МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

 

Лекция 2

Тема. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

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 собой представляет Техническая диагностика ?
6. Что такое техническое обслуживание?
7. Что понимается под Ремонтом оборудования?
8. Что такое Ремонтопригодность?
9. Какие предусматриваются виды ремонта цифровых систем? Дайте определение каждому из них.
10. Поясните определение «Техническое состояние».
11. Какие виды состояния объекта различают? Охарактеризуйте каждое из них.
12. Разъясните термины Правильное функционирование и Неправильное функционирование.
13. Что такое Техническое диагностирование?
14. Что включает в себя Система технического диагностирования?
15. Какие задачи контроля и диагностики решаются на стадии разработки?
16. Что такое диагностический параметр (признак)?
17. Как разделяются системы технического диагностирования по степени охвата?
18. 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 [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.

- 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[1,3,52,55]:

 

 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 [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)·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 (810 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 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 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 при различных значениях вероятности обнаружения неисправности Робн и вероятности безотказной работы исходной системы Рисх 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

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. 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 параметрический 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

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