Что такое Техническое диагностирование Что включает в себя Система технического диагностирования Какие задачи контроля и диагностики решаются на стадии разработки Что такое диагностический параметр признак Как разделяются системы технического диагностирования по степени охвата Как подразделяют системы технического диагностирования по характеру взаимодействия СТД со средствами технического диагностирования СрТД

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция 2

Тема.

Цель. Дать понятие о методах технической диагностики для электронных систем.

Учебная. Разъяснить понятия методов диагностики.

Развивающая. Развивать логическое мышление и естественное - научное мировоззрение.

Воспитательная . Воспитывать интерес к научным достижениям и открытиям в отрасли телекоммуникации.

Межпредметные связи:

Обеспечивающие: информатика, математика, вычислительная техника и МП , системы программирования .

Обеспечиваемые: Стажорская практика

Методическое обеспечение и оборудование:

Методическая разработка к занятию.

Учебный план.

Учебная программа

Рабочая программа.

Инструктаж по технике безопасности.

Технические средства обучения: персональный компьютер.

Обеспечение рабочих мест:

• Рабочие тетради

Ход лекции.

Организационный момент.

Анализ и проверка домашней работы

Ответьте на вопросы:

1. Какими направлениями характеризуется структура технической диагностики? Дайте определение каждому из них.
2. Объясните определение « Распознавание состояния системы», от чего зависит число диагнозов?
3. Какими свойствами должны обладать параметры, описывающие состояние системы?
4. Что собой представляет Техническая диагностика?
5. Что такое техническое обслуживание?
6. Что понимается под Ремонтом оборудования?
7. Что такое Ремонтопригодность?
8. Какие предусматриваются виды ремонта цифровых систем? Дайте определение каждому из них.
9. Поясните определение «Техническое состояние».
10. Какие виды состояния объекта различают? Охарактеризуйте каждое из них.
11. Разъясните термины Правильное функционирование и Неправильное функционирование.
12. Что такое Техническое диагностирование ?
13. Что включает в себя Система технического диагностирования?
14. Какие задачи контроля и диагностики решаются на стадии разработки?
15. Что такое диагностический параметр (признак)?
16. Как разделяются системы технического диагностирования по степени охвата?
17. Как подразделяют системы технического диагностирования по характеру взаимодействия СТД со средствами технического диагностирования (СрТД)?

План лекции

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

1.1 Особенности современных цифровых систем как объекта контроля и диагностики

1.2 Анализ моделей неисправности цифровых устройств

1.3 Виды и методы контроля и диагностики

1.4 Встроенный контроль цифровых систем

1.5 Особенности современных цифровых систем как объекта контроля и диагностики

Появление цифровых систем на микропроцессорной базе, в сочетании со специализированными БИС, СБИС и МПК привело к серьезной проблеме обеспечения эффективного обслуживания в местах их эксплуатации. Большинство специалистов, занимающихся обслуживанием сложных цифровых систем достаточно ясно осознало, что к проблеме контроля и диагностики в условиях эксплуатации нельзя относится как к вопросу второстепенной важности. Поэтому повышение технических и эксплуатационных характеристик сложных цифровых систем на базе БИС, СБИС и МПК неразрывно связано с разработкой новых методов и средств диагностики с необходимостью всестороннего учета и анализа цифровых плат и их составных частей, как объекта контроля и диагностики.

Особенности контроля и диагностики цифровых плат с БИС и СБИС характеризуется следующим :

- широким диапазоном характеристик БИС и СБИС;

Количеством контрольных тестов, которое может достигать несколько тысяч;

Цифровые платы с БИС и СБИС имеют магистральный принцип организации, что требует обеспечения обмена данными по 4, 8, 16 - разрядным шинам за один период тактовой частоты, а также одновременный многоканальный контроль;

- магистральные шины в большинстве БИС и СБИС имеют двунаправленный режим работы, поэтому контрольное оборудование должно обеспечивать переключение с передачи на приём в течение одного периода тактовой частоты;

Цифровые платы с БИС и СБИС могут иметь в интерфейсных схемах несколько двунаправленных каналов ввода-вывода;

Так как временные характеристики играют важную роль, то операции контроля должны производится на частоте, близкой к рабочей частоте до 10 – 20 МГц.

Микропроцессорные системы (МПС) также имеют ряд особенностей, которые не позволяют использовать традиционное оборудование:

- описание схем затруднено, так как их функции, в M ПС реализуются микропрограммами, хранящимися в ПЗУ. Работа этих схем скрыта в алгоритме программы;

Аналогичные трудности возникают в связи с динамичностью работы M ПС, в которых импульсные сигналы обычно действуют в течение нескольких микросекунд, а затем исчезают.

Параллельная структура шин, к которым подключено сразу несколько устройств по схеме ИЛИ затрудняет обнаружение источника неисправностей .

Поэтому нужно знать, не только где смотреть, но и когда смотреть;

Таким образом, можно указать на общие особенности цифровых плат на базе БИС, СБИС и МПК, определяющих сложность их контроля:

Повышенная сложность объекта контроля;

Ограниченный допуск к контролируемым узлам;

Шинная организация;

Необходимость контроля в реальном масштабе времени;

Микропрограммное управление МП;

Неполнота контроля комплектующих БИС и СБИС;

- влияние на устойчивость функционирования МПС входных

проводимостей БИС, СБИС и элементов конструкции;

Высокая стоимость обнаружения и устранения дефектов и др.

На основании вышеизложенного можно отметить, что в условиях эксплуатации цифровых систем требуется решение следующих задач контроля и диагностики:

1 . Снижение себестоимости контрольно-диагностических работ с целью минимизации себестоимости ремонтно-восстановительных работ.

2. Сбор и обработка информации об эксплуатационной надежности цифровых плат и их составных частей, а также о временных и экономических затратах на поиск и устранение неисправностей.

С целью разработки автоматизированного устройства диагностики цифровых плат (АУДЦП) и создания базы диагностических данных должны быть разработаны:

- методика анализа номенклатуры и технических данных заданных типов цифровых плат как объекта контроля и диагностики для средств

Диагностики на основе метода сигнатурного анализа;

Методика анализа статистических данных подконтрольной эксплуатации цифровых систем для определения надежностных характеристик цифровых плат.

По первому направлению необходимо проведение анализа номенклатуры и технических данных цифровых плат и их составных частей, который включает в себя :

1 . Распределение числа различных по функциональному назначению цифровых плат в цифровой системе;

2. Число типонаименований цифровых плат и их размеры: типы, серии и число ИМС, БИС, СБИС и МПК;

3. Типы и число разъёмов, число контактов разъёмов в различных типах цифровых плат;

4. Рабочие частоты функционирования узлов в рассматриваемых цифровых платах;

5. Градации напряжения источников питания для различных цифровых плат с ИМС, БИС, СБИС и МПК.

