Обзор возможностей диагностирования логических элементов комбинационных логических схем

Коржев Виталий Сергеевич,

аспирант Пермского национально-исследовательского политехнического университета, инженер учебной лаборатории автоматизированных систем управления Пермского военного института внутренних войск МВД РФ.

Диагностирование является необходимым условием для обеспечения достоверности функционирования технических систем. Колоссальную важность оно и имеет в проверке исправности, работоспособности и правильности функционирования в комбинационно-логических схемах.

Методы диагностирования объектов разрабатывают для непрерывных и дискретных систем. Для нас большую актуальность имеют методы диагностирования дискретных систем, попробуем разобраться в их значительном многообразии [1].

Существует два вида диагностирования: тестовое диагностирование и функциональное диагностирование.

При тестовом диагностировании (Рис 1) на вход объекта диагностирования поступают значения уже с заранее определёнными параметрами x₁, x₂ … x_n от средства диагностирования, а уже затем по полученным выходным функциям y₁, y₂ … y_n делаются выводы об исправности объекта z₁, z₂ … z_n.

Рис. 1. Тестовое диагностирование.

Осуществление тестового диагностирования сводится к реализации методов построения тестов, основными из которых являются: метод таблицы функций неисправности, метод существенных путей, D-алгоритм, метод эквивалентной нормальной формы, булево дифференцирование, метод на основе метрических свойств схемы [2] и др.

При функциональном диагностировании (Рис 2) на объект и средство диагностирования поступают рабочие воздействия x₁, x₂ … x_n, по результатам которых y₁, y₂ … y_n определяется правильность функционирования объекта z₁, z₂ … z_n.

Рис. 2. Функциональное диагностирование.

Организация функционального диагностирования (Рис 3) сводится к построению дополнительного блока и компаратора и реализуется следующими методами: метод дублирования, метод паритета, контроль по коду с постоянным весом, контроль по коду с суммированием [3], метод логического дополнения [4], контроль на основе свойств самодвойственной функции [5], контроль на основе кода Хеминга [6] и др.

Рис. 3. Организация фундаментального диагностирования.

Изучением данных методов технической диагностики углубленно занимались Гессель М., Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Ефанов Д.В., Блюдов А.А., Латыпов Р.Х. и др.

Для реализации технической диагностики комбинационно-логических схем было запатентовано ряд способов и устройств. Одним из таких изобретений является устройство Спиндлера З.В. для контроля на функционирование логических комбинационных схем, основанное на сравнении выходных результатов с эталонными значениями и определением частотной границы функционирования [7]. Известно также американское устройство, позволяющие только сравнивать выходные значения с эталонными [8].

Одним из значимых является изобретенное в 1973 году Бубновым А.И., Грыжак В.Н., Болдыревым А.И. и Кос О.И. устройство для контроля схем цифровых вычислительных машин [9]. Работа этого устройства основана на использовании традиционных способов контроля функционирования и измерения электрических параметров путем формирования программой последовательностей стимулирующих воздействий и анализа каждого отклика на каждом выходе контролируемого логического элемента. Однако такой подход к решению проблемы контроля логических элементов требует использование запоминающих устройств большой емкости для хранения программ стимуляции и реакций выходов или размещения этих данных на бумажных носителях, что делает эти устройства ненадежными, дорогостоящими и плохо приспосабливаемые для контроля новых логических элементов. С целью устранить эти недостатки в 1981 году Новиком Г.Х., Сташиным В.В., Мазуром Е.И. и Шибиром Ю.Г. было предложено устройство для функционально-параметрического контроля логических элементов, содержащий сигнатурный анализатор [10], ранее запатентованный в США [11], но с повышенной достоверностью результатов контроля и увеличенным быстродействием устройства. Сигнатурный анализ разработан на основе двух способов контроля; первым является способ проверки логических узлов в цифровой системе, называемой счетом переходов, а вторым – способ контроля ошибок, называемый циклическим избыточным контролем. Сигнатурный анализ как бы моделирует первый способ, но действует аналогично второму способу. Недостатком данного устройства является низкое быстродействие, обусловленное тем, что в нем не ограничивается число циклов контроля и, кроме того, следующий цикл контроля начинается через время, равное длительности цикла, после окончания предыдущего цикла контроля. Поэтому в 1983 году Рубиновым А.Л., Шапиро И.Б., Пашковским Г.Ю., Смирновым Г.Н было предложено устройство с большим быстродействием [12]. В 1986 году Дорохиным В.К., Дюковым И.И. и Магдиевым Р.Р. было запатентовано устройство для контроля логических блоков, также основанное на методе сигнатурного анализа, но с расширенными функциональными возможностями и увеличенным быстродействием [13]. Позднее Смирновым А.П. и Прокофьевым М.Н. была предложена модель сигнатурного анализатора с расширенной областью применения за счет обработки дискретной информации с числом уровней более трех [14]. На сегодняшний день запатентовано большое количество устройств, основанных на сигнатурном анализе, но и среди них выделяются такие изобретения как сигнатурный анализатор с обнаружением источника сбоя Дианова В.Н. [15], сигнатурный анализатор с блоком распознавания Бажина Д.А. [16], многоканальный сигнатурный анализатор Илюшина В.Д. [17], параллельный сигнатурный анализатор Новика Г.К., многоканальный сигнатурный анализатор Дьяченко О.Н. [18], устройство для контроля цифровых объектов Канцлера В.О. [19] и др.

