Главная
Коллекция "Otherreferats"
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Техническая диагностика цифровых систем
Техническая диагностика цифровых систем
Техническая эксплуатация цифровых систем и устройств, понятие их жизненного цикла. Основы контроля и технической диагностики, основные проблемы повышения надежности элементов. Виды, методы и технические средства контроля и диагностики цифровых систем.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.12.2011 |
| Размер файла | 1,3 M |
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.
2. Вторым направлением повышения надежности является дублирование или резервирование технических средств и каналов связи. Это направление требует вложения больших экономических и трудовых затрат, что в конечном итоге ведет в ряде случаев к неоправданному расточительству, кроме того, в этом случае должна быть обеспечена повышенная надежность самих переключающих устройств.
3. Это направление связано с улучшением эксплуатационных и технических характеристик, путем улучшения показателей ремонтопригодности средствами технической диагностики. Необходимо отметить, что в существующих цифровых системах отсутствуют средства, которые позволили бы оперативно осуществлять селектирование канальных ошибок от ошибок, вызванных аппаратурными источниками в передающей и приемной частях (модемах, кодеках, устройствах синхронизации и т.д.). В таких цифровых системах обнаружение факта отказа, поиск и локализация аппаратурных источников неисправностей производится в режиме "Авария связи". Кроме того, большинство существующих средств контроля и диагностики практически применимы в ремонтно-профилактических режимах, что приводит к большому пространственно-временному разрыву между возникновением и обнаружением неисправностей. Последнее, в конечном итоге, приводит к значительным экономическим и временным затратам на поиск и локализацию местоположения источника и причины неисправностей.
В этой связи, в целях улучшения показателей ремонтопригодности, необходимо предусмотреть специальные меры для оперативного обнаружения факта появления ошибок из-за аппаратурных источников, поиска и локализации, как места появления сбоев и отказов в блоках цифровых систем (модемах, кодеках, устройствах синхронизации и т.д.), так и неисправностей в функциональной схеме неисправного узла.
С целью поддержания цифровых систем в технически исправном состоянии создается подсистема контроля и диагностики, которая представляет собой совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для диагностирования их технического состояния и поддержания (или восстановления) необходимого качественного уровня работы. Средства контроля и диагностики цифровых систем позволяют ускорить сложные процессы обнаружения и устранения отказов, уменьшить время простоя оборудования.
К элементам цифровых систем относятся оконечная аппаратура, каналообразующая аппаратура, коммутационные системы, и т.д. [1,5]
На рис.3.2 показана структурная схема элемента цифровой системы передачи информации, где приведены контрольные точки. Устройство управления и контроля, наряду с основными устройствами преобразования сигналов (УПС) и защиты от ошибок (УЗО), также контролирует детектор качества сигналов (ДКС), устройство сопряжения (УС) и оконечное оборудование данных (ООД).
Рис.3.2 Структурная схема элемента цифровой системы передачи информации
Контроль цифровых систем позволяет выявить неисправные узлы, снижает количество аппаратурных ошибок, сокращает время простоя терминальных устройств.
Одной из основных задач является оценка состояний качества дискретных каналов, которые классифицируются как работоспособное и неработоспособное состояние.
Известно, что качество дискретных каналов оценивается качеством передачи информации по каналам [1,5]:
методом оценки через вторичные статистические характеристики сигналов (искажений элементов, сигналов стирания ошибок);
методом оценки через параметры сигналов;
методом оценки через параметры помех.
Результаты этих оценок используются как для диагностики технического состояния канала передачи данных, так и для повышения верности принимаемой последовательности сигналов.
Подсистема технической диагностики состоит из аппаратных и программных средств, обеспечивающих оценку информативных диагностических признаков, позволяющих путем обработки диагностической информации с заданной вероятностью, и глубиной диагностировать технические состояния цифровых систем.
3.3 Анализ стратегии диагностики и восстановления работоспособности цифровых систем
Как отмечалось ранее, при построении современных цифровых систем актуальной задачей является исследование методов повышения качества функционирования технических средств и каналов связи. Трудность решения этой задачи состоит в том, что непрерывное увеличение сложности современных цифровых систем вызывает значительные трудности в достоверной оценке технического состояния в целом и его составных частей в эксплуатационных условиях [1,3,24].
Как указывалось ранее в целях улучшения показателей технического обслуживания и ремонта необходимо предусмотреть специальные меры для оперативного обнаружения факта появления ошибок из-за аппаратурных источников, поиска и локализации как места появления сбоев и отказов в блоках цифровых систем, так и неисправностей в функциональной схеме неисправного узла.