По второму направлению необходимо проведение анализа существующей подсистемы ремонтно-восстановительных работ (РВР), связанных с цифровыми платами:

1 . Общая организация, способы и средства контроля и диагностики, используемые при РВР;

2. Временные и стоимостные затраты на проведение контрольно- диагностических операций для заданных цифровых плат и ремонтно- восстановительных работ (РВР) в целом;

3. Анализ надёжностных характеристик цифровых плат и их составных частей по результатам обобщенного опыта эксплуатации.

С целью определения основных количественных показателей эксплуатационной надёжности цифровых плат, учёт которых позволит снизить реальные трудозатраты на проведение контрольно-диагностических операций, необходимо проведение анализа :

а ) интенсивности отказов цифровых плат;

б) доли отказов отдельных цифровых плат в общем, количестве отказов аппаратуры;

в) среднего времени поиска неисправности;

г) наработки на отказ и среднего времени восстановления цифровых плат;

д) ранжирования цифровых плат по критерию эксплуатационной надежности.

Таким образом, в создаваемой базе диагностических данных АУДЦП предусматривается хранение:

Сведений о типах ИМС, БИС,СБИС и МПК и их эталонных сигнатурах, необходимых при их замене и для организации входного контроля;

Сведений о проверяемых цифровых платах и их эталонных сигнатурах непосредственно на контактах разъёмов;

Сведений о топологический модели схемы цифровых плат;

Алгоритмов для поиска и локализации места неисправности в цифровых платах;

Сведений о внешних стыковочных параметрах, необходимых при настройке и проверке работоспособности восстановленных цифровых плат и доведения этих параметров до норм указанных в технических условиях.

Для повышения эффективности средств контроля и диагностики, пользователю АУДЦП необходимо предоставить на выбор один из ниже следующих режимов:

- режим словаря («журнал») эталонных сигнатур, для заданных типов цифровых плат. Подобный словарь эталонных сигнатур цифровых плат даёт возможность контролировать по ним состояние цифровой схемы в произвольном порядке, отыскивая неправильные или нестабильные сигнатуры;

Режим обратного прослеживания ошибок по заданному алгоритму поиска неисправности в цифровой плате. В этом режиме оператор получает указания по последовательному контролю набора точек, что позволяет оператору с зондом, начиная с неправильной сигнатуры, определить всю цепочку сигнатур, ведущую к неисправному элементу или узлу схемы с точностью, которая обеспечивает методы сигнатурного анализа.

При этом в АУДЦП по окончании контрольно-диагностических процедур должно обеспечиваться автоматическое документирование и хранение результатов:

Даты и времени проявления неисправности;

Режим работы цифровой системы в момент появления неисправности;

Метода и средства, применяемого для поиска и локализации места неисправности;

Места и причины неисправности;

Временных характеристик обнаружения, поиска и локализации места неисправности;

Оператора производившего диагностику неисправности.

Основным состоянием цифрового устройства является исправное – такое состояние устройства, при котором оно удовлетворяет всем требованиям технической документации. В противном случае устройство находится в одном их неисправных состояний.

Если установлено, что цифровое устройство неисправно, то решается вторая задача: осуществляется поиск неисправности схемы, цель которого – определение места и вида неисправности.

Неисправности цифрового устройства появляются в результате применения неисправных компонентов, возникновения разрывов или коротких замыканий в межкомпонентных соединениях, нарушение условий эксплуатации схемы, наличие ошибок при проектировании и производстве, а также ряд других факторов.

Для научно обоснованного выбора методов и средств диагностики необходимо тщательное изучение и анализ неисправностей цифровых устройств, а также определение к какому классу они относятся. При этом метод диагностики будет адекватен цифровому устройству, для которого он используется, именно в той мере, в какой адекватно принятая за основу модель неисправности.

В большинстве случаев рассматриваются следующие виды неисправностей:

1. Константные неисправности: константный нуль и константная единица, что означает наличие постоянного уровня логического нуля или логической единицы на входах и выходе неисправного логического элемента.

3. Неисправности типа «короткое замыкание» (мостиковые неисправности) появляются при коротком замыкании входов и выходов логических элементов и подразделяются на два вида: неисправности, вызванные коротким замыканием входов логического элемента, и неисправности типа обратной связи.

4. Инверсные неисправности описывают физические дефекты цифровых схем, приводящие к появлению фиктивного инвертора по входу или выходу логического элемента, входящего в данную схему.

5. Неисправности типа «перепутывание» заключаются в перепутывании связей цифровой схемы и вызываются ошибками, возникающими при проектировании и производстве цифровых схем, которые изменяют функции, выполняемые схемой.

На рисунке 1. приведен жизненный цикл цифровых систем в период, их технической эксплуатации который, можно характеризовать через - интенсивность отказа:

Рис.1. Три этапа технической эксплуатации цифровых систем

На кривой можно выделить три характерные области:

I. предэкслуатационная тренировка и испытания.

II. нормальная эксплуатация.

III. старение, износ и утилизация.

В первый период предэксплуатационных испытаний выявляются в основном большинство производственных дефектов и неисправностей. Они составляют до 70 – 80% отказов системы в целом.

Во второй период система проходит нормальную эксплуатацию, поэтому наблюдаются отказы и неисправности с минимальной интенсивностью - .

В третьем периоде резко возрастает в виду деградационных процессов, и система нуждается в капитальном ремонте или в утилизации.

Характер и вид отказов в эти три периода технической эксплуатации систем в основном разнотипные: если в первый период превалируют производственные ошибки, то в третьем – наблюдается резкое отклонение численных значений основных параметров элементов, обусловленные процессами деградации и устраняемые в определённой мере способом регулировок и подстроек. Анализ причин и видов отказов в разные временные отрезки позволяет активно вмешиваться в производственный процесс и минимизировать погрешности за счет влияния человеческого фактора (проводить обучение техперсонала, снабдить их прогрессивной контрольно - измерительной техникой и т.д.).

Известно, что первоисточником нарушений нормальной работы объекта или ухудшением тех или иных его характеристик являются физические дефекты компонентов его элементов, а также связей между ними. Неисправность как физическое явление называют дефектом, а термин "неисправность" используется либо как название модели дефекта, либо в смысле неисправного состояния объекта или его составных частей.

Таким образом, под дефектом понимают физическое явление в компонентах устройства, вызвавшее переход в подмножество неисправных состояний. А неисправность - это формализованное представление факта проявления дефекта в виде неправильных значений сигналов на входах и выходах объекта. Термин "дефект" связан с термином "неисправность", но не является его синонимом, то есть неисправность - это определенное состояние объекта, в котором оно может иметь один или несколько дефектов. В зависимости от структуры устройство дефект может привести или не привести к ошибке на внешних выходах объекта, а ошибка - это неправильные значения сигналов на внешних выходах объекта, вызываемые неисправностями.

