Сигнатурный анализатор с повышенной устойчивостью к сбоям

Дианов В.Н.

СИГНАТУРНЫЙ АНАЛИЗАТОР С ПОВЫШЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К СБОЯМ

Широкое распространение радиоэлектронных устройств с применением цифровой обработки сигналов обуславливает повышенный интерес к вопросам диагностирования их технического состояния.

Одной из разновидностей диагностирования цифровых узлов и блоков является тестовое диагностирование, применение которого на этапе проектирования и изготовления цифровых узлов позволяет определить правильность их функционирования и осуществить процедуру поиска неисправностей. При разработке тестовой диагностики возникает сложность в определении эталонных реакций при тестировании существующих схем, в определении оптимального числа контрольных точек для снятия выходной реакции диагностируемой цифровой схемы. Это можно сделать либо создавая прототип разрабатываемого цифрового устройства и проводя его диагностику аппаратурными методами, либо осуществляя моделирование на ЭВМ как цифрового устройства, так и процесса диагностики. Наиболее рациональным является второй подход, который предполагает создание автоматизированных систем диагностики, позволяющих производить диагностику цифровых схем на стадии проектирования и способных решать следующие задачи:

1. Производить логическое моделирование цифровых схем с помощью ЭВМ. Цель логического моделирования состоит в том, чтобы выполнить функцию проектируемой схемы без её физической реализации. Проверка на правильность моделирования может быть различной в зависимости от уровня представления цифровой схемы в ЭВМ. Если, например, осуществляется проверка только значений логической функции на выходе схемы, достаточно представить схему на уровне логических элементов. Для того чтобы проверить состояния сигналов в схеме, необходимо точно описать задержки срабатывания всех элементов в условиях синхронизации.

2. Моделирование неисправностей. Задача обнаружения неисправностей в цифровых схемах состоит в том, чтобы определить, обладает ли цифровая схема требуемым поведением. Для решения этой задачи необходимо, прежде всего, установить модель цифровой схемы как объекта контроля, затем метод обнаружения неисправностей и, наконец, модель неисправностей. С точки зрения особенностей поведения цифровых схем их можно разделить на комбинационные и последовательностные. В отношении обнаружения неисправностей комбинационные схемы являются сравнительно простой моделью. Последовательностные схемы в отношении поведения характеризуются наличием внутренних контуров обратной связи, поэтому обнаружение неисправностей в них в общем случае чрезвычайно затруднено.

3. Моделирование процесса тестовой диагностики.

Классическая стратегия тестирования цифровых схем основана на формировании тестовых последовательностей, позволяющих обнаруживать заданные множества их неисправностей. Для реализации генератора тестовой последовательности желательно использовать простейшие методы, позволяющие избежать сложной процедуры их синтеза. К ним относятся следующие алгоритмы:

1) формирование всевозможных входных тестовых наборов, т.е. полного перебора двоичных комбинаций. В результате применения подобного алгоритма генерируются счётчиковые последовательности;

2) формирование случайных тестовых наборов с требуемыми вероятностями единичного и нулевого символов по каждому входу цифровой схемы;

3) формирование псевдослучайных тестовых последовательностей. Основным свойством распространённых алгоритмов формирования тестовых последовательностей является то, что в результате их применения воспроизводятся последовательности очень большой длины. Поэтому на выходах проверяемой цифровой схемы формируются её реакции, имеющие ту же длину. Естественно возникают проблемы их запоминания и хранения. Простейшим решением, позволяющим значительно сократить объём хранимой информации об эталонных выходных реакциях, является получение интегральных оценок, имеющих меньшую размерность. Для этого используются алгоритмы сжатия информации.

Для того чтобы применять метод компактного сжатия тестирования, необходимо рационально выбирать алгоритм формирования тестовых последовательностей и метод сжатия информации.

Для диагностики любой комбинационной схемы особый интерес представляет сигнатурный анализатор, в частности многоканальный сигнатурный анализатор, в основе построения которого лежит алгоритм сжатия информации - сигнатурный анализ.

4. Анализ методов оценки эффективности компактного тестирования. Построение сложных цифровых устройств требует повышенного внимания к компактным методам тестирования для каждого конкретного применения. Поэтому возникает необходимость в оценке эффективности того или иного метода компактного тестирования. В настоящее время в литературе рассматриваются способы сравнения методов компактного тестирования.

