Разработка устройства контроля комбинационных схем

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1.1 Анализ исходных данных

1.2 Разработка структурной схемы устройства

2. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

2.1 Блок управления

2.2 Генератор тактовых импульсов

2.3 Генератор тестовых последовательностей

2.4 Схема сравнения

2.5 Схема контроля и индикации

3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Заводы и предприятия, выпускающие радиодетали (и в частности - микросхемы), после изготовления, но до отправки готовой продукции на склад, подвергают их контролю на работоспособность, а также соответствие техническим условиям и параметрам. Однако, радиодетали имеют некоторый процент отказа в процессе транспортировки, монтажа или эксплуатации, а также при неправильных условиях хранения, что влечет за собой дополнительные затраты рабочего времени и средств для их выявления и замены, причем большую часть времени занимает именно выявление неисправных деталей.

Особенно важна полная исправность комплектующих деталей при сборке ответственных узлов управляющих систем, когда неисправность какой-либо одной детали может повлечь за собой выход из строя других деталей, узлов, а возможно, и всего комплекса в целом.

Для обеспечения полной уверенности в работоспособности той или иной радиодетали, необходимо проверять ее на исправность непосредственно перед сборкой узла или изделия (“входной контроль” на заводах и предприятиях, занимающихся производством радиоэлектронных устройств). Если большинство радиодеталей можно проверить обычным омметром (как, например, резисторы или диоды), то для проверки интегральной микросхемы (ИМС) требуется гораздо больший ассортимент оборудования.

Для обнаружения дефектов и неисправностей цифровых узлов они подвергаются испытанию тестированию. Тестирование составляет основу процесса диагностики и профилактических испытаний.

Существует большое количество методов и способов осуществления контроля. Один из самых простых в реализации является способ сравнения реакций контролируемого и эталонного объектов на наборе тестов. Простота в реализации заключается именно в том, что нет необходимости в разработке отдельного модуля проверки истинности реакций исследуемого устройства. В качестве такого модуля используется заведомо рабочее устройство (предполагается, что такое существует).

Задачей данного курсового проекта является разработка устройства контроля работоспособности комбинационных схем (блоков, ИМС), которое должно производить контроль правильности работы комбинационной схемы (блока, ИМС) путем сверки результатов воздействия тестовых наборов на объект контроля и некий эталонный объект.

1. СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1.1 Анализ исходных данных

В данной курсовой работе должно быть разработано устройство контроля сложных КС методом подсчета числа логических переключателей. Данный метод предполагает подсчет логических переключателей после выполнения каждого теста. По завершению всей тестовой последовательности проверяется полученные числа для каждого разряда и сравниваются с контрольным числом. Результат данной проверки индицируется с помощью светодиода.

Под контролем устройств понимаются процессы, обеспечивающие обнаружение ошибок в работе устройства, вызванных отказом или сбоем аппаратуры, ошибкой оператора, ошибкой в программе или другими причинами. Контроль необходим в цифровых, аналоговых и гибридных устройствах. В сочетании с мерами по включению резерва, восстановлению отказавшей аппаратуры и (или) корректировке ошибочных программ или данных контроль является одним из самых эффективных средств увеличения надёжности и достоверности вычислений.

По признаку применяемых средств контроль устройств разделяют на:

- аппаратный, осуществляемый аппаратными средствами;

- программный, осуществляемый программными средствами;

- смешанный, осуществляемый совместно программными и аппаратными средствами.

Аппаратный контроль отличается большим быстродействием, но требует дополнительных аппаратных затрат. Программный контроль не требует дополнительных затрат, кроме некоторого дополнительного объёма памяти для размещения программ контроля. Однако он связан с некоторым расходом дополнительного времени для выполнению программ контроля.

По характеру контроль подразделяется на: оперативный и тестовый. Оперативный контроль осуществляется в ходе решения эксплуатационных задач и позволяет в процессе их решения немедленно (задержка может не превышать время выполнения одного такта или нескольких тактов работы) обнаруживать ошибку в её работе. Тестовый контроль осуществляется в специально отведённые промежутки времени на основе решения специальных, тестовых задач. Он основан на тестах, обеспечивающих полный контроль всех элементов объекта (элементов аппаратуры, команд программы) за короткое или даже за минимальное время.