Интенсивность отказов отдельных элементов цифровых систем имеет следующие пределы :

Интенсивность отказов - · 10 -6

И.С. – 0.1· 10 -6

Диод – (0,2 – 0,5) ·10 -6

Центральный процессор – 152·10 -6

Транзистор – (0,05 – 0,30) ·10 -6

Резистор – (0,01 – 0,1)·10 -6

Печатающее устройство – 420·10 -6

Пайка – 0,0001·10 -6

ОЗУ – 300·10 -6

НМД – 250·10 -6

НМЛ – 350·10 -6

Разъёмы – (2,0 – 3,5) · 10 -6

В зависимости от сложности и трудоёмкости локализации дефектов время его обнаружения колеблется в широких пределах.

Наличие дефектов значительно увеличивает стоимость производства, ухудшает качество и надежность функционирования схемы.

Распределение дефектов по разным этапам технологического процесса следующее:

1. Входной контроль изделий – 1,9 ÷3,2% .

2. Комплектование – 0,9 ÷ 1,2% .

3. Подготовка и формовка элементов – 0,8 ÷1,0% .

4. Сборка – 3 ÷ 4% .

5. Пайка – 5 ÷ 6% .

6. Межоперационные перемещения изделий – 0,4 ÷ 0,6% .

В целом до 20% печатных узлов содержат те или иные дефекты, которые необходимо выявлять и исправлять.

Испытания показывают, что:

Короткие замыкания печатных проводников – 34%;

Обрывы печатных проводников – 27%;

Неправильная ориентация – 15%;

Пропущенные и ошибочно установленные элементы – 17%;

Дефектные элементы – 5%, а прочие дефекты - 2% .

Аналогичные данные по английской технологии показывают, что:

Поток годных печатных узлов – 67%, а 33% - дефектные.

Виды дефектов следующие:

Короткие замыкания – 50%;

Отсутствие элементов – 20%, а неверно установленные элементы – 10%;

Неисправности активные –10%, а пассивные – 10%.

Виды дефектов интегральной микросхемы следующие :

Поверхностные дефекты ИС – 38,9%;

Дефекты корпуса – 26%;

Дефекты выводов – 10,3%;

Дефекты соединений – 5,2%;

Дефекты металлизации – 6,6%;

Объёмные дефекты в - 6,6%;

Дефекты в окисле – 6,4%.

В результате появления дефекта наблюдаются отказы или сбои.

Отказ системы (устройства) - это полная или частичная утрата системой (устройством) работоспособности, на восстановление которой необходимо произвести ремонт (замена) неисправного элемента, блока или устройства.

Таким образом, сложная система может иметь огромное множество состояний, которые условно разделяются на работоспособные и неисправны состояние.

Каждое состояние системы обычно задаётся вероятностными параметрами или разрабатываются разной степени сложности математические модели, степень адекватности которой реальному процессу иной раз невозможно установить никакими измерениями. В неработоспособном состоянии какие-то функциональные параметры системы выходят за пределы нормы. Поэтому при помощи технической диагностики получается информация о техническом состоянии системы (рис. 2 ) с целью управления этим состоянием и возвращением системы в работоспособное состояние.

Граф технического состояния системы выглядит следующим образом.

Рис. 2 . Граф технического состояния системы

Поэтому главные задачи технической эксплуатации системы это: предотвращение появления отказов, произведение восстановления системы при отказах, оценка состояния системы, продление состояния готовности системы, своевременное произведение техобслуживание и т.д.

Вероятность пребывания системы в работоспособном состоянии выражается через коэффициент:

(1)

Где – средняя наработка на отказ;

Среднее время восстановления;

– средняя продолжительность техобслуживания.

Оптимальная частота проведения профилактических работ зависит от наличия достаточного количества опытных специалистов (их производительности профилактических работ), от надёжности функционирования основных элементов систем, от времени восстановления и т. д. При проведении профилактических работ (регулировки, измерения множества параметров систем и т. д.) превалирует ручной труд и поэтому персонал в результате ошибочных действий может внести в действующие системы отдельные виды неисправностей и отказов.

Существуют различные математические модели отказов, которые с разной степенью точности описывают этот процесс

В виду редкости появления событий в виде отказов ординарный поток отказов во времени без последействия описываются законом Пуассона:

(2)

Где – число появляющихся отказов за отрезок времени с интенсивностью -.

Вероятность отсутствия отказа за время равно:

(3)

Время безотказной работы в случае внезапных отказов элементов распределяется по экспоненциальному закону с плотностью вероятности

где - интенсивность внезапных отказов.

Распределения времени безотказной работы по постепенным отказам:

(4)

Где – среднее время безотказной работы.

Распределение времени безотказной работы по двум видам системы:

(5)

Где и – нормирующие коэффициенты.

Время безотказной работы для некоторых элементов подчиняется закону распределения Вейбулла:

(6)

Где и – параметры распределения.

Для экспоненциального закона безотказной работы среднее время безотказной работы равно:

(7)

Среднее время восстановления для экспоненциального закона:

, (8)

Где - интенсивность восстановления системы.

Если отказы появляются в соответствии с требованиями стационарности случайных процессов, то указанные модели могут иметь место в определенной стадии эксплуатации.

В случаях множественных отказов или же их группировании можно рассматривать поток пакетов отказов (ошибок, сбоев) во времени, которые образуют также стационарный процесс.

1.3. Виды и методы контроля и диагностики

Практическая реализация путей повышения уровня контролепригодности существующих и перспективных цифровых систем связана в первую очередь с усовершенствованием как традиционных, так и разработкой качественно новых методов и средств оценки технического состояния цифровых устройств. В общем случае в процессе работы цифровые системы являются источником возникновения различных процессов: электрических, тепловых, электромагнитных и т.д, которые могут являться носителями существенной диагностической информации о техническом состоянии. Рассмотрим существующие методы контроля и диагностики.

Все электрические методы контроля могут быть разделены на три основные группы:

• параметрический,
• функциональный
• тестовый

Параметрический контроль включает традиционный метод измерения параметров на постоянном токе и временные параметры: напряжений, токов, сопротивлений, частоты, скважности, фронтов, длительностей импульсов, время задержки распространения сигнала, длительность нарастания, длительность спада и др.

Кроме того, параметрическим измерениям подлежат токи утечки входных контактов, взаимные проводимости выводов микросхем, коэффициенты усиления, а в ряде случаев и параметры входных и выходных сигналов, получаемых в процессе упрощения проверки логических узлов.

Параметрический контроль электронных узлов используется при проверке правильности установки элементов на платы, локализации неисправных элементов, контроле входных и выходных плат в условиях производства и эксплуатации. Известно три основных метода параметрического контроля элементов, установленных на плату: метод функциональных проб, метод двухполюсников, метод потенциального разделения. Анализ показывает, что использование первого и второго методов связано с выпаиванием электронных элементов из схем, что в свою очередь может стать источником отказов в электронном узле. В настоящее время широкое распространение получил третий параметрический метод измерения без разрыва связей между элементами .