Широкую известность получил такой способ технической диагностики как способ диагностического неразрушающего контроля программируемых логических интегральных схем иностранного производства, запатентованный в 2009 году Сашовым А.А. и Красновым М.И.[20]. Данное изобретение обеспечивает возможность определения надежности ПЛИС ИП, которая оценивается по изменению в потреблении тока при переключении из одного стационарного состояния в другое. Практическую значимость также имеют патенты испанского ученого Стивена Рассела диагностические процедуры [21] и американского ученого Р. Гленна Фицджералда диагностика интегральных микросхем [22].

Наряду с представленными выше устройствами можно выделить и еще несколько значимых патентов: Устройство для контроля логических блоков Лотыпова Р.Х. [23], тестер для контроля цифровых блоков Баранова В.Г. [24], устройство для контроля логических блоков Бучнева А.Н.[25], устройство для контроля логических схем Особова М.И. [26].

Таким образом, существующие методы диагностирования логических элементов позволяют получить выигрыш в достоверности функционирования комбинационной логической схемы, но это в свою очередь ведет к проигрышу в надежности и увеличению сложности схемы, поэтому стоит применять более совершенные методы диагностирования. Обнадеживает лишь тот факт, что количество изобретений, основанных на методах технической диагностики логических элементов комбинационных логических схем, с каждым годом неуклонно растет и появление все более совершенных методов остается лишь делом времени.

Литература

1.                  Авдуевский В.С. Надёжность и эффективность в технике. Том 01. Методология. Организация. Терминология – 1986 г.

2.                  Латыпов Р.Х. Тестовое диагностирование на основе метрических свойств схем // Автоматика и телемеханика, № 5 – 1991 г.

3.                  Мехов В.Б., Сапожников В.В., Сапожников Вл.В. Контроль комбинационных схем на основе модифицированных кодов с суммированием // Автоматика и телемеханика, № 8 – 2008 г.

4.                  Гессель М., Морозов А.В., Сапожников В.В., Сапожников Вл.В. Контроль комбинационных схем методом логического дополнения // Автоматика и телемеханика, № 8 – 2005 г.

5.                  Гессель М., Сапожников В.В., Сапожников Вл.В. Обнаружение неисправностей в комбинационных схемах с помощью самодвойственного контроля // Автоматика и телемеханика, № 7 – 2000 г.

6.                  Ефанов Д.В., Блюдов А.А. Коды Хэмминга и их обнаруживающие способности в схемах функционального контроля // Надежность и техническая диагностика, №2 – 2012 г

7.                  Спиндлер З.В Патент № 729513 Устройство для контроля на функционирование логических комбинационных схем – 1977 г.

8.                  Патент США № 3657527, кл. 235-153 – 1972 г.

9.                  Бубнов А.И., Грыжак В.Н., БолдыревА.И. и Кос О.И. Устройство для контроля схем цифровых вычислительных машин – 1971 г.

10.              Новик Г.Х., Сташин В.В., Мазур Е.И. и Шибир Ю.Г. Устройство для функционально-параметрического контроля логических элементов – 1981 г.

11.              Патент США № 3883801, кл 324 – 73 – 1975 г.

12.              Рубинов А.Л. Шапиро И.Б., Пашковский Г.Ю., Смирнов Г.Н. Патент № 1157544 Устройство для функционально-параметрического контроля логических элементов – 1983 г.

13.              Дорохин В.К., Дюков И.И. и Магдиев Р.Р. Патент № 1453409 Устройство для контроля логических блоков – 1986 г.

14.              Смирнов А.П. Прокофьев М.Н. Патент № 1280635 Сигнатурный анализатор – 1985 г.

15.              Дианов В.Н. Патент № 00085673 Сигнатурный анализатор с обнаружением источника сбоя – 2009 г.

16.              Бажин Д.А. Патент № 00028263 Сигнатурный анализатор с блоком распознавания – 2003 г.

17.              Илюшин В.Д. Патент № 00026146 Многоканальный сигнатурный анализатор – 2002 г.

18.              Новика Г.К. Патент № 02001429 Параллельный сигнатурный анализатор – 1993 г.

19.              Канцлер В.О Патент № 01805471 Устройство для контроля цифровых объектов – 1993 г.

20.              Сашов А.А. Краснов М.И. Патент № 2397504 Способ диагностического неразрушающего контроля программируемых логических интегральных схем иностранного производства – 2010 г.

21.              Патент Испании EP 0574253 A2 – 1993 г.

22.              Патент США US 6061507 A – 2000 г.

23.              Латыпов Р.Х., Нурутдинов Ш.Р., Столов Е.Л. Патент № 1695304 Устройство для контроля логических блоков – 1991 г.

24.              Баранов В.Г., Уваров П.И., Краснов Н.В. Тестер для контроля цифровых блоков – 1990 г.

25.              Бучнев А.Н., Карпунин Е.И. Патент №1226471 Устройство для контроля логических блоков – 1986 г.

26.              Особов М.И. Патент № 1383236 Устройство для контроля логических схем – 1988 г.

Поступила в редакцию 07.10.2013 г.