автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Исследование моделей функционирования и разработка аппаратно-программного обеспечения системы измерения параметров мощных транзисторов

О А

- , Д На правах рукописи

/

КУПЧИНСКИЙ ВЛАДИМИР ИГОРЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

05.13.16- "Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях"

АВТОРЕФЕРАТ

д иссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 1996

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете.

Научный руководитель- кандидат технических наук,

профессор КГТУ Е.Л.Вейсов Е.Л.

Официальные оппоненты: д. т. н., профессор В.И.Иванчура

к.ф.-м.п., доцент Сорокин A.B.

Ведущая организация: Институт Физики СО РАН

Защита состоится " " фг^^^ил- ¡996 г. в _ часов на

заседании Специализированного совета К 064.54.01 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан " Ji^afui- 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Я

п

Н.Г. Кузьменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопросам контроля качества изделий в электронной промышленности традиционно уделяется серьезное внимание. В течении последних десятилетий на предприятиях - производителях электронных приборов объективно сложился приоритет технологий производства полупроводниковых ириборов над технологиями контроля их качества.

Распространенные в настоящее время средства выходного контроля качества дискретных приборов, в частности, биполярных транзисторов, характеризуются моральным устареванием (разработаны 10-15 лет назад). Как отечественные, так и зарубежные измерительные системы в этой отрасли отличаются жесткой привязкой к специализированным аппаратным средствам и соответстствующему программному обеспечению. Существующие системы контроля качества полупроводниковых приборов характеризуются весьма ограниченным перечнем измеряемых параметров и характеристик, а также имеют ограниченные диапазоны измерений, не соответствующие современным требованиям.

Перечисленные факторы определяют актуальность разработки, изготовления и внедрения в технологический процесс производства дискретных приборов информационно-измерительных систем (ИИС), использующих современные универсальные программно-аппаратные платформы, для управления процессами измерения парамсгров, распределения приборов по группам качества, накопления и статистической обработки результатов испытаний.

Цель работы - исследование и разработка системы измерения параметров и характеристик дискретного полупроводникового прибора на примере мощного биполярного транзистора.

Поставленная цель предполагает решение следующих задач диссертационной работы:

- определение предметной области и постановка задач исследования и разработки ИИС для исследования мощных биполярных транзисторов (МТ),

- построение моделей процессов измерения и функционирования системы как целого;

- анализ и проектирование ИИС для контроля качества МТ,

- „разработка и апробация программных и аппаратных средств экспериментального варианта исследуемой ИИС.

Методика исследования - комплексная, сочетающая анализ публикаций, теоретических исследований с привлечением методов теории агрегатов, теории автоматов и теории проектирования информационно-управляющих систем.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

- построена инфологическая модель процесса измерения параметров и характеристик мощного биполярного транзистора,

- предложена математическая модель (методика описания) .процесса измерений в ИИС, базирующаяся на теории агрегатных систем и методе управляющих последовательностей,

на основе теоретико-автоматного подхода разработана алгоритмическая модель процесса измерений и указаны условия ее применимости,

разработана методика проектирования ИИС дискретных полупроводниковых приборов.

Практическая ценность работы заключается в разработке и внедрении экспериментального варианта исследованной информационно -измерительной системы на производстве (АОЗТ "Элиз" и завод "Электронприбор"). Основные практические результаты заключаются в следующем:

- на основе международных стандартов разработан профессионально ориентированный интерфейс пользователя ИИС,

- созданы библиотеки прикладных программ, реализующие системные функции исследованной ИИС, а также соответствующие базы данных,

- проведена апробация экспериментального варианта ИИС путем измерения комплекса электрических параметров мощных биполярных транзисторов типов КТ846, КТ872, КТ8114 и др.,

- разработана библиотека прикладных программ обработки результатов измерений, которая, совместно с базами данных ИИС, является основой для экспертного анализа качества приборов и технологии их изготовления.

Реализация результатов работы.

Результаты теоретических исследований были использованы при разработке архитектуры, математического и программного обеспечения опытного образца ИИС мощных транзисторов для предприятий электронной промышленности.