В отличие от параметрического контроля, задача функционального контроля включает : проверку исправности, поиск неисправности, локализацию неисправности. Методы функционального контроля различаются по четырем основным признакам: способу генерации входных воздействий, способу генерации выходных реакций, способу сравнения выходных реакций испытуемой системы с истинными, способу анализа и постановки диагноза. Последний включает четыре известных способа: замещение, логический анализ, сигнатурный анализ и автоматическая диагностика. В зависимости от масштаба времени, в котором производится функциональный контроль, различают статический и динамический. Статический функциональный контроль осуществляется при низкой скорости протекания процесса, а динамический - осуществляется в реальном масштабе времени при быстродействии близкой к максимальной. В соответствии с этим, статический контроль обнаруживает относительно простые неисправности, а динамический контроль позволяет выявить сложные динамические неисправности.

В отличие от функционального контроля, при котором используются только рабочие воздействия, тестовый контроль отличается возможностью подачи на контролируемую схему специальных тестовых воздействий. При использовании тестового метода возникает задача синтеза контролирующих и диагностических тестов для заданного класса неисправностей: константные неисправности, короткие замыкания, обрывы неисправности элементов и т.д. Из чаще всего применяемых при тестовых методах ограничений типа неисправностей, можно указать на неисправность "тождественный 0 " и "тождественная 1". В качестве тестовых методов, учитывающих и неучитывающих логику схемы используются: метод таблиц истинности, метод булева дифференцирования, алгоритм Армстронга, метод Х-кубов и метод Д-кубов .

Первые три метода используются для обнаружения единичных неисправностей типа "тождественный 0 " и "тождественная 1" в комбинационных схемах, а также для частичной локализации неисправностей.

Методы построения тестов:

а) метод пересечения применим для объектов с однократными неисправностями и с достаточно большим числом сменных элементов (до 150 и более и до 400 и более связей между ними). Метод может быть использован при построении средств диагностики для комбинационных схем с памятью;

б) метод таблиц истинности может успешно применяться для класса комбинационных схем, которые не слишком большие (8÷10 входов и 4-5 выходов) и имеют число специфических неисправностей, не превышающих несколько сотен для обнаружения и не более ста для локализации неисправностей;

в) метод булева дифференцирования применяют для проверки комбинационных схем, содержащих неисправности типа "тождественный 0" или "тождественная 1";

г) алгоритм Армстронга используется для обнаружения единичных неисправностей типа "тождественный 0" и "тождественная 1" в комбинационных схемах. Кроме того, этот метод пригоден и для частичной локализации неисправностей;

д) метод Х-кубов может применяться для обнаружения неисправностей, как в комбинационных, так и в схемах с обратными связями;

е) метод Д-кубов применяется как для проверки неисправностей типа "тождественный 0" и "тождественная 1", так и для других неисправностей.

Все рассмотренные методы контроля и диагностики резко отличаются друг от друга по информативности, полноте, глубине, достоверности и производительности контроля и трудоемкости диагностики, требованиям к квалификации специалистов. Необходимо отметить, что реализация наиболее информативных и высоко производительных методов сопряжена с созданием сложных средств контроля и диагностики.

1.4. Встроенный контроль цифровых систем

Объективной тенденцией развития современных цифровых систем является расширение круга решаемых ими задач при одновременном повышении требований к эффективности функционирования. Резкое увеличение количества элементов в единице оборудования, усложнение схемных решений и функциональных связей цифровых систем приводит к значительным трудностям в оценке их технического состояния , обнаружении неисправностей и выявлении их причин в условиях эксплуатации. В результате возрастают эксплуатационные затраты, связанные с техническим обслуживанием и ремонт о м цифровых систем.

В настоящее время технологический процесс технического обслуживания и ремонта цифровых систем не в полной мере соответствует современным требованиям их эксплуатации. Это объясняется тем, что для выполнения технологических операций по техническому обслуживанию и текущему ремонту, цифровые системы не всегда укомплектованы специальными техническими средствами.

Кроме того, используемая при техническом обслуживании эксплуатационно-техническая документация не содержит рекомендаций по выполнению технологических операций по текущему ремонту и диагностике отказавших функциональных узлов (плат) цифровой системы, а обслуживающий персонал не имеет достаточных знаний, опыта и навыков в области эксплуатации современных цифровых систем, созданных на базе БИС, СБИС и микропроцессорных комплектов.

Одной из основных задач функционального контроля в цифровых системах является оперативное обнаружение отказов технических средств (ТС). Для решения этой задачи необходимо контролировать состояние каждого ТС и сам процесс передачи и обработки информации. Контроль процесса в целом является системным, в большинстве случаев он оказывается более простым в реализации и достаточно полным, его элементы включаются во все протоколы обмена. В существующих протоколах передачи информации предусмотрен контроль верности информации, благодаря которому обнаруживается возникновение любого технического отказа, вызывающего нарушения процесса передачи и обработки информации.

Одним из недостатков контроля процесса в целом является задержка с обнаружением отказа на интервале времени от момента возникновения отказа до его обнаружения. С этой точки зрения определенные преимущества имеет функциональный контроль состояния каждого ТС системы, благодаря которому отказавшее ТС может быть заблокировано в момент возникновения отказа. При этом отказ должен обнаруживаться и устраняться в точке технологического процесса, наименее удаленной во времени и пространстве от точки возникновения этого отказа. В более общем случае реальная система функционального контроля фиксирует отказы лишь с некоторой вероятностью. Отказы, не фиксируемые контролем, обнаруживаются с задержкой времени, которая является в общем случае величиной случайной.

В силу аддитивности эта задержка прибавляется к времени восстановления: ,

где – случайное время восстановления, исчисляемое от момента обнаружения отказа до момента полного восстановления; – указанное в ы ше случайное время задержки обнаружения отказа, исчисляемое от момента, когда фактически произошел отказ, до момента его обнаружения.

Поэтому за один из показателей качества функционального контроля ТС принимается вероятность оперативного (т. е. в момент возникновения или с заданной допустимой задержкой ) обнаружения отказа .

Для обеспечения единой стратегии контроля и диагностики цифровых систем целесообразно использование двух уровней: верхний уровень – контроль и диагностика с точностью до ТЭЗа на базе встроенных средств контроля, нижний уровень – диагностики неисправностей с помощью средств технической диагностики до неисправного элемента в ТЭЗе.

В этой связи одним из эффективных решений проблемы контроля цифровой системы представляется использование принципа встроенного контроля, который заключается в том, что цифровая система и ее составные части разрабатываются таким образом, чтобы обеспечивалась возможность встроенного контроля без участия какого-либо внешнего оборудования. Методы встроенного контроля можно иерархически перераспределить между различными уровнями от составных частей до цифровой системы в целом. Встроенный контроль позволяет производить проверку цифровой системы в процессе выполнения основных функций и по существу повышает эксплуатационную надежность системы, поскольку позволяет обнаруживать отказы сразу же при их возникновении.

Встроенным средствам контроля присущи следующие основные преимущества:

а) значительное сокращение времени восстановления работоспособности системы и, соответственно, повышение общей эксплуатационной готовности;

б) уменьшение численности обслуживающего персонала, обеспечивающего ремонтно-восстановительные работы;

в) сокращение видов ремонта и ЗИП за счет повышения достоверности контроля.

