Вопросы и задания

1. Поясните суть статического анализа программ. Как составляется граф задач?

2. Поясните метод тестирования программы. Какие виды тестирования используются при отладке программного обеспечения?

3. Поясните схему тестирования МПСУ в пошаговом режиме.

4. Поясните алгоритм тестирования МПСУ в пошаговом режиме.

5. Что такое – диагностическая информация? Приведите примеры диагностической информации.

6. Поясните схему и принцип действия системы контроля зависаний программы.

7. Поясните схему и принцип действия системы контроля зацикливаний программы.

3.3. Методы обеспечения помехоустойчивости мпсу

Помехами для МПСУ являются внешние или внутренние воздействия, приводящие к искажению дискретной информации во время ее передачи, обработки и хранения. Работоспособность МПСУ во многом зависит от ее помехоустойчивости. Сбой даже в одном бите кода операции команды ведет к отказу МПСУ. Так, например, коды операций С3Н=1100.0011 и D3Н=1101.0011 двух команд микропроцессора КР580ВМ80, соответственно, JMP и OUT отличаются только одним 4-м битом, а результаты их исполнения различны. Коды операций 20Н=0010.0000 и 24Н=0010.0100 двух команд микроконтроллера К1816ВЕ51, соответственно, JB bit, rel и ADD A, #d также отличаются только одним 2-м битом, а результаты их выполнения различаются существенно.

По характеру воздействия на МПСУ помехи проявляются как задержки передачи импульсов, искажения формы импульсов, в том числе – фронтов, искажения амплитуды импульсов, постоянные смещения уровней напряжения питания, динамические нестабильности напряжения питания.

П о источнику создания помехи подразделяются на внешние и внутренние. Внешние помехи проявляются как наводки от сторонних электропотребителей, таких как преобразовательные устройства, электродвигатели, устройства электроавтоматики, сварочные аппараты, электрический транспорт, радиоаппаратура, удары молнии и т.п. Проявление внутренних помех связано с существованием линий связи на платах схем МПСУ.

По месту проявления помехи подразделяются на помехи в сигнальных линиях связи и в цепях питания. Помехи в сигнальных линиях связи подразделяются на помехи в электрически коротких и электрически длинных линиях связи.

Проявлением внутренних помех в электрически коротких линиях связи являются искажения фронтов импульсов из-за емкости С_М монтажа и индуктивности L_Л линий связи (рис.3.10), а также из-за наводок в соседних проводниках, вызванных емкостной C_CB и индуктивной M_CB связями между ними (рис.3.11). Естественно реально искажения происходят одновременно из-за С_М, L_Л, С_СВ и М_СВ, но, как правило, с явным преобладанием одной из причин искажений.

Искажения импульсов и наводки через емкости С_М и С_СВ характерны для схем МПСУ, содержащих элементы КМОП-типа, для которых малы токи в подсоединенных линиях связи, а через индуктивность L_Л и индуктивную связь М_СВ – для ТТЛ-типа, для которых токи в подсоединенных линиях связи велики и создают вокруг них сильные магнитные поля.

На рис.3.11 источник 1 передает сигнал для приемника 1, но из-за емкостной и индуктивной связей в соседней пассивной линии, связывающей источник 2 с приемником 2, также наводится сигнал-помеха. Одновременно пассивная линия искажает сигнал в активной линии, дополнительно нагружая ее.

У меньшить искажения в схемах, приведенных на рис.3.10, можно как понижением выходного сопротивления R_ВЫХ источника, например, включением шинных формирователей, так и повышением входного сопротивления R_ВХ приемника, например, применением микросхем с малыми входными токами. Нужно также максимально удалять проводники схемы от проводников цепей питания и земли, а шины питания и земли выполнять навесными проводниками.

Для уменьшения искажений в схеме, приведенной на рис.3.11 путем ослабления емкостной и индуктивной связи нужно:

- применять двухсторонние печатные платы;

- проводники на различных сторонах печатной платы располагать во взаимно перпендикулярных направлениях;

- уменьшать длину рядом расположенных проводников;

- увеличивать расстояние между проводниками, уложенными на одной стороне платы;

- между параллельными проводниками вводить земляные проводники или проводники питания.

В случае применения коротких плоских кабелей (шлейфов) чередовать сигнальные проводники с заземленными проводниками.

Проявлением внутренних помех в электрически длинных линиях связи являются задержки передачи сигналов, искажения формы передаваемых сигналов из-за отражений на неоднородностях линии связи, взаимные наводки между линиями связи, затухания сигналов.