Возможные способы тестирования - комбинационный и последовательный. В первом случае анализируется лишь комбинация исходов всех элементарных тестов. Во втором случае анализируется исход каждого определенного теста. Последовательное тестирование может быть упорядоченным, когда отдельные элементарные тесты используются в искомой заранее фиксированной последовательности, и условным, когда выбор каждого следующего теста зависит от результата предыдущего.

По способу организации различают контроль прямой, обратный и смешанный. При прямом контроле основной вычислительный процесс сопровождается параллельным вычислительным процессом. В случае безошибочной работы системы результаты процессов должны совпадать, что определяется устройством сравнения.

Для некоторых задач, характеризуемых взаимно однозначным соответствием между исходными данными и результатом, эффективнее обратный контроль. При таком контроле параллельный процесс осуществляет обратное преобразование результата контролируемого процесса.

В отдельных случаях целесообразной организацией контроля является смешанный контроль, при котором как исходные данные, так и результаты основного вычислительного процесса подвергаются некоторым преобразованиям, подобранным так, что они в случае безошибочных процессов дают сопоставимые результаты.

По объекту контроля различают контроль аппаратуры, программного обеспечения и работы оператора.

Поскольку все рассмотренные выше виды контроля имеют определённые ограничения, на практике применяют их комбинацию.

К основным видам контрольных испытаний интегральных микросхем и блоков цифровых устройств относятся:

- параметрический контроль;

- функциональный контроль.

Параметрический контроль используется для относительно простых блоков цифровой аппаратуры и микросхем с малой интеграцией. Он включает в себя измерения основных параметров на постоянном токе. Кроме того, данный вид контроля предусматривает проведение проверки правильности выполнения несложных логических функций, которая проводится одновременно с последовательным измерением выходных электрических сигналов после подачи определенной комбинации калиброванных сигналов тока или напряжения на входы объекта контроля (ОК).

Функциональными называются испытания, проверяющие соответствие устройства заданному алгоритму его функционирования. Функциональный контроль используется для проверки сложных ОК и включает в себя проведение статистических и динамических измерений на базе контрольной тестовой таблицы, составленной, например, с помощью ЭВМ с учетом минимизации количества входных кодовых комбинаций. Функциональный контроль позволяет проводить проверку цифровых элементов устройств в условиях, близких к эксплуатационным. Основу функционального контроля составляет тестирование.

Детерминированные методы генерации обеспечивают вычисление совокупности тестовых наборов для тестирования заданной схемы и состоят из следующих этапов:

- вычисление тестового набора для очередной неисправности из общего списка неисправностей;

- моделирование схемы на полученном тестовом наборе для выявления подмножества неисправностей, обнаруживаемых полученным тестовым набором;

- повторения этой процедуры до исчерпания списка неисправностей.

Теперь рассмотрим основные принципы проектирования.

Обычно различают следующие виды проектирования ЭВМ, определяемые составом выполняемых работ: структурное и функциональное, схемотехническое и конструкторское.

При конструкторском проектировании, иначе говоря, конструировании выбирается структура пространственных, энергетических и временных взаимосвязей частей конструкции, связей с окружающей средой и объектами, определяются материалы и виды обработки; устанавливаются количественные нормы, по которым можно будет изготовить изделие, соответствующее заданным требованиям.

Конечным итогом процесса конструирования является комплект технических документов, отображающих всю совокупность задаваемых норм на вновь разрабатываемое изделие.

В настоящее время получили широкое распространение такие принципы конструирования, как моносхемный, схемно-узловой, каскадно-узловой и модульный

Так как одним из требований в данном курсовом проекте является проектирование устройства по модульному принципу с установкой соединительных разъемов между модулями, то рассмотрим данный принцип конструирования более детально.

В конструкции цифрового устройства объединяются элементы, составляющие её электрическую принципиальную схему, а также конструктивные детали. Обычно при проектировании цифровых устройств, все механические конструкции создаются типовыми в виде многократно- повторяющихся конструкций, которые называются конструктивными модулями.

Таким образом, конструкции современных устройств содержат некоторую иерархию типовых модулей, строящихся по принципу конструктивной законченности и снабжаемых элементами электрической и механической коммутации в модули следующего - более высокого уровня. На основе конструктивной модульности создаётся модульность, т.е. полная принципиальная схема цифрового устройства разделяется на подсистемы разной сложности. Количество уровней иерархии зависит от класса устройства, используемой элементарной базы, технологии изготовления. Тенденция в современных конструкциях устройств - увеличение функциональной сложности конструктивных модулей.

