УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВИДА НЕИСПРАВНОСТЕЙ В МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКЕ

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть применена для определения вида неисправностей в полупроводниковых устройствах, в частности, для дифференцирования неисправностей на аппаратные и программные на начальной стадии диагностирования микропроцессорной техники.
Известны устройства для поиска неисправностей в микропроцессорной технике, которые условно можно разделить на несколько групп по принципу оптимизации вектора диагностирования [1, 2]:
- устройства, в которых алгоритм диагностирования радиоэлектронных приборов выбран заранее и не зависит от результатов предыдущих воздействий;
- устройства, в которых очередное воздействие при диагностировании радиоэлектронных приборов формируется в зависимости от результата предыдущего воздействия.
Известные устройства первой группы, направление диагностирования которых выбирается заранее и не меняется в процессе поиска неисправностей, требуют глубокого анализа дефектной ситуации,
что при сложности современных микропроцессорных устройств затруднено. Кроме того, неправильный выбор направления диагностирования незамедлительно скажется на значительном увеличении времени отыскания неисправного элемента.
Известные устройства второй группы позволяют более динамично реагировать на информацию, полученную в результате анализа данных предыдущих воздействий на диагностируемое устройство. Однако ошибки субъективного и объективного характера, возникающие в результате анализа могут привести к значительному затруднению процесса отыскания неисправного элемента.
Известные устройства первой и второй группы обладают еще одним недостатком, они не позволяют определять вид неисправностей при диагностировании микропроцессорной техники, что на современном этапе играет ключевую роль. С внедрением микропроцессорных комплектов в радиоэлектронные устройства появилась неопределенность в причинах появления неисправностей: неисправность может носить как аппаратный, так и программный характер. В первом случае неисправность заключается в выходе из строя одного из элементов электронной схемы, который необходимо определить и заменить. Во втором - все элементы устройства технически исправны, а причина дефекта кроется в нарушении программного обеспечения. В первом и во втором случаях применяются разные методы поиска и устранения неисправностей.
Неправильный выбор направления диагностирования устройств с микропрограммным управлением приводит к значительному увеличению времени устранения неисправностей, а также может повлечь за собой появление новых неисправностей вследствие необоснованного применения принадлежностей, в частности термофенов для замены элементов, корпуса которых выполнены по BGA (Ball Grid Array) технологии.
В связи с этим целесообразно на ранней стадии поиска неисправностей в устройствах с микропрограммным управлением
выявлять характер неисправности: аппаратный или программный. Это позволит значительно сократить время устранения неисправностей, исключить появление новых неисправностей, снизить расход материальных средств и затрат людских ресурсов.
Известно устройство [3], наиболее близкое к заявленной полезной модели, которое принято в качестве прототипа. Известное устройство относится к устройствам второй группы и содержит следующие элементы: диагностируемое устройство, датчик тока и устройство управления.
Данное устройство предназначено для диагностирования полупроводниковых блоков, состоящих из множества однотипных переключающих элементов, основу которых составляют полевые транзисторы. Неисправные элементы определяются путем выявления несоответствия тока, потребляемого полупроводниковым блоком, в зависимости от теста сформированного устройством управления. Формирование очередного теста зависит от результата предыдущего тестового воздействия.
Датчик тока определяет ток, протекающий через полупроводниковый блок, и выдает его в устройство управления. Обработку информации о токе, протекающем через полупроводниковый блок в зависимости от выбранного теста, осуществляют находящиеся в устройстве управления программы, реализующие алгоритмы поиска неисправностей. Для определения неисправного блока в память устройства управления введена таблица соответствия между формируемым диагностическим тестом, потребляемым током и неисправным блоком. Алгоритмы осуществляют процедуру поиска неисправного блока в три этапа. На первом этапе формируются тесты, которые в полупроводниковом блоке локализуют группу элементов, в которых находится неисправный элемент. Затем другой группой тестов из выбранной группы исключают элементы, являющиеся исправными. На третьем этапе очередная группа
тестов локализует неисправный элемент в соответствии с алгоритмом поиска неисправностей.
Недостатком известного устройства является его дороговизна вследствие сложности и трудоемкости создания полного набора тестовых комбинаций и алгоритмов обработки информационного параметра, так как при их разработке необходимо досконально учесть всевозможные реакции диагностируемого устройства на тест. Недостатком данного устройства является также относительно небольшая область его применения и невозможность определения вида неисправностей при диагностировании микропроцессорной техники на начальной стадии поиска неисправностей.
Заявленная полезная модель лишена этих недостатков.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в определении вида неисправности на начальной стадии диагностирования микропроцессорного устройства, в сокращении времени поиска неисправностей в микропроцессорной технике, в снижении стоимости диагностируемого оборудования, а также в расширении сферы его применения.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном устройстве для определения вида неисправностей в микропроцессорной технике, содержащем диагностируемое устройство, датчик тока и устройство управления, к датчику тока подключено сравнивающее устройство, которое соединено с персональным компьютером, при этом персональный компьютер соединен с диагностируемым устройством шиной "пуск", а со сравнивающим устройством - шиной "эталон".