Исходя из изложенного, предлагается разработать модель, позволяющую расширить функциональные возможности сигнатурных анализаторов за счет обнаружения и регистрации в работе аппаратуры источников сбоев как следствие проявления скрытых дефектов.

Из множества различных видов неисправностей выделяется класс логических неисправностей, которые изменяют логические функции элементов цифровой схемы. Для их описания в большинстве случаев используются следующие математические модели.

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.

2. Неисправности типа "короткое замыкание" (мостиковые неисправности) появляются при коротком

замыкании входов и выходов логических элементов и подразделяются на два вида: неисправности, вы-

званные коротким замыканием входов логического элемента, и неисправности типа обратной связи.

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

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

Классическая стратегия тестирования цифровых схем основана на формировании тестовых последовательностей, позволяющих обнаруживать заданные множества их неисправностей. При этом, для проведения процедуры тестирования, хранятся как сами тестовые последовательности, так и эталонные выходные реакции схем на их воздействие. В процессе тестирования при соответствии полученных реакций схемы эталонным она считается исправной, в противном случае схема содержит неисправность и находится в неисправном состоянии.

Структурные блоки, на которые разбивается задача диагностики, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Основные функциональные блоки, используемые при тестировании цифровой схемы: гтв - генератор тестовых воздействий; цс — цифровая схема; блок эталонных реакций - блок, хранящий сжатые выходные реакции

Логическая взаимосвязь функциональных блоков построена следующим образом: с генератора тесто-

вых воздействий через цифровую схему сигналы поступают на схему сжатия информации (сигнатурный анализатор). Сжатые выходные реакции (сигнатуры) попадают на схему сравнения, где они сравниваются с эталонными сигнатурами, которые хранятся в блоке эталонных реакций. Далее информация попадает в устройство вывода информации о состоянии схемы.

Все данные блоки реализованы в виде математической модели на компьютере. В качестве блока сжатия информации смоделирован многоканальный сигнатурный анализатор.

Разработанная модель относится к системам диагностики цифровых устройств повышенной надежности, в частности к устройствам сигнатурного анализа с обнаружением источников сбоев. С помощью контактных и бесконтактных датчиков сбоев, установленных в сигнатурных анализаторах, в частности на линиях обратной связи или в непосредственной близости (до 1-2 см) от них обнаруживают в качестве источников сбоев: соединители (разъемы), линии связи, интерфейсные шины, а так же внутреннее и внешнее электромагнитное воздействие.

В качестве информативных параметров наличия сбоев в указанных элементах используют повышенное электромагнитное излучение и появление эффекта дифференцирования электрических сигналов.

Известен сигнатурный анализатор для тестирования цифровых схем, содержащий схемы пуска, останова и синхронизации соответственно для определения моментов начала, окончания снятия сигнатур и выборки данных [1] . Устройство позволяет определять различия между сигнатурами, которые обычно имеют потенциал "земли" ("логический ноль") или "логической единиц Недостатком устройства является его невысокая надежность из-за невозможности обнаруживать неисправности в виде сбоев (само-устранимых отказов).

Другим техническим решением является сигнатурный анализатор для диагностики неисправности цифровых схем, содержащий генератор стимулирующих наборов, подключенный к испытуемому устройству и через схему формирования окна измерений к входу сдвигового регистра, другой вход которого через последовательно соединенные пробник данных, буфер данных и сумматор по модулю "2' соединен с выходом испытуемого устройства через линии связи с соединителями, выход сдвигового регистра связан с другим входом сумматора по модулю "2", а также подключен к блоку индикации через последовательно включенные буферный регистр и регистр индикации, входом и выходом связанный со входами схемы сравнения [2]. Для обнаружения случайных сбоев в двоичной последовательности, которые не фиксируются индикацией, в устройстве предусмотрено сравнение соседних окон на стабильность сигнатур. При рассогласовании сигнатур соседних окон схемой сравнения вырабатывается сигнал о наличии сбоев, по которому принимается решение о дальнейшем ходе проверки испытуемой схемы.

К недостаткам известного устройства следует отнести: невозможность обнаружение сбоев с продолжительностью более времени срабатывания регистра индикации, т.е. неслучайных сбоев; невозможность обнаружения сбоев с промежуточным (между логическим "О" и "1") состоянием сигналов. Кроме того, данное устройство не позволяет фиксировать источники сбоев, что при диагностировании аппаратуры важно. Не позволяет известное устройство и идентифицировать и внезапную электромагнитную помеху.