Однако необходимо учитывать, что средства встроенного оперативного контроля двояко влияют на характеристики контролируемой системы: с одной стороны повышается достоверность контроля и уменьшается время обнаружения неисправности, с другой стороны, возрастает объем дополнительного оборудования, что в свою очередь приводит к снижению надежности самой системы. Таким образом, встроенные средства оперативного контроля, обеспечивая выигрыш в достоверности контроля, приводят к определенному проигрышу в безотказности, контролируемой аппаратуры. В этой связи поиск разумного оптимума между полнотой охвата встроенным контролем системы и объемом средств встроенного контроля является актуальной задачей. Учет влияния объема встроенного контроля на эксплуатационные характеристики системы позволит оптимально перераспределять ресурсы между встроенными и внешними средствами контроля и диагностики. Поэтому для обоснованного выбора встроенного контроля необходимо проведение исследования влияния объема средств встроенного контроля на такие характеристики, как коэффициент готовности, вероятность обнаружения неисправности и среднее время восстановления цифровой системы.

Существуют следующие параметры эффективности системы встроенного контроля:

– коэффициент готовности контролируемой системы с системой встроенного;

– вероятность обнаружения неисправности контрольным устройством;

– прорыв в безотказности контролируемого устройства с системой контроля;

– выигрыш в достоверности при использовании встроенного контроля;

– среднее время наработки на отказ контролируемой системы с системой встроенного контроля;

– среднее время восстановления контролируемой системы с системой встроенного контроля.

Как показано в критерий оценки эффективности функционирования системы контроля – это проигрыш в безотказности контролируемого устройства с системой встроенного контроля. Он определяется по следующей формуле.

, (9)

где – вероятность безотказной работы исходной (не контролируемой) схемы;

– вероятность безотказной работы.

В свою очередь вероятность безотказной работы исходной схемы можно определить как

, (10)

Где – параметр потока отказов всего оборудования,

– интенсивность восстановления контролируемой системы

Вероятность безотказной работы средства контроля

(11)

Где и при которых контролирующая система считается исправной.

Общее выражение проигрыша в безотказности контролируемой системы со средством встроенного контроля

Выигрыш в достоверности при использовании встроенной системы контроля определяется согласно как

, (13)

где - достоверность функционирования контролируемого и контрольного устройства в процессе проверки, которая вычисляется по формуле

. (14)

Подставив данное выражение в формулу получим

. (15)

Графики зависимости ∆Р и ∆ D от δ при различных значениях вероятности обнаружения неисправности Р обн и вероятности безотказной работы исходной системы Р исх приведены на рис 5 , 6 , 7 , 8 .

Рис 5. График зависимостей и при и различных значениях вероятности безотказной работы исходной схемы

Рис.6. График зависимостей и при и различных размерах вероятности безотказной работы исходной схемы

Рис. 7. График зависимостей и при и различных значениях вероятности безотказной работы исходной схемы

Рис. 8. График зависимостей и при и различных значениях вероятности безотказной работы исходной схемы

На основании графиков приведенных на рис. 5, 6, 7, 8 можно получить зависимость оптимальной величины объема встроенного контроля цифровой системы в зависимости от вероятности обнаружения неисправности при различных значениях вероятности безотказной работы исходной схемы Эта зависимость приведена в таблице 1, а график зависимостей по результатам данной таблицы приведен на рис. 9.

Таблица 1.

Зависимость оптимального от при различных значениях вероятности безотказной работы исходной схемы

Рис. 9. График зависимости при различных значениях вероятности безотказной работы исходной схемы

Из графика приведенного на рис. 1 видно, что при малых значениях величины оптимального объема встроенного контроля большие и при различных вероятностях безотказной работы исходной (контролируемой) схемы несколько отличны друг от друга. С увеличением снижается величина. И если верхним пределом величины объема встроенного контроля было определено значение приближенно равное 30%, то нижней границей можно считать величину приближенно равную 10%. Таким образом, эффективная величина объема встроенного контроля цифровой системы лежит в диапазоне от 10% до 30% от величины объема контролируемого оборудования.

Домашнее задание: § конспект.

Закрепление материала:

Ответьте на вопросы:

1. Чем характеризуется Особенности контроля и диагностики цифровых плат с БИС и СБИС?
2. Какие особенности Микропроцессорных систем (МПС) не позволяют использовать традиционное оборудование?
3. Какие общие особенности цифровых плат на базе БИС, СБИС и МПК, определяют сложность их контроля?
4. Какие задачи контроля и диагностики требуют решения в условиях эксплуатации цифровых систем?
5. Что включает в себя анализа номенклатуры и технических данных цифровых плат и их составных частей?
6. Какой анализ производится С целью определения основных количественных показателей эксплуатационной надёжности цифровых плат?
7. Поясните «Режим словаря», «Режим обратного прослеживания ошибок». Для чего они используются?
8. Какие результаты сохраняются по окончании контрольно-диагностических процедур?
9. Какое состояние цифрового устройства является основным?
10. Какие виды неисправностей рассматриваются в большинстве случаев?
11. Поясните три этапа технической эксплуатации цифровых систем
12. Что такое ДЕФЕКТ? В чем его отличие от неисправности?
13. Что такое отказ системы (устройства)?
14. Дайте определение и поясните п араметрический контроль.
15. Дайте определение и поясните функциональный контроль.
16. Дайте определение и поясните тестовый контроль.
17. В чем состоят основные задачи функционального контроля в цифровых системах?
18. Встроенный контроль – раскройте его значение.
19. Какие преимущества присущи Встроенным средствам контроля?

Литература:

Амренов С. А. «Методы контроля и диагностики систем и сетей связи» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ -:Астана, Казахский государственный агротехнический университет, 2005 г.

И.Г. Бакланов Тестирование и диагностика систем связи. - М.: Эко-Трендз, 2001.

Биргер И. А. Техническая диагностика.— М.: «Машиностроение», 1978.—240,с, ил.

АРИПОВ М.Н, ДЖУРАЕВ Р.Х., ДЖАББАРОВ Ш.Ю. «ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ» -Ташкент, ТЭИС, 2005

Платонов Ю. М., Уткин Ю. Г. Диагностика, ремонт и профилактика персональных компьютеров. -М.: Горячая линия - Телеком, 2003.-312 с: ил.

М.Е.Бушуева, В.В.Беляков Диагностика сложных технических систем Труды 1-го совещания по проекту НАТО SfP -973799 Semiconductors . Нижний Новгород, 2001

Малышенко Ю.В. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА часть I конспект лекций

Платонов Ю. М., Уткин Ю. Г. Диагностика зависания и неисправностей компьютера/Серия «Техномир». Ростов-на-Дону: «Феникс», 2001. — 320 с.