Предлагаемая полезная модель в виде блок-схемы приведена на фиг.1, которая содержит: диагностируемое устройство - блок 1; датчик тока - блок 2; сравнивающее устройство - блок 3; ПК (персональный компьютер) - блок 4.
Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.
В момент начала переходного периода работы диагностируемого устройства (блок 1) в персональный компьютер (блок 4) передается сигнал "пуск". С этого момента на вход сравнивающего устройства (блок 3) с ПК по шине "эталон" поступают данные об эталонной функции тока. На второй вход сравнивающего устройства с датчика тока (блок 2) поступают данные о функции тока диагностируемого устройства. Информация о разности этих функций поступает в ПК, где происходит обработка разностной функции тока в соответствии с алгоритмом, обеспечивающим определение вида неисправности.
В основе дифференцирования неисправностей на аппаратные и программные лежит зависимость между видом неисправности и моментом несовпадения измеренной и эталонной функций тока диагностируемого устройства. Обоснование данной зависимости поясняется на приведенных ниже примерах.
Пример 1.
Математической моделью функционирования устройства с микропрограммным управлением является функция тока, измеренная в переходный период его работы.
1
2
На фиг.2 представлены эталонная (а) и измеренная (b) функции тока диагностируемого устройства. Измеренная функция тока несет в себе информацию о неисправности, которая определяется моментом начала несовпадения (1н) измеренной и эталонной функций. Интервал t-t является интервалом переходного периода работы устройства. Рассмотрим варианты поведение функции тока в момент несовпадения с эталонной функцией тока (фиг.3. и фиг.4).
Пусть  - эталонный вектор скорости изменения функции тока в момент несовпадения измеренной функции тока с эталонной функцией;
- измеренный вектор скорости изменения функции тока в момент несовпадения измеренной функции тока с эталонной функцией;
Δ - критерий несовпадения измеренной и эталонной функций тока.
Рассмотрим .
Если >0 и ||>Δ, то неисправность в диагностируемом микропроцессорном устройстве имеет в основном аппаратный характер.
Если <0 и ||>Δ, то неисправность в диагностируемом микропроцессорном устройстве может иметь как аппаратный, так и программный характер.
Если ||≤Δ, то считается, что неисправности не существует.
В первом случае (фиг.3), когда >0 и ||>Δ, вероятность того, что неисправность носит аппаратный характер, очень высока. Увеличение потребления тока по сравнению с эталоном вызвано уменьшением сопротивления элемента из-за выхода его из строя. Например, при выходе из строя транзистора, по причине пробоя р-n перехода, нагрузка в цепи его питания многократно возрастет. Это приведет к значительному увеличению потребления тока от источника питания.
Во втором случае (фиг.4), когда <0 и ||>Δ, вероятность программной и аппаратной неисправности равновероятно. Уменьшение потребления тока по сравнению с эталоном могло произойти вследствие увеличения сопротивления элемента (например, обрыва) или нарушения контакта элемента с платой. В этом случае имеет место аппаратная неисправность. Также уменьшение потребления тока могло произойти из-за нарушения программного обеспечения, вследствие чего одна из команд
была не выполнена. При этом программа может "повиснуть" или зациклиться.
В случае, когда ||<Δ считается, что разность между измеренной и эталонной функциями не превышает установленного критерия, поэтому неисправности не существует.
Критерий разности (Δ) между измеренной и эталонной функциями во многом определяет вероятность выявления неисправного элемента и время его нахождения. Поэтому данный критерий определяется эмпирически.
Таким образом, дифференцирование вида неисправностей при диагностировании устройств с микропрограммным управлением можно производить по анализу разности векторов эталонной и измеренной функций тока.
Пример 2.
Рассмотрим поведение функции тока диагностируемого устройства по сравнению с эталонной функцией тока в зависимости от времени выявления несовпадения. Данный пример поясняется фиг.5 и фиг.6.
1
2
Пусть t-t интервал переходного периода микропроцессорного устройства;
1
п
t-t - интервал начального этапа переходного периода;
н
t - момент начала несовпадения измеренной и эталонной функций тока.
н
1
п
Если t принадлежит t-t, то неисправность микропроцессорного устройства носит в основном аппаратный характер;
н
п
2
Если t не принадлежит t-t, то неисправность микропроцессорного устройства носит в основном программный характер.
