Обучающая система методам компактній диагностики

МІНІСТЕРСТВО СПІЛЬНОГО І ПРОФЕСИОНАЛЬНОГО ОСВІТИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦИИ.

___________________________________________________________.

КАЗАНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНИВЕРСИТЕТ.

Фізичний факультет.

Кафедра радиофизики.

ДИПЛОМНА РАБОТА.

Навчальна система методам компактній диагностики.

Виконавець: студент гр.644.

Кім В.Л.

Керівник: ст. викладач каф. р/ф.

Таюрская Г. В.

Казань — 1999 г.

Зміст. Запровадження. 4 Глава 1. Огляд методів компактного тестування і типи несправностей цифрових схем.

1.1 Класифікація методів стискування вихідних реакцій схем. 5.

1.2 Типи несправностей цифрових схем. 10.

1.3 Генератори тестових послідовностей. 12 Глава 2. Практична реалізація системи навчання методам компактного тестирования.

2.1 Реалізація графічного інтерфейсу. 17.

2.2 Розробка і реалізація алгоритму моделювання цифрових схем, що дозволяє моделювати ЦС різної складності, використовують різні элементные бази. 19.

2.3 Реалізація алгоритму, моделююча роботу генераторів тестових послідовностей: 23.

. генератор счётчиковой последовательности;

. генератор М-последовательности;

2.4 Розробка і реалізація модуля що моделює алгоритм діагностики з допомогою компактних методів тестування: 24.

. сигнатурный анализатор;

. метод рахунку единиц;

2.5 Блок пошуку несправностей; 28.

2.6 Визначення оцінки ефективності методу сигнатурного аналізу та методу рахунку одиниць. 31.

. Достовірність сигнатурного анализа.

. Достовірність методу рахунку одиниць. Глава 3. Опис програми 35 Експериментальна частина. 38 Укладання. 42 Література. 43 Додаток 44.

Неухильне зростання складності приладів зумовлює підвищений інтерес до питанням діагностування їх технічного стану. Однією з різновидів методів технічного діагностування апаратури є тестова діагностика, що дозволяє на етапі проектування й виготовлення вирішувати основні завдання: визначати правильність функціонування, здійснювати пошук несправностей та імідж визначатимуть тип несправності. Для цих завдань потрібно інтенсифікація підготовки фахівців з обчислювальної техніки та програмах технічної діагностиці, володіють методикою дослідження та проектування складних цифрових систем з допомогою сучасних методів технічної діагностики. Основне завдання дипломної роботи є підставою розробка автоматизованої системи навчання діагностиці складних цифрових схем, що дозволяє детально знайомити студентів із практичними можливостями використання сучасних методів компактного тестування. Вона має являти собою програму, що включає у собі: > Модуль, який реалізує графічний інтерфейс. Обмін графічної інформацією між користувачем і ЕОМ має здійснюватися у формі діалогу; > модуль, який реалізує логічне моделювання цифрових схем; > модуль, моделюючий роботу генераторів тестових послідовностей; > блок, моделюючий процес діагностики. До нього входить: блок моделюючий роботу багатоканального сигнатурного аналізатора, блок відображення і методи обробки даних, блок пошуку несправностей; > блок, який реалізує алгоритм визначення оцінки ефективності діагностики під час використання компактних методів диагностики.

Глава1. Огляд методів компактного тестування і типи несправностей цифрових схем.

1.1 Класифікація методів стискування вихідних реакцій схем.

Класична стратегія тестування цифрових схем полягає в формуванні тестових послідовностей, дозволяють виявляти задані безлічі їх несправностей. У цьому щодо процедури тестування, зазвичай, зберігаються як самі послідовності, і еталонні вихідні реакції схем з їхньої вплив. У процесі самої процедури тестування виходячи з порівняння вихідних реакцій з еталонними приймають рішення про стан перевіреній схемы.

