при наличии неисправности, в частности, для изменения (реконфигурации) структуры системы;

Сокращение времени поиска неисправности.

При использовании аппаратных средств функционального контроля в состав узла или устройства вводится избыточная аппаратура, которая функционирует одновременно с основной аппаратурой. Сигналы, возникающие в процессе функционирования основной и контрольной аппаратуры, сопоставляются по определенным законам. В результате такого сопоставления вырабатывается информация о правильности функционирования контролируемого узла (устройства), В качестве избыточной аппаратуры в простейшем случае используется копия проверяемого узла (так называемая структурная избыточность), а также и простейшее контрольное соотношение в виде сравнения двух одинаковых наборов кодов. В общем случае используются более простые контрольные устройства, зато усложняются способы получения контрольных соотношений.

Для контроля функционирования основного и контрольного устройств применяют методы сопоставления: входных и выходных слов, внутренних состояний и переходов.

Первому методу отвечает дублирование, мажорирование, а также контроль по запрещенным кодовым комбинациям. К нему относятся также методы избыточного кодирования. Избыточное кодирование основывается на введении во входную, обрабатываемую и выходную информации дополнительных символов, которые вместе с основными образуют коды, обладающие свойствами обнаружения (исправления) ошибок. Второй метод используют преимущественно для контроля управляющих цифровых устройств.

Для контроля получили распространение следующие типы кодов: код с проверкой на четность, код Хэмминга, итеративные коды, равновесные, коды в остатках, циклические коды.

Код с проверкой четности (нечетности) образуется путем добавления к группе информационных разрядов, представляющих собой простой (не избыточный) код, одного избыточного (контрольного) разряда. При использовании контроля по четности контрольная цифра четности равна «0», если число единиц в коде четное, и «1», если число единиц нечетное. В дальнейшем при передаче, хранении и обработке слово передается со своим разрядом. Если при передаче информации приемное устройство обнаруживает, что значение контрольного разряда не соответствует четности суммы единиц слова, то это воспринимается как признак ошибки. По нечетности контролируется полное пропадание информации, так как кодовое слово, состоящее из нулей, относится к запрещенным. Код с проверкой четности имеет небольшую избыточность и не требует больших затрат оборудования на реализацию контроля. Этот код применяют для контроля: передача/информации между регистрами, считывания информации в оперативной памяти, обменов между устройствами.

Итеративные коды применяют при контроле передач массивов кодов между внешним ЗУ и процессором, между двумя процессорами и в других случаях. Итеративный код образуется путем добавления дополнительных разрядов по четности к каждой строке каждому столбцу передаваемого массива слов (двумерный код). Кроме того, четность может определяться еще 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 реализации.

Корреляционные коды характеризуются введением дополнительных символов для каждого разряда информационной части слова. Если в каком-либо разряде слова стоит 0, то в корреляционном коде это записывается как « 01», если 1, то символом «10». Признаком искажения кодов является появление символов «00» и «11».

Код с простым повторением (контроль по совпадению) основан на повторении исходной кодовой комбинации, декодирование происходит путем сравнения первой (информационной) и второй (проверочной) частей кода. При несовпадении этих частей принятая комбинация считается ошибочной.

Равновесные коды используются для контроля передач данных между устройствами, а также при передаче данных по каналам связи. Равновесный код - это код, который имеет некоторое фиксированное число единиц (весом называется число единиц в коде). Примером равновесного кода является код "2" из "5", из "8". Существует бесконечное количество равновесных кодов.

Контроль по запрещенным комбинациям, в микропроцессорных устройствах используются специальные схемы, обнаруживающие появление запрещенных комбинаций, например, обращение по несуществующему адресу, обращение к несуществующему устройству, неправильный выбор адреса.

Корректирующий код Хэмминга строится таким образом, что к имеющимся информационным разрядам слова добавляется определенное число D контрольных разрядов, которые формируются перед передачей информации путем подсчета четности сумм единиц для определенных групп информационных разрядов. Контрольное устройство на приемном конце образует из принятых информационных и контрольных разрядов путем аналогичных подсчетов четности адрес ошибки, ошибочный разряд корректируется автоматически.

Циклические коды применяют в средствах последовательной передачей двоичных символов, составляющих слово. Типичным примером таких средств служит канал связи, по которому осуществляется передача дискретных данных. Особенность циклических кодов, определяющих их название, состоит в том, что если N-значная кодовая комбинация принадлежит данному коду, то и комбинация, полученная циклической перестановкой знаков, также принадлежит этому коду. Основным элементом кодирующей и декодирующей аппаратуры при работе с такими кодами служит сдвигающий регистр с обратной связью, обладающий необходимыми циклическими свойствами. Циклический код N-значного числа, как и всякий систематический код, состоит из информационных знаков и контрольных, причем последние всегда занимают младшие разряды. Так как последовательная передача производится, начиная со старшего разряда, контрольные знаки передаются в конце кода.