Основные задачи процесса технической диагностики цифровых систем приведены на рис.3.3.
Рис.3.3 Основные задачи процесса технической диагностики цифровых систем
В [1,3] показано, что цифровая система имеет множество технических состояний, которые можно рассматривать как совокупность подверженных изменению в процессе эксплуатации свойств объекта, характеризующихся в определенный момент времени соответствующими признаками. Каждое техническое состояние цифровых систем
, (3.9)
является некоторой функцией работоспособности в пространстве параметров состояния (относящихся к классу состояний Сi)
. (3.10)
Информацию о текущем состоянии системы получают путем измерения выходных сигналов уj в выбранных контрольных точках.
Основная задача диагностики - определение класса состояний Ci в текущий момент времени - осуществляется по решающему правилу
(3.11)
где р (y, ) - мера сходства сравниваемых векторов.
Как показано в [1,3] для простейшей математической модели, приемник цифровой системы с диагностикой ошибок и отказов может находиться в случайный момент времени в одном из следующих возможных состояниях: с0 - приёмник функционирует без ошибок и отказов; с1 - приём осуществляется с необнаруженной ошибкой; с2 - приёмник исправляет обнаруженную ошибку; с3 - приёмник неработоспособен из-за отказов (рис.3.4). Матрица условных вероятностей переходов рij из состояния сi в состояние сj имеет вид [1,3]
, (3.12)
где приняты следующие обозначения: - интенсивность потока отказов; - интенсивность потока ошибок; q - вероятность необнаруженной ошибки устройством защиты от ошибок (УЗО); - интенсивность восстановлений отказов; -интенсивность исправления ошибок.
Для случая простейших потоков ошибок и отказов получено:
вход
Рис.3.4 Модель приемника цифровой системы с распознаванием и диагностикой отказов
Система уравнений для оценки состояний рассматриваемой цифровой системы имеет вид:
В целом восстановление работоспособности цифровой системы при появлении ошибок и отказов сводится к следующему:
определение (выявление) нарушений работоспособности цифровой
системы;
диагностика блока цифровой системы с отказами;
локализация неисправного элемента блока;
восстановление работоспособности цифровой системы (замена или
ремонт неисправного элемента);
восстановление потерянной информации из-за отказов.
4. Методы контроля и диагностики цифровых систем
4.1 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 [1,24,53]:
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 MПС реализуются микропрограммами, хранящимися в ПЗУ. Работа этих схем скрыта в алгоритме программы;
аналогичные трудности возникают в связи с динамичностью работы MПС, в которых импульсные сигналы обычно действуют в течение нескольких микросекунд, а затем исчезают. Поэтому нужно знать, не только где смотреть, но и когда смотреть;
параллельная структура шин, к которым подключено сразу несколько устройств по схеме ИЛИ затрудняет обнаружение источника неисправностей.
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 иагностики 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.
4.2 Анализ моделей неисправности цифровых устройств
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.
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.
Инверсные неисправности описывают физические дефекты цифровых схем, приводящие к появлению фиктивного инвертора по входу или выходу логического элемента, входящего в данную схему.
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 4.1 приведен жизненный цикл цифровых систем в период, их технической эксплуатации который, можно характеризовать через - интенсивность отказа [1,3,52,55]:
Рис.4.1 Три этапа технической эксплуатации цифровых систем
На кривой можно выделить три характерные области:
предэкслуатационная тренировка и испытания.
нормальная эксплуатация.
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. Согласно [1,37], 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 [7,55]:
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) 1·0-6
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:
Входной контроль изделий - 1,9 ч3,2%.
Комплектование - 0,9 ч 1,2%.
Подготовка и формовка элементов - 0,8 ч1,0%.
Сборка - 3 ч 4%.
Пайка - 5 ч 6%.
Межоперационные перемещения изделий - 0,4 ч 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.4.2) с целью управления этим состоянием и возвращением системы в работоспособное состояние.
Граф технического состояния системы выглядит следующим образом.
Рис.4.2 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:
(4.1)
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 [7,21,55].
В виду редкости появления событий в виде отказов ординарный поток отказов во времени без последействия описываются законом Пуассона:
(4.2)
где - число появляющихся отказов за отрезок времени с интенсивностью - . Вероятность отсутствия отказа за время равно:
(4.3)
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:
(4.4)
где - среднее время безотказной работы.