Рассмотрим главные достоинства модульного построения конструкции устройства на различных этапах:

1. На этапе разработки:

· возможна одновременная работа над модулями различных уровней, что сокращает сроки проектирования;

· упрощается отладка и сопряжение модулей. Их конструирование, монтирование и испытание;

· сокращается объём оригинальной конструкторской документации, поскольку используется групповые базовые чертежи;

· обеспечивается простота модернизации, упрощение и ускорение внесения изменений в схемы, конструкцию, документацию.

2. На этапе производства:

· достигается параллелизм технологических процессов изготовления модулей, что сокращает сроки освоения серийного производства разрабатываемого устройства;

· повышается степень специализации производства;

· снижается стоимость изготовления, благодаря возможности применения широкой модернизации и автоматизации производства;

· повышается эксплуатационная надёжность технических средств устройства;

· облегчается обслуживание;

· улучшается ремонтопригодность.

Одним из основных достоинств модульного принципа конструирования является возможность создания конкретных унифицированных схем, базовых конструкций, что позволяет обеспечивать:

- разнообразные варианты компоновки конструктивных модулей;

- конструктивную сходимость типовых конструкций по всем иерархическим уровням;

- конструктивно-технологическую совместимость возможных решений при модернизации;

- совместимость в масштабе отрасли, страны и межгосударственных организаций;

- единство художественно-конструктивного решения;

- использование современной и перспективной технологии.

В данной курсовой работе будет разработано устройство, работающее по модульной схеме с аппаратным прямым последовательным тестовым контролем цифровых блоков. Согласно заданию, устройство должно соответствовать следующим требованиям:

- генерация тестового набора и выдача его на объект контроля и эталонный объект;

- сравнение ответных реакций объекта контроля и эталонного объекта;

- контроль и индикация хода процесса контроля и результатов контроля;

- контроль истинности тестового набора;

- наличие входов установки в исходное состояние и запуск работы;

- процесс тестирования должен проходить в автоматическом режиме;

- работа устройства должна синхронизироваться от тактового генератора;

- на время подключения контролируемого блока к устройству (или отключения) выходные цепи устройства должны отключаться от источников сигналов (переводиться в третье состояние);

- устройство должно проектироваться по модульному принципу с установкой соединительных разъемов между модулями;

- элементная база - 176 серия;

- разрядность объекта контроля: Nвх=8, Nвых=7;

- генератор тестов - счетчик;

- объем теста в словах - полный;

- тактовая частота F_m рассчитывается максимально большой с учетом того, что задержка распространения сигнала в объекте контроля (и эталонном объекте) равна задержке распространения сигнала в разрабатываемом устройстве;

- количество единиц в выходных разрядах - N1=14, N2=1, N3=23, N4=9, N5=7, N6=5, N7=8, N8= 5.

1.2 Разработка структурной схемы устройства

· генерация тестового набора и выдача его на объект контроля и эталонный объект;

· сравнение ответных реакций контролируемого и эталонного блоков;

· контроль истинности тестового набора;

· контроль и индикация хода процесса и результатов контроля.

Устройство должно иметь цепи установки в исходное состояние и запуска. После подключения контролируемого объекта оператор подает сигнал сброса для установки генератора тестовых наборов в исходное состояние и сигнал на запуск процесса контроля. Тестовые слова подаются на эталонный объект и контролируемый объект. Весь процесс тестирования должен проходить в автоматическом режиме. После прохождения всего тестового набора процесс контроля останавливается. При совпадении результатов с эталонного объекта и контролируемого объекта, объект контроля признается исправным.

На время коммутации контролируемого блока выходные цепи анализатора должны отключаться от источников сигналов во избежание выхода из строя входных цепей объекта контроля.

На основании предъявляемых требований и алгоритма функционирования разработаем основные структурные блоки устройства:

a) блок управления - управляет работой всего устройства: установка в исходное состояние, запуск процесса контроля, управление устройством индикации;

b) генератор тестов - генерирует тестовые наборы (в нашем случае это счетчик);

c) блок сравнения - сравнивает полученные результаты с эталонного объекта и контролируемого объекта;

d) устройство контроля эталонного объекта - выполняет проверку правильности результатов на выходах эталонного объекта;

e) блок индикации - отображает ход процесса контроля, факт ошибки в тестовом слове, факт ошибки в объекте контроля и эталонном объекте при их наличии.