Разработанный опытный образец ИИС внедрен в производство мощных биполярных транзисторов на заводе "Электронприбор" (г. Фрязино Моск. обл.) на этапе контроля готовой продукции.

Апробация работы.

Основные научные результаты обсуждались на:

семинарах в Красноярском государственном техническом университете и заводе "Электронприбор"( г. Фрязино Моск. обл),

- международной конференции "Проблемы функционирования информационных сетей" (Новосибирск, апрель 1991 г.),

- научно-технической конференции "Проблемы техники и технологии XXI века"(Красноярск, март 1994 г.),

- конференции с международным участием "Интеграция науки и производства в новых социально-экономических условиях" (Абакан, май 1994 г.),

- научно-практических конференциях "Проблемы информатизации города" (Красноярск, апрель 1995 г. и ноябрь 1995 г.),

- международной конференции "Математическое моделирование в электронике" (Львов, сентябрь 1995 г.).

Публикации. По результатам исследования опубликовано 7 работ.

Структура и объем дисертацин.

Диссертация - состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложенных на 142 страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков, 3 таблицы. Список литературы содержит 123 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, формулируется постановка задачи и основные научные результаты, полученные в диссертации, обосновывается структура работы.

В- первой главе проведен анализ публикаций по тематике диссертационной работы, который позволяет выделить несколько общих принципов и тенденций, доминирующих в теории проектирования систем неразрушагощего контроля и диагностики в электронной промышленности:

- слияние этапов разработки и производства изделий электронной промышленности, получившее название вертикальной интеграции в электронике,

- увеличение удельного веса услуг, поставляемых фирмой заказчику при поставке электронной продукции,

- слияние измерительной и контрольно-диагностической техники в связи с расширением масштабов внедрения вычислительных средств и применением принципов модульного построения,

- рост числа величин, измеряемых в одном технологическом цикле (на одной измерительной установке),

- появление ряда новых функций измерительных систем: обработка результатов измерений, слежение за ходом технологического процесса, управление и коррекция технологического процесса,

- .унификация аппаратных средств и выработки отраслевых, государственных и международных стандартов.

В разд. 1.2 рассматриваются существующие варианты архитектур ИИС, а также наметившиеся тенденции унификации и стандартизации их аппаратных и програмных средств. Сложившаяся в течение 70-80 годов концепция основана на двух противоположных подходах к построению ИИС: как специализированных систем и как универсальных систем.

Более современная концепция, разработанная в 80-90 годы, реализует подход к построению ИИС как распределенных магистрально-модульных систем с испытательными станциями и многоуровневым управлением, обеспечивающим гибкость аппаратных и программно-математических средств. Этот подход основан на совокупности принципов проектирования, обеспечивающих конструкционную, информационную, программную и энергетическую совместимости системных модулей. Согласно принципу декомпозиции процесса измерений, ИИС разделяется

на функциональные модули, что приводит к возникновению цепочечных структур движения измерительной информации с иерархически организованными системами управления этими структурами. Задача функционального разбиения в этой концепции является центральной задачей проектирования ИИС.

Модульное построение измерительных и испытательных приборов обеспечивает расширение их функций и медленное моральное старение. Большинство ведущих приборостроительных фирм Европы и Америки приняли эту концепцию и реализуют ее в процессе разработки контрольно-измерительного и испытательного оборудования.

Разд 1.3 посвящен анализу специализированных программных пакетов ИИ С, методологии разработки программных средств для ИИС, а также опыта построения систем искусственного интеллекта в технологии контроля качества полупроводниковых приборов. Большинство современных работ по теории программного обеспечения автоматизированных систем используют объектно-ориентированный подход. Применение методов объектно-ориентированного программирования измерительных систем позволяет исключить необходимость перепрограммирования процессов измерения и управления внутри самой системы при реализации решений вновь возникающих измерительных задач.

Следующим шагом в развитии подобных измерительных систем является разработка программного обеспечения, ориентированного на легкое и "дружественное" использование системы в целом, что позволяет трансформировать компьютеризованные системы сбора и обработки данных в системы, получившие название персональных инструментов - ПИ (PI, personal instrument).

