1. Загальна частина

1.1 Специфіка контролю і діагностики цифрових систем

Одним з найбільш ефективних способів поліпшення експлуатаційно-технічних характеристик цифрових систем, що зайняли домінуюче положення в сучасній електроніці являється використання при їх експлуатації методів і засобів контролю та технічної діагностики.

Технічна діагностика є галузь знань, що дозволяє із заданою достовірністю розділяти несправний і справний стани систем. Мета її полягає в локалізації несправностей і у відновленні справного стану системи. З точки зору системного підходу засобу контролю і технічної діагностики доцільно розглядати як складову частину підсистеми технічного обслуговування і ремонту, тобто системи технічної експлуатації.

Основним станом цифрового пристрою є справний стан, тобто такий стан пристрою, при якому він задовольняє усім вимогам технічної документації. Інакше пристрій знаходиться в одному їх несправних станів.

Якщо встановлено, що цифровий пристрій несправний, то вирішується друге завдання: здійснюється пошук несправності схеми, мета якого - визначення місця та виду несправності.

Несправності цифрового пристрою з'являються в результаті застосування несправних компонентів, виникнення розривів або коротких замикань в з'єднаннях між компонентами, порушення умов експлуатації схеми, наявність помилок при проектуванні і виробництві, а також ряду інших чинників.

Для науково обґрунтованого вибору методів і засобів діагностики потрібне ретельне вивчення і аналіз несправностей цифрових пристроїв, а також ви значення до якого класу вони відносяться. При цьому метод діагностики буде адекватний цифровому пристрою, для якого він використовується, саме в тій мірі, в якій адекватно прийнята за основу модель несправності.

В більшості випадків розглядаються наступні види несправностей :

1. Константні несправності: константний нуль і константна одиниця, що означає наявність постійного рівня логічного нуля або логічної одиниці на входах і виході несправного логічного елементу.

2. Несправності типу "коротке замикання" з'являються при короткому замиканні входів і виходів логічних елементів і підрозділяються на два види: несправності, викликані коротким замиканням входів логічного елементу та несправності типу зворотного зв'язку.

3. Інверсні несправності описують фізичні дефекти цифрових схем, що призводять до появи фіктивного інвертора по входу або виходу логічного елементу, що входить в цю схему.

4. Несправності типу "переплутування" полягають в переплутуванні зв'язків цифрової схеми і викликаються помилками, що виникають при проектуванні і виробництві цифрових схем, які змінюють функції, що виконуються схемою.

У сучасній електронній техніці діагностичні процедури стали дуже складними. Особливо справедливо це по відношенню до систем на основі мікропроцесорів.

Які ж основні особливості пристрою і роботи мікропроцесорної системи МПС, що впливають на організацію її контролю і діагности, що визначають специфіку потрібної для тестування апаратури. Можна відмітити шість таких особливостей:

• У мікропроцесорних системах циркулюють потоки цифрових даних, що є різноманітними комбінаціями бітів, словами різної довжини, поява яких як правило аперіодично. До того ж тривалість цифрових сигналів може змінюватись в широких межах.

• Висока складність ВІС. Мікропроцесори - це пристрої із складною внутрішньою структурою і численними внутрішніми шляхами передачі інформації, даних. Процедура, послідовність передачі інформації усередині мікропроцесора визначається програмою. Її успішне виконання залежить від тимчасових співвідношень для різних вхідних і вихідних сигналів.

• Мале число контрольних точок схем. Більшість вузлів структури ВІС фізично недоступно для безпосереднього контролю і дії. Доступ до внутрішніх елементів ВІС можливий тільки програмними засобами, причому для доступу до необхідної точки схеми необхідно часто подавати досить складну послідовність сигналів і синхронно аналізувати довгу послідовність станів в точках, доступних для контролю.

• Нероздільність апаратури і програмного забезпечення. Трудність опису схем, обумовлена принциповою відмінністю мікропроцесорної системи від багатофункціональних приладів, побудованих за схемами з жорсткою логікою. Якщо у останніх зміна виконуваної функції здійснюється апаратурним шляхом, тобто відповідною зміною схеми, то в мікропроцесорних системах для переходу від однієї функції до іншої міняють програму, поміщену в ПЗП, а робота цих систем прихована в алгоритмі програми.

• Висока швидкість процесів, що протікають в пристроях з мікропроцесорами; елементарні сигнали існують в продовж дуже малого інтервалу часу (часто - долі мікросекунди) і кодові комбінації, як правило, не повторюються, у всякому випадку регулярно.

• Шинна організація. Наявність двонаправлених шин по яких цифрові сигнали передаються в обох напрямах, утрудняє інтерпретацію даних і адрес. Значні ускладнення при відшукуванні несправностей створює паралельна структура шин, до яких підключено відразу декілька пристроїв.

• Велике число елементарних операцій, за якими повинні стежити контрольно-випробувальні пристрої. Так, наприклад, у вимірювальних приладах з мікропроцесорним управлінням число кроків процесорних програм може досягати декількох тисяч.

• Необхідність одночасного контролю стану шин. Зазвичай в МПС є декілька десятків ліній, об'єднаних в групи за функціональною ознакою

(шини даних, адреси, управління, стану та ін.). При тестуванні МПС

засобами програмного управління необхідно відстежувати стан шин протягом досить тривалого проміжку часу і/або фіксувати одноразові події на шинах (наприклад, поява на шині певного коду або певної послідовності кодів).

Проте, можна виділити особливості МПС, що дозволяють спростити процедуру тестування, особливо на етапі експлуатації.

• Здатність до самоконтролю. Як тільки налагоджена тактова система МПС і почав працювати контур програмного (мікропрограмного) управління, з'являється можливість використання процесора налагоджуваної МПС для збору і обробки інформації про стан елементів МПС. Використання для тестування внутрішніх ресурсів МПС різко зменшує об'єм інформації, яку вимагається фіксувати зовнішньою контрольною апаратурою.

• Стандартна форма сигналів. У більшій частині, а іноді і в усій МПС діють стандартні цифрові сигнали, які вимагається ідентифікувати лише на приналежність до "0" або "1". Удаватися до вимірів аналогових величин - тривалості фронтів, амплітуд і тому подібне доводиться лише при наладці аналогових елементів схеми.

Особливості структури і роботи цифрових систем обумовлюють складність їх тестування та не дозволяють відшукувати несправності, спираючись тільки на широко відомі (традиційні) вимірювальні прилади: осцилографи, аналізатори спектру, електронні вольтметри, звичайні тестери і т. д.

Використання традиційних приладів і методів контролю може не дати відчутних результатів навіть при багатогодинній процедурі випробування. Тому розширення сфери застосування мікропроцесорів, побудова різноманітних мікропроцесорних систем викликали необхідність розробки принципово нових, ефективних методів контролю і діагностики цих систем.