Программные средства функционального контроля используются для повышения достоверности функционирования отдельных устройств, систем и сетей в том случае, когда эффективность аппаратных средств обнаружения ошибок оказывается недостаточной. Программные методы функционального диагностирования основаны на установлении определенных соотношений между объектами, участвующими в ходе работы для обеспечения обнаружения ошибок. В качестве объектов могут выступать отдельные команды, алгоритмы, программные модули, комплексы программ (функциональных и служебных).

Контрольные соотношения устанавливаются на системном, алгоритмическом, программном и микропрограммном уровнях.

В основе формирования контрольных состояний лежат два принципа:

Реализация программными средствами различного уровня методов функционального диагностирования на основе теории кодирования, т.е. используется информационная избыточность;

Составление специальных соотношений по различным правилам на основе использования временной избыточности (двойной и многократный счет, сравнение с заранее рассчитанными пределами, усечение алгоритма и др.) путем преобразования вычислительного процесса.

Оба принципа используются для диагностирования всех основных операций, выполняемых процессорными средствами - операций ввода – вывода, хранения и передач информации, логических и арифметических.

Достоинством программных средств функционального контроля является гибкость и возможность использования любого сочетания для оперативного обнаружения ошибок. Они играют важную роль в обеспечении требуемого уровня достоверности обработки информации. Для своей реализации они требуют дополнительных затрат машинного времени и памяти, дополнительных операций по программированию и подготовке контрольных данных.

Контроль методом двойного или многократного счета состоит в том, что решение всей задачи в целом или отдельных ее частей выполняется два или более раз. Результаты сравниваются и их совпадение считается признаком верности. Используются и более сложные правила сравнения, например, мажорированные, когда за правильный принимаем результат, который соответствует большему числу правильных результатов.

Реализация двойного или многократного счета состоит в том, что определяются контрольные точки, в которых будет проходить cpaвнение, и выделяются специальные объемы памяти для хранения результатов промежуточных и окончательных вычислений, применяются команды сравнения и условного перехода на продолжение вычисления (при совпадении результатов) либо на очередное повторение (при несовпадении результатов.).

Контроль по методу усеченного алгоритма, на основе анализа алгоритмов, выполняемых процессором, строится так называемый усеченный алгоритм. Задача решается как по полному алгоритму, обеспечивающему необходимую точность, так и по усеченному алгоритму, который позволял быстро получить решение, хотя и с меньшей точностью. Затем проводится сравнение точного и приближенного результатов. Примером усеченного алгоритма является изменение шага решения (увеличение) при решении дифференциальных уравнений.

Способ подстановки . При решении систем уравнений, в том числе нелинейных и трансцендентных, предусматривается подстановка в исходные уравнения найденных значений. После этого производится сравнение правых и левых частей уравнения с целью определения невязок. Если невязки не выходят из заданных пределов, решение считается правильным. Время, затраченное на такой контроль, всегда меньше, чем на повторное решение. Кроме того, таким способом обнаруживайте не только случайные, но и систематические ошибки, которые двойным счетом часто пропускаются.

Метод проверки предельных значений или метод "вилок". В большинстве задач можно заранее найти пределы ("вилку"), в которых должны находиться некоторые искомые величины. Это можно сделать, например, на основе приближенного анализа процессов, описываемых данным алгоритмом. В программе предусматриваются определенные точки, где реализуется проверка на нахождение переменных в заданных пределах. Таким методом можно обнаруживать грубые ошибки, которые делают бессмысленным продолжение работы.

Проверка с помощью дополнительных связей . В некоторых случая удается использовать для контроля дополнительные связи между искомыми величинами. Типичным примером таких связей являются известные тригонометрические соотношения. Возможно использование корреляционных связей для задач обработки случайных процессов, статической обработки. Разновидностью этого подхода являются так называемые балансовые методы их суть в том, что отдельные группы данных удовлетворяют определенным соотношениям. Метод позволяет обнаруживать ошибки, вызванные сбоями.

Метод избыточных переменных состоит во введении дополнительных переменных, которые либо связаны известными соотношениями с основными переменными, либо значения этих переменных при определенных условиях известны заранее.

Контроль методом обратного счета, при этом по полученному результату (значениям функции) находят исходные данные (аргументы) и сравнивают их с первоначально заданными исходными данными. Если они совпадают (с заданной точностью), то полученный результат считаете верным. Для обратного счета часто используют обратные функции. Применение этого метода целесообразно в тех случаях, когда реализация обратных функций требует незначительного числа команд, затрат машинного времени и памяти.

Метод контрольного суммирования . Отдельным массивам кодовых слов (программ, исходным данным и т.д.) ставятся в соответствие избыточные контрольные слова, которые заблаговременно получают путем суммирования всех слов данного массива. Для осуществления контроля проводится суммирование всех слов массива и поразрядное сравнение с эталонным словом. Например, при передаче данных по каналу связи все закодированные слова, числа и символы передаваемой группы записей суммируются на входе для получения контрольных сумм. Контрольная сумма записывается и передается вместе с данными.