Для низки які у час схем класичний підхід вимагає тимчасових витрат як у формування тестових послідовностей, і на процедуру тестування. З іншого боку для проведення тестового експерименту потрібно наявність складного устаткування. У зв’язку з цим вартість будівництва і час, необхідних реалізації класичного підходу, мають зростати швидше, ніж складність цифрових схем, котрим його використовують. Тому рішення, дозволяють значно спростити як процедуру побудови генераторів тестових послідовностей, і проведення тестового эксперимента.

Задля реалізації генератора тестової послідовності використовуються алгоритми, дозволяють уникнути складності їх синтеза:

1. Формування різноманітних тестових наборів, тобто. повного перебору двійкових комбінацій. Через війну генерується так звана счётчиковая последовательность.

2. Формування випадкових тестових наборів з необхідними імовірностями появи одиничного і нульового символів в кожному входу цифровий схемы.

3. Формування псевдослучайной тестової последовательности.

Основным властивістю розглянутих алгоритмів формування тестових послідовностей і те, у результаті їх застосування відтворюються послідовності дуже великі довжини. Тому на згадуваній виходах перевіреній цифровий схеми формуються її реакції, мають ті ж самі довжину. Природно виникають проблеми їх запам’ятовування, збереження і витрата на обробку цих послідовностей. Найпростішим рішенням, що дозволяє значно скоротити обсяг береженої інформацію про еталонних вихідних реакціях є отримання інтегральних оцінок, мають меншу розмірність. І тому використовуються алгоритми стискування информации.

У результаті їхніх застосування формуються компактні оцінки сжимаемой інформації. Розглянемо алгоритми стискування даних для випадку бінарною послідовності {y (k)}, що з l послідовно формованих двійкових переменных.

Псевдослучайное тестирование.

Найчастіше для формування псевдослучайных послідовностей використовуються два методу. Перший лежить у основі більшості програмних датчиків псевдослучайных чисел, використовує рекуррентные співвідношення. Цей метод має низку недоліків, зокрема, малої періодичністю. Що стосується проблемі тестування цифрових схем періодичність може помітно знизити повноту контролю. З іншого боку, він відрізняється складністю практичної реализации. Тому найширше застосовується другий метод, заснований на використанні співвідношення [pic].

До — номер такту; [pic]- символи последовательности;

[pic]- постійні коефіцієнти; [pic]- операція підсумовування по модулю два m логічних змінних. При відповідному виборі коефіцієнтів [pic]на підставі характеристичного полинома.

[pic], що має бути примітивним, послідовність має максимальну довжину, рівну 2м-1. Така послідовність називається Мпоследовательностью.

Використання таких послідовностей передбачає застосування сигнатурного аналізу як методу стискування реакцій цифровий схемы.

Типова структурна схема сигнатурного аналізатора складається з регістру зсуву і сумматора по модулю два, на входи якого підключені виходи розрядів регістру відповідно до що породжує полиномом [pic] (рис. 1.1).

Управляючими сигналами сигнатурного аналізатора є СТАРТ, Стоп і ЗРУШЕННЯ. Сигнали СТАРТ і Стоп формують тимчасової інтервал, протягом якого здійснюється процедура стискування інформації на аналізаторі. Під дією сигналу СТАРТ елементи пам’яті регістру зсуву встановлюються в вихідне стан, зазвичай нульовий, а сам регістр зсуву починає виконувати функцію зсуву однією розряд в право під впливом синхронизирующих імпульсів ЗРУШЕННЯ. По приходу кожного синхронизирующего імпульсу у розряд регістру зсуву записується інформація, відповідна выражению:

[pic] де y (K)[pic]{0,1} -к-й символ сжимаемой послідовності {y (K)}, К=[pic]; [pic]- коефіцієнти що породжує полинома[pic]; [pic]- вміст i-того елемента пам’яті регістру зсуву 1 в (к-1) такт. Процедура зсуву інформацією регістрі описується соотношением.