Известны методы анализа и генерирования испытательных сигналов на основе вычислений в конечных полях Галуа для обнаружения дефектов в больших и сверхбольших интегральных схемах (БИС и СБИС). Особенность использования данных методов состоит в том, что неисправность БИС и СБИС (технологическая и функциональная) отображается в точку, доступную для наблюдения в виде сигнала, имеющего длительность не менее одного шага квантования, и представляемого при помощи вектора, с описанием процесса её возникновения и отображения при помощи аддитивной операции поля Галуа.

Дальнейшее развитие данных методов было предложено распространить на случаи, когда неисправность схемы недоступна для наблюдения, а соответствующий ей сигнал имеет длительность менее одного шага квантования, т. е. другими словами схема находится в сбойном или предсбойном состоянии. Обнаружение такого типа неисправностей возможно посредством образования по определённым правилам циклического кода и порождающего полинома. Преимущество такого подхода состоит в том, что можно выявлять скрытые дефекты как на этапе проектирования и создания БИС и СБИС, так и на этапе их функционирования в рабочих режимах, с учётом линий связи, печатных проводников и контактирующих устройств (соединителей), [3]

Задача, решаемая предложенной моделью, заключается расширении функциональных возможностей за счет обнаружения сбоев элементов и узлов сигнатурного анализатора вследствие введения контактных и бесконтактных датчиков сбоев и использования новых информативных признаков сбоев с соответствующей обработкой информации (сигналов), а так же электромагнитной помехи (внутренней и внешней).

Задача решается тем, что разрабатываемый сигнатурный анализатор с обнаружением источников сбоев дополнительно содержит контактные и бесконтактные датчики сбоев, установленные на линиях связи (интерфейсной шине) с соединителями в непосредственной близости (до 1-2 см) от элемента (линии связи, интерфейсной шины) или узла (соединителя) электрической цепи [4].

Задача может решаться также тем, что в качестве источников сбоев обнаруживают следующие элементы и узлы электрической цепи сигнатурного анализатора: соединители (разъемы), линии связи,

интерфейсные шины, а так же электромагнитное воздействие (помеха). Преимуществом так же является то, что контактные датчики сбоев реализованы на КМОП-инверторах, бесконтактные датчики сбоев реализованы на пассивных (Ь,С - элементы) микрорезонансных контурах.

При срабатывании двух и более контактных датчиков сбоя в качестве источника сбоя определяется элемент или узел с более ранним по времени срабатыванием датчика.

При одновременном срабатывании двух и более бесконтактных датчиков сбоев в качестве источника сбоев определяется внешнее электромагнитное воздействие (помеха), в то время как при одновременном срабатывании контактных и бесконтактных датчиков сбоев в качестве источника сбоев определяется внутреннее электромагнитное воздействие.

Решение задачи определения сбойных состояний и источников сбоев в виде линий связи, соединителей (разъемов) и интерфейсных шин по информативным признакам повышенного электромагнитного излучения и появления эффекта дифференцирования электрических сигналов основано на представлении скрытых дефектов упомянутых фрагментов аппаратуры в форме микрозазоров, микронеровностей, микротрещин, частичных микроразрывов и образований вследствие этого микрорезонансных контуров.

На рисунке 2 (а-г) схематично показаны три состояния электрических проводников и контактных

подключений: исправное (рис. 2а), отказное в виде обрыва (рис. 2б), сбойное (рис. 2в) , а также

эквивалентная электрическая схема сбойного состояния (рис. 2г). В общем случае схема сбойного состояния представляет собой «№> параллельно включенных микрорезонансных контуров с переменными

параметрами Ri,Li,Ci Ц=1,2,...^, где Ri,Li - соответственно распределенная омическая и индуктив-

ная составляющие, a ^ — образованная при скрытых дефектах (за счет микрозазоров, микронеровностей, и т.п.) емкостная составляющая.

Рис. 2. Состояния электрических проводников и контактных подключений (а, б, в) и их электрическая

схема замещения

На рис. З приведена структурная схема сигнатурного анализатора с обнаружением источников сбоев. Устройство содержит испытуемое устройство (ИУ) 1, генератор стимулирующих наборов (ГСН) 2, схему формирования окна измерения (ОИ) 3, сдвиговый регистр (СР ) 4, буферный регистр (БР) 5,

регистр индикации (РИ) б, блок индикации (БИ) 7, пробник данных (ПД) 8, буфер данных (БД) 9, сумматор по модулю «2» 10, схему сравнения (СС) 11, блок управления и синхронизации (БУ) 12 (связь с другими блоками устройства показана в виде стрелок).

