TechShape.ru

Информационные технологии

Основные разделы

Разработка методов синтеза и логического проектирования модулей сигнатурного мониторинга

Возрастание сложности современных систем управления технологическими процессами и оборудованием влечет за собой необходимость решения множества проблем, среди которых важное место занимают вопросы обеспечения требуемого уровня отказоустойчивости, робастности, производительности и быстрой адаптации к классу решаемых задач. Одним из эффективных путей достижения высоких показателей надежности систем управления на основе микроконтроллеров является введение аппаратной, программной и временной избыточности, обеспечивающей их отказоустойчивость, т.е. способность системы управления сохранять работоспособность при наличии в ней неисправностей определенного класса. Средства достижения отказоустойчивости достаточно разнообразны и существенно зависят от условий применения систем управления. Опыт промышленного использования микроконтроллерных систем управления показывает, что для обнаружения неисправностей и последующего восстановления работоспособности широко используются методы сигнатурного мониторинга, обеспечивающие отказоустойчивость системы с помощью программно-аппаратных средств, встроенных на кристалл или печатную плату.

Развитие субмикронных технологий и широкое использование сигнальных процессоров, микроконтроллеров и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) с числом выводов, достигающим 1000 на одну микросхему и функционирующих на тактовой частоте ГГц, приводит к значительному возрастанию стоимости диагностического обеспечения на всех этапах жизни управляющих систем. Существующие системы диагностического обеспечения в большинстве случаев ориентированы на обнаружение класса устойчивых неисправностей константного типа, что неадекватно отражает множество возможных дефектов в субмикронной КМОП технологии. Повышение плотности интеграции приводит к возрастанию числа дефектов типа «замыкание соседних линий», имеющими электрическое сопротивление между этими линиями, что не соответствует используемым моделям типа «короткое замыкание». С повышением тактовой частоты становятся соизмеримыми задержки сигналов в линиях связи и активных элементах, что приводит к появлению неисправностей типа «задержка фронта и среза импульса» и искажению функциональных характеристик схем.

На этапе эксплуатации управляющих систем в условиях промышленного производства в большинстве случаев отказы в них обусловлены неисправностями перемежающегося типа и сбоями, возникающими в процессе выполнения управляющих программ. Для обнаружения неисправностей различного типа в специальном тестовом режиме используются генераторы тестовых последовательностей и сигнатурные анализаторы для сжатия выходных реакций.

В режиме функционирования рабочие воздействия являются тестовыми для системы тестового диагностирования. Правильность выполнения управляющей программы проверяется специальным диагностическим процессором (ДП), реализующим функции сигнатурного мониторинга.

Весомый вклад в решение проблем тестового и функционального диагностирования, генерации тестов и моделирования неисправностей, создания встроенных средств самотестирования внесли ученые: П.П. Пархоменко, Е.С. Согомонян, А.П. Горяшко, В.Г. Тоценко, Д.В. Сперанский, В.А. Твердохлебов, А.М. Романкевич, Л.В. Дербунович, Ю.А. Скобцов, Р. Убар, Г.Ф. Кривуля, В.И. Хаханов, E.J. McCluskey, R.G. Bennets, S.K. Gupta, J. Savir, J.A. Abraham, M. Breuer и др.

Актуальность темы исследования. Известно, что стоимость процедур генерации тестов и моделирования неисправностей растет с возрастанием размерности схемы, рабочей частоты и числа выводов СБИС. Необходимость учета особенностей субмикронных технологий производства СБИС, условий эксплуатации управляющих систем на их основе в рамках жестких стоимостных и временных ограничений приводит к необходимости объединения методов функционального и тестового диагностирования и реализации их в виде программно-аппаратных модулей сигнатурного мониторинга, встроенных на кристалл или печатную плату. В соответствии с международным стандартом проектирования цифровых систем IEEE 1149.1 «Boundary scan» архитектура системы в режиме тестирования реконфигурируется в сдвигово-регистровую сеть, через которую сканируется диагностическая информация с управляемых входов на наблюдаемые выходы. Методология тестопригодного проектирования предусматривает разбиение сложной схемы на макроблоки для обеспечения доступа к внутренним узлам схемы и сокращения трудоемкости тестового диагностирования макроблоков и иерархическое использование встроенных схем самотестирования, образующих систему сигнатурного мониторинга.