Определяющей тенденцией в создании систем управления качеством производства электронной аппаратуры является ориентация на экспертный анализ результатов испытаний с целью оперативной коррекции технологического процесса и принятия решений о корректировке его параметров. В ряде разработанных за рубежом систем корректирующие воздействия вводятся в технологический процесс автоматически (это характерно, в основном, для процессов изготовления полупроводниковых подложек).

Разд. 1.4 посвящен анализу состояния задачи автоматизации контроля параметров мощных биполярных транзисторов, а также анализу состояния научных и инженерных разработок в этой области.

По результатам анализа публикаций представляется существенной тенденция модификации традиционных и разработки новых методик измерения отдельных функциональных параметров биполярных и полевых транзисторов. Примечательно, что уровни и, соответственно, направления развития отечественных и зарубежных технологий контроля в электронном производстве существенно отличаются. Зарубежные средства контроля ориентированы преимущественно на ранние стадии технологического

процесса и контролируют, как правило, геометрические и электрофизические параметры полупроводниковых структур.

Большинство отечественных предприятий уступают в уровне развития технологий производства полупроводниковых приборов; вследствие этого' технологии контроля ориентированы, главным образом, на заключительные стадии производства. Среди контрольно-диагностического оборудования доминируют средства измерения и контроля функциональных параметров.

В целом, отечественные исследования по вопросам диагностики и безотказной работы полупроводниковых и микроэлекгронных приборов, ориентированы, главным образом, на исследование, а не на поточный контроль приборов. По этой причине в них отсутствуют функции накопления, хранения и статистической обработки информации.

По результатам обзора, проведенного в главе 1, сформирован следующий ряд критериев эффективности измерительных систем дискретных приборов:

- полнота комплекса измеряемых параметров;

- возможность создания гибких "цепочечных" тестовых структур;

- диапазон режимов измерений параметров;

- наличие управляющей ЭВМ;

- наличие средств хранения и обработки результатов измерений;

- наличие дружественного интерфейса пользователя;

- возможность гибкого проектирования тестов;

- фактор надежности.

В диссертации проведена классификация современных ИИС мощных транзисторов с точки зрения соответствия выделенным критериям и показано, что к настоящему моменту в исследуемой области отсутствуют ИИС, удовлетворяющие одновременно всем перечисленным критериям.

Таким образом, разработка информационно-измерительной системы параметров и характеристик мощных транзисторов должна включать в себя следующие задачи, которые решаются в диссертационной работе:

- определение комплекса измеряемых параметров;

- построение моделей процесса измерения,

- идентификация и декомпозиция функций системы,

- проектирование аппаратных и программных средств ИИС,

- создание экспериментального образца системы,

- проверка соответствия выделенным критериям.

Во второй главе создан последовательный ряд моделей процесса измерений.

Инфологическая модель процесса измерений характеристик МТ задается следующими параметрами: множеством имен элементов данных

с1к. множеством функциональных отношений Ф;(с1{,¿/2...с!п,¿>) (т.е., множеством характеристик прибора), множеством алгоритмов Aj, множеством наборов данных N = 1Ы\]ТМР\]011Т, где т, тмр,

OUT - совокупности входных, промежуточных и выходных данных соответственно.

Задача выбора комплекса (множества) измеряемых электрических параметров МТ формулируется следующим образом: определить перечень параметров, методов и условий их измерения, необходимый и достаточный для характеристики всех возможных режимов эксплуатации прибора. С точки зрения инфологической модели, это будет означать идентификацию множества имен элементов данных.

Наглядное представление о системе статических параметров мощных транзисторов дает семейство выходных статических характеристик (рис.1). Для оценки свойств транзистора производятся измерения по комплексу электрических параметров в каждой из рабочих областей (области I,II,HI и IV рис.1).

Рис. 1. Выходные статические характеристики и рабочие области МТ.

Задача построения системы статических параметров состоит в том, чтобы для максимально полной характеристики транзистора в каждой из перечисленных областей использовать минимальное количество параметров.