Распределение времени безотказной работы по двум видам системы:
(4.5)
где и - нормирующие коэффициенты.
Время безотказной работы для некоторых элементов подчиняется закону распределения Вейбулла:
(4.6)
где и - параметры распределения.
Для экспоненциального закона безотказной работы среднее время безотказной работы равно:
(4.7)
Среднее время восстановления для экспоненциального закона:
, (4.8)
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.
4.3 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, классификационная схема по наиболее общим видам контроля приведена на рис.4.3.
Все электрические методы контроля могут быть разделены на три основные группы: параметрический, функциональный и тестовый (рис.4.4). 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. [47,53].
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 [47,53]. 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.
Рис.4.3 Классификационная схема видов контроля
Рис.4.4 Классификационная схема методов контроля и диагностики цифровых устройств
Рис.4.4 Классификационная схема методов контроля и диагностики цифровых устройств
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 [47,53,54]. 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 [1,10]. Первые три метода используются для обнаружения единичных неисправностей типа "тождественный 0" и "тождественная 1" в комбинационных схемах, а также для частичной локализации неисправностей.
В [10] рассмотрены вышеуказанные 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 (8ч10 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.
4.4 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 ремонтом 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 выше 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 [27,42] критерий оценки эффективности функционирования системы контроля - это проигрыш в безотказности контролируемого устройства с системой встроенного контроля. Он определяется по следующей формуле.
, (4.9)
где - вероятность безотказной работы исходной (не контролируемой) схемы;
- вероятность безотказной работы.
В свою очередь вероятность безотказной работы исходной схемы можно определить как
, (4.10)
где - параметр потока отказов всего оборудования, - интенсивность восстановления контролируемой системы. Вероятность безотказной работы средства контроля
(4.11)
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 [27,42]
, (4.13)
где - достоверность функционирования контролируемого и контрольного устройства в процессе проверки, которая вычисляется по формуле
. (4.14)
Подставив данное выражение в формулу получим
. (4.15)
Графики зависимости ?Р и ?D от д при различных значениях вероятности обнаружения неисправности Робн и вероятности безотказной работы исходной системы Рисх приведены на рис 4.5, 4.6, 4.7, 4.8.
Рис 4.5 График зависимостей и при и различных значениях вероятности безотказной работы исходной схемы
Рис.4.6 График зависимостей и при и различных размерах вероятности безотказной работы исходной схемы
Рис.4.7 График зависимостей и при и различных значениях вероятности безотказной работы исходной схемы
Рис.4.8 График зависимостей и при и различных значениях вероятности безотказной работы исходной схемы
На основании графиков приведенных на рис.4.85, 4.6, 4.7, 4.8 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 4.1, а график зависимостей по результатам данной таблицы приведен на рис.4.9.
Таблица 4.1.
Зависимость оптимального от при различных значениях вероятности безотказной работы исходной схемы
|
20 30 40 50 60 70 80 90 100 |
81 59 45 30 22 16 13 10 |
82 64 48 32 23 17 15 11 |
84 66 52 33 24 18 16 12 |
86 68 54 34 25 20 17 13 |
Рис.4.9 График зависимости при различных значениях вероятности безотказной работы исходной схемы
Из графика приведенного на рис.4.1 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.
5. Технические средства контроля и диагностики цифровых устройств
5.1 Логические зонды и токовые индикаторы
Конструктивная компоновка современных цифровых систем включает ТЭЗ, сменные цифровые платы, заменяемые при ремонте. Поиск неисправностей в таких устройствах при использовании традиционной контрольно-измерительной аппаратуры не дает приемлемых результатов, а в ряде случаев является практически невозможным [1,21,47,53].
Традиционной контрольно-измерительной аппаратурой являются осциллографы, которые позволяют наблюдать на экране форму и последовательность сигналов и измерять их параметры. Для контроля редких и однократных сигналов применяются запоминающие осциллографы, которые имеют достаточно высокую скорость записи, однако они имеют конечное время воспроизведения регистрирующих сигналов. Более совершенными являются цифровые осциллографы, которые преобразуют исследуемый сигнал в цифровую форму и записывают полученные данные в быстродействующее ЗУ.
Этапы регистрации и индикации разделены, а качество изображения не зависит от условий регистрации. Поэтому цифровые осциллографы могут, как угодно долго воспроизводить форму как однократного, так и периодического сигнала.
