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

    Амплитудная, частотная модуляции
    Данная курсовая работа предусматривает изучение различных видов модуляции: амплитудной, фазовой, частотной, импульсной. При выполнении этой работы необходимы знания принципов работы составных элементов системы связи: модулятора и демодулятора, АЦП и ЦАП, кодера и декодера. Существуют три основные схем ...

    Все права защищены! 2018 - www.techshape.ru