[pic].

Отже, повне математичне опис функціонування сигнатурного аналізатора має такий вигляд: аi (0)=0, i=[pic], a1(k)=y (k)[pic] (1.3).

[pic] k=[pic], причому l, зазвичай, приймається рівним менше величини (2м-1), і є довжиною сжимаемой последовательности.

Після закінчення l тактів функціонування сигнатурного аналізатора з його елементах пам’яті фіксується двоїчний код, що є сигнатуру, відображену як 16-ричного кода.

Синдромное тестирование.

Синдромом (контрольної сумою) деякою булевой функції n змінних є соотношение.

S=R5/2n,.

Де R5 одно числу одиничних значень функції відповідно до таблиці істинності для l=2n. Визначення поняття синдрому однозначно передбачає використання генератора счетчиковых послідовностей на формування різноманітних двійкових комбінацій з n вхідних змінних під час тестування схеми, реалізує задану функцію. Подальшим розвитком синдромного тестування є спектральний метод оцінки вихідних реакцій цифрових схем і кореляційний метод.

2. Типи несправностей цифрових схем.

Проблема тестового діагностування цифрових схем виникає на різних етапах їх виробництва та експлуатації і включає взаємозалежні завдання. Перша полягає у визначенні, що не стані перебуває досліджувана схема.

Основним станом цифровий схеми є справне — такий стан схеми, у якому вона задовольняє всі вимоги технічної документації. Інакше схема перебуває у одному їх несправних состояний.

Якщо встановлено, що схема несправна, то вирішується друга завдання: здійснюється пошук несправної схеми, мета якогомісця і виду неисправности.

Несправності ЦС з’являються внаслідок застосування несправних компонентів, як-от логічні елементи, реалізують найпростіші логічні функції, елементи пам’яті та інших. ще, причиною несправностей може бути виникнення розривів чи короткі замикання в межкомпонентных з'єднаннях, порушення умов експлуатації схеми, наявність помилок під час проектування та у виробництві й інших факторов.

З багатьох різних видів несправностей виділяється клас логічних несправностей, які змінюють функції елементів ЦС зазначений тип несправностей займає домінуюче місце серед несправностей ЦС. Для їх описи здебільшого використовують такі математичні модели:

. Константні неисправности;

. Несправності типу «Короткий замыкание»;

. Инверсные неисправности;

. Найбільш спільної програми та часто застосовуваної моделлю логічних несправностей є константні несправності: константный нуль і константная одиниця, що означає наявність постійного рівня логічного нуля чи логічного одиниці одному з полюсів логічного елемента. У такій моделі несправностей часто називається класичною та широко використовується для описи інших типів несправностей. Несправності типу «Короткий замикання» з’являються при короткому замиканні входів і виходів логічних элементов.

Инверсные несправності описують фізичні дефекти ЦС, що призводять до появі фіктивного инвертора по входу чи з виходу логічного елемента. Инверсные несправності разом із константними, часом йдуть на побудови повної моделі несправної цифровий схемы.

1.3 Генератори тестових последовательностей.

Класична стратегія тестування цифрових схем полягає в формуванні тестових послідовностей, дозволяють виявляти задані безлічі їх несправностей. Задля реалізації генератора тестової послідовності бажано використовувати найпростіші методи, дозволяють уникнути складної процедури їх синтезу. До них належать такі алгоритми: > формування різноманітних тестових наборів, тобто повного перебору двійкових комбінацій. Через війну застосування подібного алгоритму генеруються счётчиковые послідовності; > формування псевдослучайных тестових послідовностей; > формування випадкових тестових наборів, з необхідними імовірностями одиничного і нульового символів в кожному входу цифровий схемы.

Основним властивістю перелічених вище алгоритмів і те, що у результаті їхні застосування відтворюються послідовності дуже великі длины.