П ри длине линий связи более 1 м искажения фронтов импульса отсутствуют при условии двухстороннего согласования линии связи с источником сигнала и приемником, когда R=ρ (рис.3.12), иначе происходят искажения сигнала из-за многократных отражений от концов линии. При длине линий связи от 1 м до 3 м можно применять витую пару, причем достаточно согласования хотя бы с одной стороной линии, например, с источником сигнала (R_ВЫХ=ρ), а лучше иметь двухстороннее согласование (R_ВЫХ=R_ВХ=ρ). При длине линии связи более 3 м применяется коаксиальный кабель только с двухсторонним согласованием.

Подключение к источнику нескольких приемников выполняется по следующим правилам:

- к выходу одного источника подключаются непосредственно не более трех витых пар суммарной длиной не более 2 м;

- приемников, подключенных через коаксиальный кабель, может быть больше трех с превышением суммарной длины линий величины 2 м, но при этом лучше не создавать больших неоднородностей вообще, а на дальнем конце в особенности (рис.3.13).

Длинные линии связи соединяются с платами через разъемы. Подключения к разъему извне должно выполняться витыми парами или через плоский кабель. Земляные провода витой пары должны подключаться к отдельным контактам разъема, причем земляные и сигнальные контакты разъема должны чередоваться. При недостатке контактов разъема допускается объединять пайкой земляные проводники, причем число таких контактов должно быть не менее трех и они должны максимально отстоять друг от друга. В плоских кабелях нужно чередовать земляные и сигнальные жилы, а при недостатке жил число земляных жил не должно быть менее трех и они должны быть максимально разнесены.

К проявлениям помех в цепях питания относят:

- постоянные смещения уровня шины "земля", обусловленные активными сопротивлениями R_Ш шины "земля";

- импульсы напряжения, выделяемые на индуктивностях L_Ш шин питания и земли (рис.3.14) и токами перезаряда емкостей линий связи;

- колебания напряжения сети, вызванные работой мощных потребителей.

Н а рис.3.14 обозначено: i – токи, потребляемые ИМС, Δu – падения напряжения на участках земляной шины. Учитывая импульсный характер токов i, главной составляющей в Δu является падение напряжения на индуктивностях L_Ш.

Д ля подавления помех от питающей сети следует подключать устройство МПСУ к отдельному щиту, максимально отстоящему по электрической сети от силовых щитов, к которым подключены мощные потребители и средства преобразовательной техники. Последние являются мощными источниками помех. Подключение потребителей к магистрали питания должно быть выполнено с учетом их мощности или потребляемых токов (рис.3.15).

В блоках питания устройств МПСУ следует устанавливать до трансформатора питания сетевые фильтры, а после него стабилизаторы напряжения. Для ослабления помех, передаваемых через трансформатор, его первичную и вторичную обмотку (или вторичные обмотки) следует размещать на отдельных стержнях магнитопровода трансформатора или при расположении их на одном стержне между ними размещать экран, выполненный в виде одного незамкнутого витка из листа фольги, причем экран должен быть заземлен.

К проявлениям внешних помех относят наводки э.д.с. в элементах устройства МПСУ внешними магнитными и электрическими полями. Эффективной защитой от переменных магнитных полей являются витые пары проводников (рис.3.16). Переменное магнитное поле с индукцией В пересекает секции витой пары. При одинаковых площадях секций пронизывающие их магнитные потоки индуктируют в противолежащих сторонах секций витой пары одинаковые по величине э.д.с. е₁₁, е₁₂, е₂₁ и е₂₂ с направлением, указанным на рис.3.16. В проводниках витой пары э.д.с. е₁₁ и е₂₂, а также е₁₂ и е₂₁ взаимно компенсируют друг друга. Поэтому в целом магнитное поле В не индуктирует в витой паре э.д.с.

Эффективной защитой от переменных электрических полей является экранирование проводников, причем экран должен быть заземлен хотя бы в одной точке. Если экран немагнитный, но заземлен в двух крайних и в любом числе промежуточных точек, то он защищает также от магнитных полей. Магнитный экран защищает от внешнего магнитного поля независимо от количества заземляющих точек. Прокладка внутри экрана витой пары обеспечивает защиту от магнитных полей при любом его заземлении.

Если устройства МПСУ разнесены на десятки-сотни метров, трудно рассчитывать на то, что земли у отдельных устройств будут иметь одинаковый потенциал. Линии связи большой длины имеют большое сопротивление R, большую индуктивность L, поэтому, в них даже при малом токе i и малой скорости изменения тока может выделиться большое напряжение, определяемое как

(3.1)

В этом случае защита обеспечивается гальванической развязкой между отдельными устройствами применением импульсных трансформаторов, оптронов, волоконно-оптических кабелей. При трансформаторной и оптронной передаче сигналов линия связи заземляется только с одной стороны и этим исключается появление разности потенциалов между взаимодействующими устройствами. Трансформатор может применяться в случаях невысоких требований к скорости передачи импульсов и допустимости искажений фронтов импульсов. Оптронные передачи в сравнении с трансформаторными передачами являются быстродействующими и практически не искажающими форму передаваемых импульсов.