Для пояснения примера необходимо определить механизм появления неисправностей в микропроцессорных устройствах. С аппаратной неисправностью дело обстоит проще, механизм ее появления достаточно
хорошо изучен и зависит в основном от перегрузок элементов, старения компонентов, производственных дефектов, внешних воздействий и т.д. Появление программных неисправностей во многом зависит от способов разрушения информации в микросхемах памяти. В основном они появляются вследствие вмешательства извне. Большое количество программных неисправностей может возникнуть из-за программных вирусов, которые способны проникать в микропроцессорные устройства и уничтожать целые зоны памяти. В настоящее время вирусы могут попадать в микропроцессорные устройства через накопители на гибких магнитных дисках, радиоканалы или Интернет. Такому воздействию могут быть подвержены такие микропроцессорные устройства как: персональные компьютеры, бортовые компьютеры автомобилей, мобильные телефоны, смартфоны и т.д.
Другим способом воздействия на память микропроцессорных устройств является некорректное перекодирование микросхем памяти: например, применение не специализированного оборудования.
п
н
Пример 2 следует понимать следующим образом. Чаще всего в начальный момент переходного периода происходит запуск микропроцессорного устройства и проверка исправности основных элементов. Запуском устройства обычно управляет область памяти, доступ в которую ограничен. Поэтому, если неисправность возникает в начале переходного периода, то вероятнее всего, что она носит аппаратный характер. На фиг.5 показан вариант появления неисправности в начале переходного периода работы микропроцессорного устройства. Время t определяется временем запуска аппаратной части микропроцессорного устройства. Иначе обстоит дело, если неисправность возникает не в начале переходного периода (фиг.6). К моменту несовпадения эталонной и измеренной функций тока (t) в основном все элементы устройства технически будут проверены при запуске микропроцессорного устройства, поэтому вероятность аппаратной неисправности очень мала. В этом случае
диагностирование микропроцессорного устройства необходимо направить на поиск программной неисправности.
Таким образом, дифференцирование вида неисправностей при диагностировании устройств с микропрограммным управлением также можно производить по анализу момента появления неисправности во время переходного периода.
Пример 3.
Одним из самых сложных вариантов при определении вектора диагностировании микропроцессорного устройства является случай, когда функция тока равна нулю на всем протяжении переходного периода работы микропроцессорного устройства. До появления микропроцессорной техники такой случай являлся идеальным для определения дефектного элемента. Диагностирование сводилось к поиску неисправного элемента и его замене. В случае с микропроцессорной техникой все обстоит гораздо сложнее. Запуск микропроцессорного устройства может не осуществляться равновероятно как по причине аппаратной, так и по причине программной неисправности. В этом случае при диагностировании должно выполняться следующее правило. В начале необходимо процесс диагностирования направить на поиск аппаратной неисправности, связанный с нарушением элементов, обеспечивающих микропроцессорное устройство питающими напряжениями. Если данное направление не принесло ощутимых результатов, необходимо процесс диагностирования направить на поиск программной неисправности.
На основании приведенных обоснований было разработано предлагаемое устройство, которое было опробовано в лаборатории Санкт-Петербургского государственного университета при диагностике современных моделей мобильных телефонов сотовой связи, в частности телефона Nokia 8210, Eriksson T28, Siemens C35.
Данные телефоны являются сложными радиоэлектронными устройствами, объединяющими в одном миниатюрном корпусе радиостанцию и микро-ЭВМ. Системная плата телефона имеет многослойную структуру, а микросхемы представляют собой сложные устройства (микропроцессоры и микроконтроллеры), корпуса которых выполнены по BGA технологии.
1
п
В качестве переходного периода работы мобильного телефона было выбрано время его тестирования после нажатия на кнопку включения. Данное время составило в среднем 20 секунд. Функция тока мобильного телефона в переходный период изменялась от 0 до 500 мА, что свидетельствует о высокой динамике изменения функции тока в выбранном переходном периоде работы микропроцессорного устройства. Критерий разности между измеренной и эталонной функциями тока при определении начала несовпадения был установлен равным 5 мА. Интервал начала переходного периода (t-t) был выбран равным 2,5 с.
При определении вида неисправностей в мобильных телефонах сотовой связи была проведена проверка выдвинутых утверждений, реализованных в предлагаемом устройстве.
Как показали результаты экспериментальных исследований, предложенная полезная модель по сравнению с мировыми аналогами позволяет определять вид неисправностей в микропроцессорной технике, что приводит к более эффективному поиску неисправностей в сложных радиоэлектронных устройствах, а также сокращает время их диагностирования.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Технические средства диагностирования: Справочник /В.В.Клюев, П.П.Пархоменко, В.Е.Абрамчук и др.; Под общ. ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1989. - 672с.
2. Кудрявцев В.В. Основы контроля и диагностики. Учебное пособие. С-Пб.: ВИККИ им. А.Ф.Можайского, 1993. - 175с.
3. Патент на изобретение №19601862, 1998, DE. Устройство обнаружения дефектных узлов в устройстве путем выявления тока, отклоняющегося от нормальной величины (прототип).