Применение МПК в современных осциллографах расширяет функциональные возможности, которые обеспечивают измерение напряжения на любом участке сигнала, напряжения между произвольными точками сигнала, измерение размаха и временного интервала сигнала, нахождение локальных максимальных и минимальных значений сигналов и т.п.
Несмотря на широкие возможности осциллографов, применение их при диагностировании цифровых устройств ограничено длиной входных последовательностей импульсов. Если длина входных последовательности равна десяткам или сотням тактовых интервалов, наблюдение ее на экране осциллографа становится практически невозможным. При этом изменение одного бита данных в цифровых устройствах может сделать всю цифровую систему неработоспособной.
Сложные контрольно-диагностические средства позволяют проводить диагностику в цифровой плате с точностью до нескольких возможных источников неисправностей. Это объясняется тем, что функциональный контроль осуществляется со стороны определенных контактов схемы (внешних выводов или разъемов). При этом некоторые точки являются недоступными, в связи, с чем возникает неопределенность диагностики неисправностей. Логические зонды позволяют контролировать уровень постоянного или переменного напряжения в исследуемой точке схемы. При этом индикатор расположен непосредственно на приборе, а сами логические зонды используются для измерения логических состояний внутренних узлов цифровой платы. Эти электрические методы диагностики основаны на исследовании электрических сигналов, поступающих с исследуемых цифровых плат. В большинстве случаев на этапе эксплуатации цифровые платы лакированы и нет возможности обеспечить гальваническую связь средств диагностики с самим объектом диагностики. В этих случаях поиск несправных элементов, осуществляемых с помощью различных средств диагностики сопряжен с нарушением лакокрасочного покрытие цифровой платы. Принимая во внимание высокую плотность используемого печатного монтажа, это может привести к коротким замыканиям проводников или выводов интегральных микросхем (ИМС). Для контроля токов в проводниках плат печатного монтажа и ИМС, защищенных изоляционным покрытием применяются бесконтактные индикаторы импульсных токов, осуществляющих индикацию без разрыва токопроводящих проводников и нарушения изоляции [47,53]. Эти индикаторы могут применятся для поиска замыканий, разрывов цепи, неисправностей в схемах монтажной логики и в шинах с тремя состояниями. Метод бесконтактного измерения импульсных токов, основанный на применении миниатюрных магниточувствительных элементов, устанавливаемых в непосредственной близости от проводников с измеряемым током [47,53]. Бесконтактный контроль тока обеспечивает возможность съема информации практически с любых внутренних точек проверяемой цифровой платы. При этом активизация используемых цепей обеспечивается генератором стимулирующих импульсов, а регистрация протекающих токов - бесконтактным токовым индикатором, измеряющим амплитуду любого импульса в импульсной последовательности.
Рассмотрим принцип контроля, осуществляемого без разрыва токопроводящих соединений и нарушения защитных покрытий на примере устройства диагностирования К762 [43]. Устройство диагностирования электронной аппаратуры К762 предназначено для контроля и измерения амплитуды импульсов электрического напряжения и тока на проводниках печатных плат. Устройство состоит из бесконтактного цифрового индикатора импульсных напряжений Ф7243, бесконтактного цифрового индикатора токов Ф7244, генератора стимулирующего Ф7244С и блока питания.
Основные технические данные:
1. Пороговые уровни индикации амплитуды импульсов напряжения и токов в диапазоне частот от 10 до 10 Гц:
от 0,5 до 4В с дискретностью 0,5 В;
от 1 до 8В с дискретностью 1В;
от 1 до 8 А с дискретностью 1 А;
от 10 до 80 А с дискретностью 10 А.
2. Устройство имеет выход для подключения осциллографа, обеспечивающий возможность наблюдения на его экране амплитуды контролируемых импульсов напряжения и тока;
3. Устройство позволяет производить калибровку индикатора напряжений и индикатора токов;
4. Время установления рабочего режима устройства не более 5мин;
5. Продолжительность непрерывной работы устройства не менее 12ч;
6. Потребляемая мощность не более 18ВА;
7. Питание устройства осуществляется от сети однофазного переменного тока напряжением (220+22) В, частотой (50+1) Гц.
Индикаторы напряжений и токов выполнены в виде щупов с конусной частью. Чувствительные элементы напряжений и токов выполнены в виде цилиндрических наконечников (зондов), которые вставляются в гнездо, расположенное в конусной части индикаторов. На корпусе индикаторов напряжений и токов расположены: диск переменного резистора КАЛИБРОВКА, переключатель МНОЖИТЕЛЬ и цифровое табло. Генератор стимулирующий выполнен в виде щупа. В конусной части щупа расположен металлический штырь с заостренным концом для подачи стимулирующих импульсов на проверяемые узлы печатных плат. Блок питания выполнен в виде отдельной коробки.