Активная область I режимов транзистора характеризуется, в принципе, единственным параметром - статическим коэффициентом передачи тока, ¡\хэ. Для характеристики области отсечки II (рис.1) используют несколько параметров: 1кбо - обратный ток коллекторного перехода при оборванном эмиттере, 1кэо, 1кэг, 1кэк, 1кэх - обратный ток в цепи коллектор-эмиттер при коротком замыкании в цепи база-эмиттер,

при включении в цепь база-эмиттер сопротивления R и при включении между базой и эмиттером небольшого запирающего напряжения, 1эбо -обратный ток эмиттерного перехода при отключенном коллекторе. Для характеристики области насыщения III используются статические параметры l/ю нас и Шэ пас.

Для характеристики области пробоя IV в перечень технических характеристик транзистора включают статический параметр Ь'кэо гр, который определяется как напряжение между эмиттером и коллектором при заданном токе коллектора и отключенной базе (1к = /э). Кроме этого, имеются варианты измерения .граничного напряжения, когда в цепь базы включаются либо резистор, либо небольшое запирающее напряжение (17кэг гр и l/кэх гр соответственно). При исследованиях транзисторов в области пробоя используются также параметры Ukoo прб и ihoo прб - пробивные напряжения коллекторного и эмиттерного переходов.

Помимо рассмотренных статических параметров, характеризующих поведение транзистора в основных режимах, для контроля качества и исследований транзистора используются импульсные параметры, условно разделяемые на две группы - временные и энергетические.

Энергетические (теплофнзические) параметры включают тепловое сопротивление переход-корпус Zmim, характеризующее, по аналогии с электрическим сопротивлением, способность прибора отводить выделяемое в переходе тепло в корпус, а также ток вторичного пробоя 1вп и ток термической нестабильности 1тн, соответствующий появлению "горячих пятен" на кристалле. К энергетическим параметрам относят также предельную импульсную энергию Еит.

Ряд временных параметров, условно обозначаемый t(u), включает измеряемые по единой методике импульсные параметры ¡ком - время коммутации, ¡рас - время рассасывания неосновных носителей, ten -время спада заднего фронта коллекторного импульса. Перечисленные параметры МТ характеризуют все области семейства статических характеристик, приведенных на рис. 1, а также импульсные параметры и область безопасной работы (ОБР) МТ. После того, как зафиксированы (измерены) значения этих базовых параметров, другие характеризующие параметры и параметры эквивалентных схем МТ могут быть выражены через базовые параметры посредством формул и аналитических зависимостей. Таким образом, определено множество электрических параметров транзистора

Р = {1кэг, 1кэо, 1кэх, 1кэк, 1кбо, Uk6 прб,

1эбо, икэ нас, 11бэ нас, 1г21э, 11эб прб, (1) 11кэо, 11юг, Ujox, tpac, Ikom, ten, Еимп, ZmnK, 1тн, 1вп} ,

которое конкретизирует информационную модель биполярного транзистора и определяет декларативную часть модели процесса измерений. Декларативная часть модели дополняется входными и выходными данными, которые определяют режимы измерения каждого из

параметров множества (1). Множество входных переменных обозначается Ш = { 1)1, где 1)1 - установочные, а IV/' - рабочие переменные.

Множество выходных величии обозначается ОПТ — {Ri,NN},гдe - измеряемые величины, а NN - признак группы качества МТ.

Анализ методов измерений показывает, что часть электрических параметров МТ имеет сходную аппаратную реализацию, либо измеряются внутри одного и того же аппаратного цикла. Алгоритм измерения определяется как финитный аппаратный цикл, включающий возможность измерения одного или нескольких электрических параметров из множества Р. Такое определение позволяет считать алгоритмами также и процедуры измерений. Выделяется ряд алгоритмов, представляющих собой комплекты из множества процедур измерения параметров парамегров /Л Е Р, а именно:

1кэ = {1кэг,1кэо,1кэх,1кэк}, 11нас - {1]кэнас,1]бэ нас),

Шэ гр = {11кэо, Шэг, 11кэх), (2)

/ = {(рас, 1ком, 1сп}, 1п - {1тн,1вп} .