Контроль методом счета записи. Записью называют точно установленный набор данных, характеризующий некоторый объект или процесс. Можно заранее произвести подсчет количества записей, содержащихся в отдельных массивах. Это число записывается в память. При обработке соответствующего массива данных контрольное число периодически проверяется с целью обнаружения потерянных или необработанных данных.

Контроль за временем решения задач и периодичностью выдаваемых результатов, является одним из принципов определения правильности хода вычислительного процесса. Чрезмерное увеличение длительности решения свидетельствует о "зацикливании" программы. Этой же цели служат так называемые маркерные импульсы (или метки времени) применяемые в системах реального времени. Маркерные импульсы используют для предотвращения того, что вследствие ошибки в последовательности команд процессор остановится или будет совершать неправильные циклы вычисления. Они используются как для всего алгоритма, так и для отдельных участков.

Реализация этих способов состоит в определении самого длинного маршрута следования команд с учетом прерываний другими программами. В составе процессора используют программный счетчик времени, на котором устанавливают предельно допустимое время реализации программы. При достижении нулевого значения в счетчике вырабатывается сигнал превышения допустимого контрольного времени, который обеспечивает прерывание программы. Контроль последовательности выполнения команд и программных модулей осуществляется двумя способами. Программа разбивается на участки, и для каждого участка вычисляется свертка (путем счета числа операторов, методом сигнатурного анализа, использование кодов). Затем снимается трасса прохождения программы и для нее вычисляется свертка и сравнивается с заранее рассчитанной. Другой способ состоит в том, что каждому участку присваивается определенное кодовое слово (ключ участка). Этот ключ записывается в выбранную ячейку ОЗУ перед началом выполнения участка, одна из последних команд участка проверяет наличие "своего" ключа. Если кодовое слово не соответствует участку, то имеется ошибка. Узлы разветвляющихся программ проверяются повторным счетом, а выбор только одной ветки - с помощью ключей. Контроль циклических участков программы состоит в проверке числа повторений цикла, за счет организации дополнительного программного счетчика.

При тестовом контроле проверку узлов, устройств и системы в целом осуществляют с помощью специального оборудования - генераторов тестовых воздействия и анализаторов выходных реакций. Необходимость в дополнительном оборудовании и временные затраты (невозможность штатного (функционирования во время проведения тесте ограничивает использование тестовых методов.

Тестирование со штатной программой , функциональная схема организации такого тестирования включает генератор тестов, содержащий набор, заранее подготовленных статистических тестов и анализатор, работающий по принципу сравнения выходной реакции с эталонной, полученной также заранее специальными средствами подготовки тестов.

При вероятностном тестировании в качестве генератора тестов используется генератор псевдослучайных воздействий, реализованный, например, сдвиговым регистром с обратными связями. Анализатор обрабатывает выходные реакции по определенным правилам (определяет математическое создание числа сигналов) и сравнивает полученные значения с эталонными. Эталонные значения рассчитываются либо получают на предварительно отлаженном и проверенном устройстве.

Контактное тестирование (сравнение с эталоном) заключается в том, что способ стимуляции может быть любой (программный, от генератора псевдослучайных воздействий), а эталонные реакции образуются в процессе тестирования с помощью дублирующего устройства (эталона). Анализатор производит сравнение выходной и эталонной реакции.

Синдромное тестирование (метод подсчета числа переключении). Функциональная схема содержит генератор тестов, который генерирует подсчитывает 2N наборов на вход схемы, а на выходе имеется счетчик, который подсчитывает число переключении, если число переключений не равно эталонному значению, то схема считается неисправной.

При сигнатурном тестировании выходные реакции, получаемые за фиксированный интервал времени обрабатываются на регистре сдвига с обратными связями - сигнатурном анализаторе, позволяющем сжимать длинные последовательности в короткие коды (сигнатуры). Полученные таким путем сигнатуры сравниваются с эталонными, которые получаются расчетным путем, либо на предварительно отлаженном устройстве. Стимуляция объекта контроля осуществляется с помощью генератора псевдослучайных воздействий.

В заключении следует отметить, что не существует универсального метода контроля. Выбор метода должен производиться в зависимости от функционального назначения цифрового устройства, структурной организации системы, требуемых показателей надежности и достоверности.

При проведении регламентных работ или во врем предполетной подготовки ИВК основными методами контроля являются тестовые методы. В процессе полета основными являются функциональны методы контроля, а тестирование в основном производится с целью локализации неисправностей, в случае их возникновения.

6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ УЧЕТЕ ВЛИЯНИЯ

УПРУГИИХ СВОЙСТВ НА ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