Рассмотрим работу индикатора напряжений Ф7243 (рис.5.1).
Чувствительный элемент Е воспринимает электрическую составляющую электромагнитного поля контролируемых импульсов напряжения и преобразует ее в сигнал электрического напряжения. Сигнал чувствительного элемента усиливается предварительным усилителем. С выхода предварительного усилителя сигнал поступает на согласующий усилитель. Усиленный сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) взвешенного кодирования. Для преобразования выходного кода АЦП в семисегментарный код индикатора НG служит дешифратор. Сброс показаний отсчетного устройства осуществляется автоматически с помощью генератора сброса.
Для исключения зависимости от скважности следования импульсов сигнал с предварительного усилителя дифференцируется с помощью дифференциальной цепочки, составленной из конденсатора Сg и входного сопротивления согласующего усилителя. Переключатель SА служит для выбора требуемого предела измерений.
Рассмотрим работу индикатора токов Ф7244 (рис.5.2). Чувствительный элемент Н воспринимает магнитную составляющую электромагнитного поля контролируемых импульсов и преобразует ее в сигнал электрического напряжения. Сигнал напряжения чувствительного элемента через повышающий трансформатор (входной) ТВ поступает на предварительный усилитель (Пр. ус). С выхода Пр. ус. сигнал через делитель R1, R2 и переключатель SА множитель, служащий для выбора требуемого предела измерений, поступает на согласующий усилитель (С. ус.) Усиленный сигнал поступает на АЦП взвешенного кодирования. Для преобразования выходного кода АЦП в семисегментный код индикатора НG служит дешифратор. Сброс показаний отсчетного устройства осуществляется автоматически с помощью генератора сброса.
Рис 5.1 Структурная схема индикатора напряжений Ф7243
Рис 5.2 Структурная схема (упрощенная) индикатора токов Ф7244
Рассмотрим работу генератора стимулирующего Ф7244С (рис 5.3). Задающий генератор (ЗГ) генерирует последовательность импульсов. Через согласующий каскад (СК) импульсы с задающего генератора поступают на мощный выходной каскад (вых. К) и далее на металлический штырь, через который стимулирующие импульсы подаются на проверяемые узлы печатных плат.
Рис.5.3 Упрощенная структурная схема генератора стимулирующего Ф7244С.
5.2 Логические анализаторы
Общими контрольно-измерительными приборами, нашедшими применение, как на стадии проектирования, так и на стадии производства и эксплуатации цифровых устройств являются логические анализаторы. Эти приборы позволяет зарегистрировать и отобразить в кодированном виде последовательность логических состояний исследуемых узлов, цифровой платы не нарушая их естественного функционирования. Процесс контроля логических схем с помощью традиционных приборов отличается значительной трудоемкостью, а в некоторых случаях практически не осуществим по нижеследующим причинам:
невозможность наблюдения логических процессов, проходящих одновременно в нескольких точках;
трудности контроля одноразовых процессов и длинных логических последовательностей;
неопределенности момента измерения, трудности в синхронизации измерительных приборов, отсутствие логических синхронизации;
неудобные для логического анализа формы представления информации;
невозможность выборочного контроля процессов, протекающих в цифровой плате.
Особенности, характерные для логических анализаторов:
возможность наблюдения и обработки сигналов одновременно по нескольким каналам;
параллельная регистрация и запоминания данных по всем каналам;
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 [29,0 K], добавлен 24.12.2008Понятие 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 [55,3 K], добавлен 23.08.2013Основные 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 [90,5 K], добавлен 30.10.2016Виды 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 [239,6 K], добавлен 03.01.2014Понятие моделей источников цифровых сигналов. Программы схемотехнического моделирования цифровых устройств. Настройка параметров моделирования. Определение максимального быстродействия. Модели цифровых компонентов, основные методы их разработки.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 12.11.2014Обзор 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 [1,3 M], добавлен 15.12.2009Способы 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 [5,0 M], добавлен 08.06.2009Основные 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 [804,2 K], добавлен 11.05.2015Автоматизация 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 [2,9 M], добавлен 25.05.2014Структурная 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.
презентация [692,5 K], добавлен 18.11.2013