PAGE \* MERGEFORMAT 12

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
2151.		МЕТОДЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ	357.74 KB
	Методы представления сигналов в виде диаграмм Глазковые диаграммы Диаграммы состояний Алгоритмические диаграммы диаграмма Треллиса и древовидная диаграмма Особенности представления цифровых сигналов. Помимо достаточно хорошо известных методов измерения аналоговых сигналов с использованием осциллограмм и спектрального анализа в методологии измерений цифровых сигналов широкое распространение получили специальные диаграммы что определяется дискретной природой сигналов. При проведении измерений используются два основных класса...
21724.		Проектирование цифровых систем передачи	1.88 MB
	Формирование структуры цикла передачи. Формирование структуры цикла передачи для систем передачи низшего порядка первичная субпервичная. Формирование структуры цикла передачи для систем передачи высших порядков вторичная третичная.
2144.		Методы нормирования параметров цифровых каналов	88.4 KB
	Анализ и проверка домашней работы Ответьте на вопросы: Методология измерений каких каналов является фундаментом измерений цифровых каналов связи как учитываются систем с различными типами модуляции и кодирования Основное назначение бинарного цифрового канала Какие типы измерений бинарного канала вы знаете7 Приведите пример. Что такое мониторинг Что лежит в основе методов измерения без отключения канала Перечислите и дайте определение основным источником ошибок в цифровом канале. Что является важным источником шумов в...
199.		Предмет и задачи дисциплины «Основы контроля и технической диагностики»	190.18 KB
	Техническим состоянием называется совокупность подверженных изменению в процессе производства и эксплуатации свойств объекта характеризующих степень его функциональной пригодности в заданных условиях целевого применения или место дефекта в нём в случае несоответствия хотя бы одного из свойств установленным требованиям. Вовторых техническое состояние является характеристикой функциональной пригодности объекта только для заданных условий целевого применения. Это связано с тем что в разных условиях применения требования к надёжности объекта...
6745.		МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ	929.1 KB
	Визуальное обследование строительных конструкций Цель визуального обследования – общая предварительная оценка прочности конструкций при этом: выявляются и фиксируются явные дефекты конструкций; выявляются нарушения в эксплуатации зданий или сооружений; оценивается возможность возникновения перегрузок на различных участках; выявляются явные проблемы с воздействием агрессивных химических и природных сред разрушение защитного слоя бетона снятие краски...
6584.		Синдром печеночно-клеточной недостаточности. Патогенез. Клинические критерии. Методы диагностики	25.13 KB
	Печеночно-клеточная недостаточность – симптомокомплекс, характеризующийся нарушениями функций печени разной степени выраженности (от легкого до тяжелого - печеночной комы) вследствие острого или хронического повреждения ее паренхимы (гепатоцитов).
18536.		Примеры построения автоматизированных систем контроля и учета энергоносителей промышленных предприятий	991.77 KB
	Целью организации учета электрической энергии является процесс получения информирования и запоминания информации для целей государственной ведомственной и корпоративной отчетности а также для удовлетворения требований менеджмента компании. Статистическая техническая отчетность имеет...
6562.		Синдром раздраженного кишечника (СРК). Клинические симптомы. Основные диагностические критерии. Методы диагностики	20.9 KB
	Синдром раздраженного кишечника СРК. Тактика ведения и лечения больных с СРК. Синдром раздраженного кишечника СРК функциональное заболевание характеризующееся наличием у больного на протяжении последнего года по меньшей мере в течение 12 недель болей или дискомфорта в животе которые проходят после дефекации и сопровождаются изменением частоты или консистенции стула.
6568.		Хронический гепатит В. Этиопатогенез. Особенности клинической картины. Лабораторно-инструментальные методы диагностики	29.41 KB
	Патогенез: В патогенезе ведущую роль играет интеграция вируса в геном клетки; Вирус политропен репродуцируется в период обострения в гепатоцитах и клетках костного мозга крови лимфоузлов селезенки; Характер иммунного ответа инфицированного организма определяет особенности течения ХВГ B; Вирусная репликация иммунный ответ факторы хозяина и окружающей среды алкоголь коинфекция и др. Классификация: HBegпозитивный гепатит В: дикий штамм вируса; HBegнегативный гепатит В: мутантный штамм вируса; ...
6570.		Неалкогольный стеатогепатит. Этиопатогенез. Особенности клинической картины. Лабораторно-инструментальные методы диагностики	26.95 KB
	Неалкогольный стеатогепатит НАСГ – клинический синдром стеатоза и воспаления печени который устанавливается по результатам биопсии печени после исключения других причин заболевания печени. Большинство пациентов страдающих стеатозом печени и НАСГ...

В основе диагностирования ЦУ лежат две группы методов: неразрушающие физические методы и методы, базирующиеся на контрольных логических тестах. Основными методами диагностировании физического состояния ЦУ являются: электрофизический метод, теплофизический метод, инфракрасный метод, рентгеновский метод, оптический, радиационный, методы растровой электронной микроскопии.

Тестовое диагностирование РЭУ.

Физические методы контроля состояния цифровых РЭС имеют недостаточную достоверность не смотря на их многообразие и глубину.

Для достоверности определения работоспособного состояния цифровых РЭУ наиболее эффективно используются тестовые методы диагностики и контроля. В основе тестового контроля лежит тестовый сигнал, подаваемый на ЦУ и вызывающий такую реакцию на входной сигнал, которая свидетельствует о том, что ЦУ находится в работоспособном состоянии. Контрольный тест формально определяется как последовательность входных наборов и соответствующих им выходных наборов, обеспечивающих контроль исправного состояния цифрового узла. Контрольные тесты составляются таким образом, что позволяют обнаружить одиночные константные неисправности в статическом режиме.

Работоспособность контролируется следующим образом. На вход ЦУ подаются наборы контрольного теста, снимаемые с ЦУ выходные наборы сравниваются с эталонными. При совпадении каждого из выходных наборов теста с эталонными наборами ЦУ считается работоспособной. Контрольные тесты составляются на базе анализа принципиальных схем ЦУ. В случае несовпадения сигналов контрольного и эталонного наборов дальнейшая подача тестов прекращается и на этом наборе диагностируется отказ. Диагностирование отказа начинается с того выхода ЦУ, на котором зафиксировано контрольного и эталонного наборов.

На том логическом элементе схемы, который связан с этим выходом, измеряется выходной сигнал U и входные сигналы , где k – число входов элементов цифрового устройства. По суммарным значениям входных сигналов в соответствии с алгоритмом функционирования определяют - то значение выходного сигнала, которое должно быть.

В случае неравенства отказавшим считается контролируемый элемент или гальваническая связь от его выхода. При равенствеопределяются существенные входы логического элемента, а затем те элементы, которые связаны с этими выходами.

Вход существенный – это такой вход элемента, на котором изменение логического сигнала приводит к изменение сигнала на выходе.

Описанные измерения выполняются для всех элементов, связанных с существенными входами. Измерения выполняются до определения неисправности или до соответствующих входов цифрового узла. В случае, если в качестве элемента схемы ЦУ выступают триггеры, то ля него U определяется выражением: .- предыдущее состояние триггера.