Для процесу навчання було обрано два перших алгоритму побудови генераторів тестових послідовностей. І розроблено два модуля для эмуляции роботи генераторів: модуль эмуляция генератора счетчиковой послідовності; модуль эмуляции роботи багатоканального генератора Мпослідовності, дозволяє генерувати псевдослучайную послідовність та порівняно просто регулювати її максимальну довжину, і число каналів залежно від кількості входів цифровий схемы.

Генератор М-последовательности.

У апаратурних псевдослучайных датчиках і вузлах ЕОМ при генеруванні ПСЧП з рівномірним розподілом найчастіше використовується метод, який залежить від отриманні лінійної двоичной послідовності по рекуррентному выражению:

[pic] де і - номер такту; [pic]символы вихідний послідовності; [pic]постоянные коефіцієнти. При відповідному виборі коефіцієнтів {(до} генерируемая числова послідовність має максимальну (для даного m) величину періоду й називається М-последовательностью. Однією із визначальних переваг методу генерування ПС — послідовностей максимальної довжини є простота його реализации.

Генератор М-последовательности буде побудовано двома методами, несхожими способом включення сумматоров по модулю два: можуть включатися як і ланцюг зворотний зв’язок генератора, і у між розрядні зв’язку елементів пам’яті регістрів сдвига.

Структурна схема генератора М — послідовності, побудованого по способу включення сумматоров в ланцюг зворотний зв’язок представлена на рис. 1.1 Генератор М-последовательности з сумматорами по модулю два, що стоять у ланцюга зворотний зв’язок: аi, ai-1,ai-2,…ai-m — символи послідовності; (і - коефіцієнти, що визначають вид зворотної связи.

Алгоритм розмноження М-последовательности.

А, щоб забезпечити різні режими випробувань, генератори піддослідних сигналів повинні задовольняти ряду вимог (багатоканальність, швидкодія, достатня довжина періоду й т.д.). У платній основі найбільш перспективного методу побудови швидкодіючого паралельного генератора псевдослучайных послідовностей випробувальних сигналів лежить ідея використання (як незалежних послідовностей для формування розрядів чергового коду) ділянок одному й тому ж послідовності. У разі генерування різних ділянок здійснюється з допомогою (-входовых сумматоров по модулю два, тобто. (({2,m}, де mрозрядність регістру зсуву. Сполуки сумматоров по модулю дві з розрядами регістру зсуву визначаються набором коефіцієнтів (i (1)({0,1}(i=1,2,3,.m), значення яких залежить від величини зсуву l (l=1,2,3,…) і виду що породжує полинома.

Методика вибору коефіцієнтів (i (1), однозначно визначальних зв’язку многовходового сумматора по модулю два, описується на ітераційному підході, коли виходячи з (i (h), по расчётным сполукам перебувають (i (1)(h=1,2,…h>m перетвориться до більш простому виду:

[pic] що може служити основним аргументом для обгрунтування високої ефективності сигнатурного анализа.

Як точнішою заходи оцінки достоїнств сигнатурного аналізатора розглянемо розподіл ймовірності необнаружения помилки у залежність від її кратності (, тобто. визначимо значення [pic] де (=1,2,3,…2m-1.

Можна показати, що [pic]не які виявляються помилок визначається наступним образом:

[pic] а кількість можливих помилок з (біт окреслюється [pic].

І тоді вираз для ймовірності не виявлення помилки приймає вид:

[pic],.

[pic].

Аналіз свідчить, що з досить великих m [pic], тобто. при m>7 можливість виявлення помилки [pic]практически дорівнює единице.

Достовірність методу рахунку единиц.

Як характеристики, що дозволяє оцінити метод компактного тестування доцільно використовувати розподіл ймовірностей не виявлення помилки у залежність від її кратності (:

[pic] де (-кратність помилки, [pic]- можливість появи помилки кратності (; [pic]- ймовірність не виявлення посталої помилки кратності (, яка як співвідношення кількості не які виявляються помилок кратності (і кількості можливих помилок з (невірних символів в послідовності довжиною l.