Контактные датчики сбоев (КДС) устанавливаются на линиях связи (интерфейсной шине) на выходе блока 4 и на входе блока 10 - соответственно 13.1, 13.2, ..., 13.п и 13.1', 13.2', ..., 13.п' ,

т.е. на выходах передатчика (блок 4) и входах приемника (блок 10) сигналов. Бесконтактные датчики сбоев (БДС) 14 устанавливаются в непосредственной близости (1-2 см) от линии связи (интерфейсной шины) блоков 4 и 10 между собой (на фиг. 3 показан один бесконтактный датчик сбоев, хотя в общей сложности их может быть "п+1", т.е. по одному на каждый провод заземления в информационной шине). Назначение бесконтактных датчиков сбоев - выявлять скрытые дефекты (в узлах и элементах аппаратуры), в том числе и в шинах (проводах) заземления.

Рис.3- Сигнатурный анализатор с обнаружением источников сбоев

Алгоритм функционирования КДС 13 следующий. Одновременное срабатывание датчиков 13i и 13i' свидетельствует о сбое выходной пары "вилка-розетка" блока 4, через которую передается информация в виде обратной связи на вход сумматора по модулю «2» 10. Срабатывание только одного датчика 13 i' говорит об источнике сбоев в линии связи между узлами 4 и 10. Аналогично функционируют и другие пары контактных датчиков 13.1 и 13. 1', 13.2. и 13.2'и т.д.

Реализация контактных датчиков сбоя достаточна проста и заключается, например, в подключении к соответствующим точкам цифровых интегральных КМОП-микросхем (например, логической структуры И-НЕ), имеющих высокое (до 107 Ом и выше) входное сопротивление, а при наличии скрытых дефектов в контактной паре и связанной с ней линии связи (проводника) в виде микрозазоров, микротрещин, шероховатостей, неровностей и т.п., проявляемых через емкостную составляющую и, следовательно, создающих условия дифференцируемости проходящих сигналов. Данный факт может быть зафиксирован как автономными средствами индикации, так и вводом данных сигналов в блок управления 12.

Принцип действия бесконтактных датчиков сбоя 14 основан на регистрации дополнительного (сверх допустимого) электромагнитного излучения источника сбоев за счет образования микрорезонансных контуров. Реализация данных датчиков также достаточно проста и, в частности, может быть построена на пассивных L,C — элементах, установленных на расстоянии 1-2 см от предполагаемого источника сбоев. Одновременное срабатывание датчиков данного типа будет свидетельствовать о наличии внешней электромагнитной помехи.

Идеология включения БДС 14 аналогична идеологии включения КДС 13, а именно: если на линии связи установлено несколько БДС 14, то последовательность (очередность) их срабатывания будет определять источник сбоев с тем отличием от КДС, что в данном случае диагностируется не только вся шина заземления, но и ближайшее к датчику место "плохой" изоляции. Сигналы с БДС 14 могут быть также использованы для дальнейшей обработки либо в БУ 12, (в качестве сигналов обратной связи), либо (при необходимости) иметь автономную систему индикации и регистрации.

Таким образом, рассмотренный в докладе новый подход к построению сигнатурных анализаторов позволяет вести проектирование и создание аппаратуры на принципиально новом уровне, в частности за

счет обнаружения скрытых дефектов при ее качественном анализе и исключении сбоев при решении задач надежности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Л.М. Фолкенберри. Справочное пособие по ремонту электрических и электронных систем. М. "Энергоатомиздат," 1989, с. 315-319.

2. Технические средства диагностирования. Справочник под общей редакцией В.В. Клюева. М. "Машиностроение," 1989, с. 178-187.

3. Дианов В.Н. Диагностика сбоев аппаратуры в конечных полях Галуа. Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 1. «Радио и связь» 2003, с. 76.

4. В.Н. Дианов, А.И. Медведев, Р.Р. Аляутдинов, И.А. Дюжев, М.Ю. Луговской, А.В. Соколов. Сигнатурный анализатор с обнаружением источников сбоя. Патент РФ на полезную модель № 85673. МПК G01R 31/02 от 10.08.2009. Бюл. №22.