В связи с этим, разработка методов синтеза и логического проектирования модулей сигнатурного мониторинга: генераторов тестовых последовательностей, сигнатурных модулей компактного сжатия выходной реакции, модулей управления процессом диагностирования и принятия решений о состоянии объекта диагностирования с учетом архитектурных особенностей современных ПЛИС, микроконтроллеров и субмикронных технологий является актуальной проблемой.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Разработка основных положений работы осуществлялась в соответствии с планами НИР и программами, выполняемыми на кафедре автоматики и управления в технических системах НТУ «ХПИ», а именно с планом прикладных работ МОН Украины: «Разработка методик оптимального управления состоянием динамических систем в условиях неопределенности» (№ ГР 0100U001691); «Разработка методов принятия решений в условиях неполной информации об объекте управления» (№ ГР 0103U001511); поисковая тема «Созвучие» НАН Украины «Разработка комплексов микропроцессорных технических средств контроля и регулирования уровня расплава при выращивании ЩГК» (№ ГР 0101U006612).

При выполнении упомянутых тем и договоров автор участвовал в качестве консультанта и разработчика программно-аппаратных средств тестового и функционального диагностирования различных объектов.

Целью диссертационной работы является разработка и совершенствование моделей, методов синтеза и логического проектирования унифицированных модулей сигнатурного мониторинга для повышения эффективности тестового и функционального диагностирования микроконтроллерных устройств управления на их рабочей частоте с гарантированной полнотой и минимальными аппаратными затратами.

Сформулированная цель достигается решением следующих задач:

разработка алгоритмических методов генерации тестовых последовательностей и сжатия выходной реакции, ориентированных на реализацию псевдоисчерпывающего и псевдослучайного тестирования дискретных устройств;

разработка методов синтеза генераторов тестовых последовательностей на основе сдвиговых регистров с линейными и нелинейными обратными связями;

разработка моделей аддитивных клеточных автоматов и методов синтеза генераторов псевдослучайных последовательностей на их основе;

разработка методов преобразования автоматных моделей дискретных устройств в легко тестируемые и реализация модулей сигнатурного мониторинга, оптимальных по тестопригодности;

применение разработанных методов синтеза для реализации модулей сигнатурного мониторинга на ПЛИС.

Объект исследования - дискретные устройства и системы на одном кристалле, микроконтроллерные устройства управления, процессы их тестового и функционального диагностирования.

Предмет исследования - модели, методы и алгоритмы синтеза модулей сигнатурного мониторинга

Методы исследования представлены аппаратами теории автоматов, теории булевых функций, теории графов, теории матриц. В работе также использовались компьютерные эксперименты для оценки свойств модулей, проектируемых разработанными методами синтеза.

Научная новизна полученных результатов заключается в разработке методов, моделей и алгоритмов синтеза модулей сигнатурного мониторинга, которые используются в качестве встроенных средств функционального и тестового диагностирования микропроцессорных контроллеров и систем на одном кристалле или печатной плате. В частности,

новые методы синтеза генераторов тестовых последовательностей и сигнатурных анализаторов на основе сдвиговых регистров с линейной обратной связью с учетом специфики современных микроконтроллерных устройств управления и дискретных устройств на ПЛИС;

впервые разработан метод синтеза генераторов тестов для псевдоисчерпывающего тестирования схем на основе сдвиговых регистров с нелинейными обратными связями. Разработан алгоритм нахождения остовных деревьев графовой модели СР, которые порождают в нем гамильтоновы циклы, с минимальными затратами на реализацию функций обратной связи СР;

усовершенствованы матричные модели сетей клеточных автоматов и разработан метод синтеза гибридных аддитивных сетей клеточных автоматов, генерирующих последовательности максимальной длины;

усовершенствован метод расширения автоматных моделей управляющих модулей сигнатурного мониторинга и способ кодирования их состояний, обеспечивающий тестопригодность модулей в режиме проверки исправности путем реконфигурации элементов памяти в один сквозной СР.