Значення [pic] визначається виглядом перевіреній цифровий схеми, безліччю можливих її несправностей, і навіть типом тестових послідовностей, причому розподіл ймовірностей [pic] може мати цілком довільний вигляд і значно змінюватися залежно від несподіваній несправності, виду схеми і тестової последовательности.

Значення [pic] характеризується лише методом компактного тестування і дозволяє провести його порівняльну оцінку тоді як іншими методами. Тож різних методів у залежність від їх розподілу ймовірностей [pic] можна отримати оцінки ефективності контролю ЦС в вигляді розподілу [pic]. Аналіз цього виду розподілу дозволяє прийняти рішення про доцільність застосування тієї чи іншої методу компактного тестування. До того ж спрощення алгоритму прийняття рішень слід використовувати більш компактну характеристику, наприклад сумарну ймовірність не виявлення помилки [pic], вычисляемую как.

[pic].

У разі величина [pic] характеризуватиме той чи інший метод компактного тестування цілком конкретного розподілу ймовірностей [pic] виникнення несправностей залежно від її кратности.

Глава 3.

Опис программы.

Інтерфейс програми складається з трьох окон:

. Головного — у якому знаходяться практично всі основні функції програми, елементи цифровий схемы.

. Вікна властивостей, у якому відображається інформація про элементе.

. Вікно «Конструктор «- у ньому будується сама цифрова схема.

Для побудови цифровий схеми, необхідно по черзі натискаючи в панелі інструментів, на головною формі, на потрібний елемент і натискаючи на форму конструктора створювати елементи, яких буде перебувати цифрова схема. Елементи можна і розміщати у кожному порядку, і навіть додавати і видаляти у вже створеної ЦС.

Щоб з'єднати входи і виходи елементів лінією, необходимо:

. При наведенні курсору миші на вхідну ніжку елемента, ніжка виділяється і натискаючи ліву кнопку тягнемо до вихідний ніжки іншого елемента. Щойно вихідна ніжка що її хочемо з'єднати також виділиться відпускаємо кнопку миші. Через війну буде створено лінії, з'єднує вхідну і вихідну ножки.

Також з'єднується лінією точка із вхідними і вихідними ніжками элементов.

Для перегляду властивостей елементів, досить виділити елемент й поліпшуючи властивості елемента отобразятся з вікна свойств.

У цьому вся вікні можна змінювати число входів чи число виходів, вводити помилки. У ньому також відображається тип елемента і порядковий номер на схемою. Якщо схемою використовується генератор М-последовательности, то тут для нього необхідно провести примітивний неприводимый поліном. І тому в меню вибираємо розділ Поліном —>М-генератор й у який з’явився вікні складаємо полином.

Для сигнатурного аналізатора, також потрібен скласти поліном. З тієї самої пункту меню Поліном вибираємо Сигнатурный анализатор.

Коли схема буде створено, натискаємо на Аналіз. У який з’явився вікні відображається сигнатура, число одиниць, ймовірності появи одиниць і нулей.

Експериментальна часть.

Як приклад розглянемо схему мультиплексора й одержимо сигнатуру. Як тестового генератора використовуватимемо генератор Мпослідовності і поліном вида:

[pic].

Для сигнатурного аналізатора виберемо поліном також сьомий степени.

Через війну моделювання, одержимо: на вході: на выходе.

Сигнатура і кількість единиц:

Далі, вводимо помилки у схему з вікна «Властивості елементів », яке перебуває у лівої частини экрана.

Потім з меню Діагностика вибираємо «Пошук несправностей «.

У результаті локалізували несправні елементи і типи помилок. ———————————;

ГТП.

Моделювання ЦС Блок ошибок Блок відображення і методи обробки вихідних реакцій й стиску информации Блок визначення [pic].

Схема сравнения Эталонные данные Результат тестирования.

[pic].

[pic].