Таким образом определяется не на каждом наборе.

На практике, помимо диагностирования ЦУ по принципиальной схеме широко применяется диагностирование по таблицам. По этой методике для каждого набора контрольного теста составляются диагностические таблицы: полная и сокращенная. Полная диагностическая таблица рассчитана на кратные неисправности, сокращенная таблица – на одиночные неисправности. Сокращенная диагностическая таблица включает только те элементы ИМС, которые не проверены не на одном из предыдущих наборов контрольного теста.

Диагностирование отказов по таблице проводится следующим образом. Сокращенная таблица выбирается по номеру набора, на котором обнаружено несовпадение. Начинают диагностирование с того выхода ЦУ, на котором зафиксирован неверный результат, и производят его последовательно по каждой строке диагностической таблицы. Для каждого из элементов строки таблицы сравнивают значения логических сигналов на входах и выходах в соответствии с контрольными значениями в таблице. На элементе, у которого информация на выходе не совпадает с контрольной, необходимо остановиться. Отказавшим будет либо этот элемент, либо один из элементов, входы которого соединены с выходом этого элемента, либо печатный проводник, соединяющий выход элемента со входами других элементов, источником питания, корпусом и другими узлами.

Эффективность диагностирования.

Оценка эффективности диагностирования РЭС позволяет количественно судить о том, на сколько полезно оказалось применение или внедрение СТД. Понятие эффективности связано с использованием изделия по назначению, то есть с получением эффекта в результате работы системы.

Эффективность – это комплексное свойство процесса использования данной систем по назначению в определенный момент времени с определенным результатом.

Эффективность использования РЭС это комплексное понятие, объединяющее: качество системы, качество эксплуатации системы и эксплуатационные ситуации.

Качество системы – это совокупность свойств системы, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенным потребностям в соответствии с ее назначением.

Качество эксплуатации – совокупность свойств процесса эксплуатации системы, от которых зависит соответствие этого процесса и его результатов установленным требованиям.

Эксплуатационная ситуация включает в себя обстоятельства, обуславливающие влияние внешней среды, цели и режимы функционального использования системы, а также спрос на систему и результаты ее функционирования. эффективность и качество систем оцениваются совокупностью соответствующих показателей.

Показателем эффективности использования РЭС называют количественную характеристику степени достижения полезных результатов при использовании системы в конкретной эксплуатационной ситуации с учетом эксплуатационных затрат.

Показатель качества – количественная характеристика одного или нескольких свойств системы составляющих ее качество, рассматривая применительно к определенным условиям ее создания и применения.

Показатели качества систем подразделяют на интегральные, единичные и комплексные.

Интегральный показатель качества близок по смыслу к показателю эффективности использования системы и определяется как отношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации системы к суммарным затратам на ее создание и эксплуатацию.

Единичный показатель качества – это параметры функционального использования, технические и эксплуатационные: безотказность СТД, долговечность СТД.

Комплексный показатель качества системы характеризует совместно несколько простых свойств или одно сложное свойство системы (например, коэффициент технического использования КТИ). Другим примером комплексного показателя качества является вероятность правильного диагностирования СТД, определяемая соотношением: .

Интегральный показатель качества СТД может быть вычислен по формуле , где Э – суммарный полезный эффект от функционального использования системы;- суммарные затраты на создание и эксплуатацию системы.

К интегральному показателю качества и показателю эффективности использования применяют один термин – показатель качества и эффективности СТД (Кэ).

Основным выражением для Кэ является определение эффективности использования СТД, поэтому, для представления Кэ в чистом виде должны быть сформулированы оцениваемые элементы полезного эффекта СТД. Такими элементами полезного эффекта от применения СТД могут являться: повышение безотказности РЭС, сокращение времени восстановления РЭС, увеличение коэффициента технического использования, уменьшения вероятности отказов РЭС в период функционального использования, повышение надежности РЭС в целом, улучшение точностных характеристик РЭС за счет своевременных регулировок, повышение объема информации в системе информационного обеспечения средств управления. Из приведенного перечня очевидно, что совокупность оцениваемых элементов полезного эффекта почти полностью определяется назначением РЭС, ее ПФИ и ТП.

Расчет коэффициента качества и эффективности.

Эффективность операции диагностирования и контроля в общем виде можно представить разностью ,, где– эффективность объекта диагностирования при условии что в моментприведено его техническое диагностирование и обслуживание,- эффективность объекта диагностирования при условии, что ТО не проводилось.

Нормированный показатель эффективности использования определится выражением . При этом результат применения СТД можно использовать в двух вариантах.

1. Для измерения безотказности изделия РЭС путем проведения работ ТО по данным диагностирования.

2. Для определения временного интеграла в течении которого РЭС сохранит свое работоспособное состояние с заданной вероятностью. Если представить, где– эффективность идеальной в смысле безотказности РЭС;- вероятность безотказной работы, выступающая как мера снижения эффективности, то коэффициент эффективности использования определится выражением. То есть Кэ определяется через показатели безотказности, а эффект от использования СТД выражается в повышении безотказности объекта диагностирования.

Другим характерным показателем оценки эффективности СТД является коэффициент технического использования РЭС при наличии диагностирования и его отсутствии.

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

Учебное пособие

Ташкент 2006

Содержание

• Введение
• 1. Техническая эксплуатация цифровых систем и устройств
• 3 . Элемент ы цифровых систем и проблемы повышения их надежности
• 3.1 Цифровые системы, основные критерии их надежности
• 3.3 Анализ стратегии диагностики и восстановления работоспособности цифровых систем
• 4. Методы контроля и диагностики цифровых систем
• 4.1 Особенности современных цифровых систем как объекта контроля и диагностики
• 4.2 Анализ моделей неисправности цифровых устройств
• 4.3 Виды и методы контроля и диагностики
• 4.4 Встроенный контроль цифровых систем
• 5. Технические средства контроля и диагностики цифровых устройств
• 5.1 Логические зонды и токовые индикаторы
• 5.2 Логические анализаторы
• 5.3 Сигнатурный анализатор
• 5.4 Методика измерения эталонных сигнатур и построения алгоритмов поиска неисправностей с использованием сигнатурного анализа
• Заключение
• Список использованных источников
• В учебном пособии приводятся основы контроля и технической диагностики цифровых систем, анализ и классификация методов и средств контроля и диагностики. Проведен анализ цифровых систем как объекта диагностики, моделей неисправностей цифровых устройств. Произведена оценка эффективности встроенного контроля цифровых систем. Рассмотрены вопросы технической реализации процедур контроля и диагностики цифровых устройств на основе сигнатурного анализа.
• Учебное пособие предназначено для бакалавров и магистров, изучающих вопросы технического обслуживания и ремонта цифровых систем, а также для специалистов по технической диагностике цифровых устройств.