Практическое значение полученных результатов определяется:

разработкой методов синтеза и логического проектирования унифицированных модулей сигнатурного мониторинга для тестового и функционального диагностирования микроконтроллерных устройств управления и систем на одном кристалле;

расширением класса обнаруживаемых неисправностей, который включает устойчивые кратные константные неисправности и неисправности логического типа;

исключением необходимости выполнения трудоемких процедур генерации тестов и моделирования неисправностей;

внедрением инженерных методов проектирования модулей сигнатурного мониторинга и их реализацией на современных ПЛИС.

Достоверность полученных результатов, научных положений и выводов обоснована доказательствами утверждений и теорем с использованием аппарата дискретной математики, теории автоматов, матричной алгебры, результатами практического использования разработанных методов, алгоритмов и программ при проектировании реальных схем сигнатурного мониторинга. Эффективность предложенных методов синтеза и алгоритмов проектирования схем встроенного контроля подтверждена компьютерными экспериментами.

Разработанные методы проектирования и встроенные средства тестового и функционального диагностирования используются на предприятиях: НПО «Хартрон» г. Харьков, опытном производстве НИИ «Монокристалл», а также в учебном процессе в Национальном техническом университете «Харьковский политехнический институт» кафедрой «Автоматика и управление в технических системах» при изучении курсов «Прикладная теория цифровых автоматов» и «Системное проектирование дискретных устройств», в учебном процессе Украинской государственной академии железнодорожного транспорта, г. Харьков.

Личный вклад соискателя. Соискателем предложены новые методы синтеза модулей сигнатурного мониторинга - самопроверяемого многоканального сигнатурного анализатора, генератора поледовательности де Брейна на СРНОС, генератора М-последовательности на СКА; метод синтеза ГПТ, основанный на модификации структуры СРЛОС/СР путем формирования линейно независимых остатков; метод нахождения последовательности двоичных символов, порождающих гамильтонов цикл в СР, циклических сдвиг которых обеспечивает оптимальный по тестопригодности вариант кодирования автомата; а также алгоритмы и программы, обеспечивающие решение поставленных задач. Вся практическая работа по разработке и исследованию новых методов синтеза модулей сигнатурного мониторинга выполнена соискателем лично, а работы по внедрению этих методов на предприятиях - при его личном участии.

Апробация результатов работы. Научные результаты диссертационной работы по мере их получения обсуждались на совместных семинарах кафедры «Автоматика и управление в технических системах» Харьковского национального университета «ХПИ» и кафедры «Автоматизация проектирования вычислительной техники» Харьковского Национального университета радиоэлектроники. Эти результаты докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: на 7-й Международной конференции «Теория и техника передачи, приема и обработки информации» (Харьков, 2001), на международной конференции «Проблемы информатики и моделирования - 2001» (Харьков, 2001), на 15-й Международной школе-семинаре «Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте» (г. Алушта, Крым, Украина, 13 - 20 сентября 2002 г.), на 10-й юбилейной конференции «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» (Крым, 2002).

Публикации. Результаты научных исследований отражены в 12 печатных трудах, в том числе в 8 статьях, опубликованных в научных изданиях, включенных в Перечни ВАК Украины, в 4 материалах конференций.

    Еще статьи

    Реализация мостовой схемы подключения термодатчика
    Реализовать мостовую схему подключения термодатчика. Определять напряжение на каждом элементе моста. При повышении температуры (порог задается программно) включается сигнализирующий красный светодиод. Частота регистрации температуры задается программно. Данные заносятся в *.log файл. Реализация ...

    Все права защищены! 2021 - www.techshape.ru