Рассмотрим подробнее структурные блоки нашего устройства. Устройство должно генерировать тестовые наборы для эталонного объекта и контролируемого объекта

Сигнал «Сброс» приводит к установке всего устройства в исходное состояние - обнуляется счетчик в блоке генератора тестов.

Сигнал «Пуск» запускает процесс контроля.

Блок индикации предназначен для индикации процесса работы и ошибок нечетности тестовых слов.

Структурная схема разрабатываемого устройства изображена на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Структурная схема устройства

Алгоритм функционирования устройства следующий:

- Перед подключением объекта контроля и/или эталонного объекта необходимо отключить питание от тестового устройства.

- После подключения на блок управления подается сигнал «Сброс», блок управления передает этот сигнал в генератор тестов, который сбрасывает значение своих выходов в «0». Также сбрасываются сигналы наличия ошибок.

- После подачи сигналов «Сброс» и затем «Пуск», устройство запускает процесс контроля. На устройстве индицируется состояние «Тестирование».

- Блок управления подает сигнал «Пуск» на тактовый генератор. Тактовый генератор посылает синхроимпульс на генератор тестов. Последний вырабатывает первое тестовое слово и подает его на выход - входы для объекта контроля и эталонного объекта.

- Результат работы объекта контроля и эталонного объекта, т.е. сигналы с выходов, приходят на блок сравнения. Этот блок по синхроимпульсу от тактового генератора сравнивает полученные данные и в случае несовпадения значений отправляет результат сравнения на блок индикации.

- Далее генерируется второе тестовое слово, третье и т.д. Весь процесс тестирования проходит в автоматическом режиме.

- После прохождения всего тестового набора генератор тестов передает на тактовый генератор сигнал «Конец теста». Тактовый генератор останавливает работу, на устройстве индицируется состояние «Тест завершен» и оператор считывает результат контроля.

Результат будет индицироваться при помощи выключения светодиода для того выхода, в котором была обнаружена ошибка.

2. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Предназначена для контроля тестируемого объекта. Предназначена для контроля тестируемого объекта. Хотя бы одно не совпадение в выходных реакциях тестируемого объекта и объекта контроля означает обнаружение неисправности. Обнаружение несовпадения будет производиться сложением по модулю два. При нахождении ошибки триггер будет устанавливаться в единичное состояние, а его выход будет соединен с индикацией. Ошибка будет определяться поразрядно.

Рисунок 2.4 - Схема сравнения ответных реакций ЭО и ОК

2.5 Схема контроля и индикации

Предназначена для проверки исправности объекта контроля. Во время тестирования считается количество выходных единиц на каждом из выходов эталонного объекта и объекта контроля. После перебора всех тестовых слов результаты подсчета сравниваются с их ожидаемыми значениями c помощью конъюнктора. Для предотвращения ошибки переполнения используется триггер. Ошибка определяется для каждого разряда в отдельности.

Рисунок 2.5 - Схема контроля ответных реакций ОК

Индикация. Представляет собой набор светодиодов. Не светящиеся светодиоды сигнализируют об обнаружении ошибки в ответных реакциях. Управление светодиодами осуществляется сигналами со схемы контроля и схемы сравнения.

3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

В результате выполнения курсового проекта было разработано устройство контроля комбинационных схем. Оно удовлетворяет всем требованиям, поставленным в техническом задании.

Были разработаны: структурная и принципиальная схема устройства. Устройство выполнено по модульному принципу: разбито на два основных модуля. Первый модуль включает в себя модуль управления, генератор тактовых импульсов и генератор тестов. Второй модуль состоит из модуля анализатора, модуля контроля истинности эталонного объекта и объекта контроля и модуль индикации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Богданович М.И., Грель И.Н., Прохоренко В.А., Шалимо В.В. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник - Минск: «Беларусь», 1991.

2. Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы (справочник) - М.: Радио и связь, 1984.

3. Лебедев О.Н. Применение микросхем памяти в электронных устройствах. Справочное пособие - М.: Радио и связь, 1994.

4. Горюнов Н.Н. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник - М.: Энергоатомиздат, 1983.

5. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и систем. - М.: Высшая школа, 1984.

Размещено на Allbest.ru