Введение

В последнее десятилетие широкое распространение на сетях телекоммуникаций получают цифровые системы, к которым относятся:

сетевые элементы (системы передачи SDН, цифровые автоматические телефонные станции (АТС), системы передачи данных, серверы доступа, маршрутизаторы, терминальное оборудование и др.);

системы поддержки функционирования сети (управления сетью, контроль трафика и др.);

системы поддержки бизнес-процессов и автоматизированные системы расчетов (биллинговые системы).

Ввод в техническую эксплуатацию цифровых систем ставит главной задачей обеспечение их качественного функционирования . Для построения современных цифровых систем используется элементная база, основанная на применении больших интегральных схем (БИС), сверхбольших интегральных схем (СБИС) и микропроцессорных комплектов (МПК), которая позволяет существенно повысить эффективность систем - увеличить производительность и надежность, расширить функциональные возможности систем, уменьшить массу, габариты и потребляемую мощность. В то же время переход к широкому использованию БИС, СБИС и МПК в современных телекоммуникационных системах создал вместе с бесспорными преимуществами и ряд серьезных проблем в их эксплуатационном обслуживании, связанных в первую очередь с процессами контроля и диагностики. Это связано с тем, что сложность и количество находящихся в эксплуатации цифровых систем растет быстрее, чем число квалифицированного обслуживающего персонала. Так как любая цифровая система имеет конечную надежность, то при возникновении в ней отказов, возникает необходимость быстрого обнаружения, поиска и устранения неисправностей и восстановления заданных показателей надежности. Особенное значение имеет то обстоятельство, что традиционные методы технической диагностики требуют или наличия высококвалифицированного обслуживающего персонала или сложного диагностического обеспечения. Необходимо отметить, что с повышением общей надежности цифровых систем уменьшается количество отказов и вмешательство оператора для поиска и устранения неисправностей. С другой стороны, наряду с повышением надежности цифровых систем наблюдается тенденция к определенной потере обслуживающим персоналом навыков устранения неисправностей. Возникает известный парадокс, чем надежнее цифровая система, тем медленнее и менее точно отыскиваются неисправности, т.к. обслуживающий персонал с трудом накапливает опыт поиска и локализации неисправностей в цифровых системах повышенной сложности . В целом до 70-80% времени восстановления отказавших систем составляет время технической диагностики, состоящее из времени поиска и локализации отказавших элементов. Однако как показывает эксплуатационная практика, сегодня инженеры не всегда готовы решать на требуемом уровне задачи технической эксплуатации цифровых систем. Поэтому возрастание сложности цифровых систем и важность обеспечения их качественного функционирования требует организации ее технической эксплуатации на научных основах. В этой связи инженеры, связанные с технической эксплуатацией цифровых систем, должны не только знать, как работают системы, но также знать, как они не работают, как проявляется состояние неработоспособности .

Решающим фактором, обеспечивающим высокую готовность цифровых систем, является наличие средств диагностики, позволяющих оперативно проводить поиск и локализацию неисправностей. Для этого необходимо, чтобы инженеры имели хорошую подготовку по предупреждению и распознаванию возникновения неработоспособных состояний и неисправностей, т.е. были знакомы с целями, задачами, принципами, методами и средствами технической диагностики. Умели грамотно их выбирать, применять и эффективно использовать в эксплуатационных условиях. Настоящее учебное пособие по курсу "Техническая диагностика цифровых систем" призвано привлечь должное внимание к проблемам и задачам технической диагностики при подготовке бакалавров и магистров по направлению телекоммуникаций.

цифровая система диагностика контроль

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	1. Разработка технического задания на НИР 2. Формализация технической идеи 3. Исследование рынка 4. Технико- экономическое обоснование	1. Разработка технического задания на ОКР Разработка эскизного 3. Изготовление макетов 4. Разработка технического 5. Создание рабочего 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 2. Корректировка конструкторский документации результатам изготовления и испытания установочной 3. Серийное производство	1. Приработка 2. Нормальная эксплуатация 3. Старение 4. Ремонт или утилизация

Рис.1.1 Жизненный цикл цифровой системы

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.

Рис.1.2 Классификация задач технической эксплуатации 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.

Возможная структура автоматизированной СТЭ приведена на рис.1.3.

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
	Организация пусконаладочных работ вновь вводимых цифровых систем, а также текущего, среднего и капитального ремонтов
	Размещение и пополнение ЗИП, баз снабжения и заводов изготовителей ЗИП, транспортирование и хранение ЗИП
	Планирование использования цифровых систем и ведение эксплуатационной документации, сбор и обработка эксплуатационных данных, разработка рекомендаций по совершенствованию СТЭ
	Определение технического состояния, обнаружение дефекта с заданной глубиной, взаимодействие с подсистемой функционального технического диагностирования (ФТД)
	Выполнение части функций ТТД, требующих участия человека, обеспечение двухсторонней связи в системе "человек - машина", участие в проведении текущего ремонта, выполняемого без прекращения функционирования
	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, не соответствует 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 диагно стикой , 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 средствамтехнического 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.

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.

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 > и увеличению числа ошибок в цифровой системе. Вследствие этого необходимо таким образом проектировать передатчик, чтобы увеличение числа ошибок за счет нарушения 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 искаженномусигналу 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 -

л - 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.

Подобные документы

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.

реферат , добавлен 24.12.2008


Понятие и определения теории надежности и технической диагностики автоматизированных систем. Организация автоматизированного контроля в производственных системах. Характеристика и суть основных методов и средств современной технической диагностики.

контрольная работа , добавлен 23.08.2013


Основные теоретические принципы работы устройств оперативного контроля достоверности передачи информации. Оборудование и методика расчета достоверности приема информации о снижении цифровых систем передачи ниже пороговых значений для систем сигнализации.

контрольная работа , добавлен 30.10.2016


Виды и способы резервирования как метода повышения надежности технических систем. Расчет надежности технических систем по надежности их элементов. Системы с последовательным и параллельным соединением элементов. Способы преобразования сложных структур.

презентация , добавлен 03.01.2014


Понятие моделей источников цифровых сигналов. Программы схемотехнического моделирования цифровых устройств. Настройка параметров моделирования. Определение максимального быстродействия. Модели цифровых компонентов, основные методы их разработки.

курсовая работа , добавлен 12.11.2014


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


Способы контроля информационных слов и адресов в цифровых устройствах автоматики. Структурные и функциональные схемы контролирующих устройств. Обеспечение надежности устройств автоматики и вычислительной техники. Числовой аппаратурный контроль по модулю.

контрольная работа , добавлен 08.06.2009


Основные положения алгебры логики. Составление временной диаграммы комбинационной логической цепи. Разработка цифровых устройств на основе триггеров, электронных счётчиков. Выбор электронной цепи аналого-цифрового преобразования электрических сигналов.

курсовая работа , добавлен 11.05.2015


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


Структурная схема цифровых систем передачи и оборудования ввода-вывода сигнала. Методы кодирования речи. Характеристика методов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. Способы передачи низкоскоростных цифровых сигналов по цифровым каналам.

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.

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.

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.