Не тождественное множеству Р множество А алгоритмов измерения электрических параметров определяется списком

А = {1кэ,1кбо, икбпрб,1эбо, 1/нас, 1%лэ,

иэбпрб, 11кэ, I, Еимп, 7жпк, 1п } (3)

Множество установочных величин О является объединением множеств установочных величин для отдельных алгоритмов и может быть представлено следующим образом:

где непересекающиеся множества

В1<= {16,1к, 1э, 16 нас, 1к лас, 1к изм, 1к гр, 1/кэ огр, Шб}, 1)2= {1кп, 1эп, 1бп, 11эбп, 11кбп, 11кэп}, 03={шмп, Ш, 1зд, 1нас}, В4= {Ьк, Ябб}.

Множество установочных величин 2)/ определяет список сигналов входных воздействий, /)2 есть множество кодов, используемых для определения группы качества приборов, ИЗ - множество кодов временных интервалов, 04 определяет коды позиций вспомогательных элементов.

Множества имен данных инфологической модели образуют базис для функционально-структурного анализа информационно-измерительной

системы. В частности, каждому элементу множества 1)1 должен

соответствовать программируемый цифро-аналоговый генератор входных воздействий.

Процедурная часть модели процесса измерений рассматривается в разд.2.3 и 2.4. Для формального математического описания процесса измерений ИИС представляется в виде агрегативной системы. В основе этого описания лежит понятие агрегата, с помощью которого моделируются функциональные элементы системы. Агрегатом будем считать абстрактную схему, которая реализует' измерение определенной величины из множества € ОЬ'Т в соответствии с алгоритмом Л1 и включает в себя испытуемый прибор в виде "черного ящика". В каждый момент времени агрегат находится в одном из возможных состояний 2. Состояние агрегата в произвольный момент времени можно представить действительным вектором 2 = (г,,..., Г^). Множество фазовых координат 2Г = тождественно определенному в разд.2.1 множеству

N = /Л1 и ТМР и О (У / , элементами множества /А'' = {х.} являются сигналы входных воздействий Х -, 011Т ~ {ук } есть множество выходных сигналов^,.

Состояния измерительного агрегата 1 (1) в произвольный момент времени > ?й определяются по предыдущим состояниям оператором переходов II:

г(0 = ДТг(0,*]. Н = Нйе1+0, (4)

который описывает алгоритм функционирования. /7,.., есть

детерминированная часть оператора перехода, С - случайная составляющая, описывающая отклики испытуемого прибора на входные воздействия.

Дальнейшая детализация математического описания измерительного агрегата сводится к рассмотрению операторов НйсХ и О и составлению уравнений соответствующих измерительных процедур.

Уравнение измерений величины у , представляющее собой принятый алгоритм, может быть записано в общем виде:

у = К2КЯ1х1, (5)

где оператор К описывает переход от аналоговых значений последовательности фазовых координат к их числовым значениям, т.е., осуществляет квантование фазовой траектории измерительного агрегата, которая преобразуется в последовательность числовых эквивалентов

Д2Г

=

Е

(6)

Знак Е в (6) обозначает целую часть выражения в квадратных скобках, а

AZ - интервал квантования.

Часть измерительных процедур, определенных в инфологической модели, носит итеративный характер. В общем случае для итеративной измерительной npor^vpu уравнение измерений записывается в виде

g{{f:(y)tA¿Goc м->/;м>)=v)

где f} (у) - промежуточный результат, полученный на / -й итерации и используемый для формирования функции g , лежащей в основе используемого правила останова, дст - область значений функции g , попадание в которую приводит к прекращению итераций; Rj, R^, R{ -операторы вспомогательных аналоговых, аналого-цифровых и числовых измерительных преобразований, обеспечивающих формирование ft (j;).

Для измерений с усреднением процедура измерений (5) трансформируется в одно из следующих уравнений:

У = SsRJ(Rlxl vR2KSNRlxi. (8)

Модификации уравнения (8) соответствуют различным формам усреднения - числовой или аналоговой.

Дальнейшее развитие модели процесса измерений предполагает конкретизацию вида операторов перехода, входящих в выражение (4), т.е., построение соответствующих алгоритмических моделей.

В качестве обобщенной модели, на основе которой может быть представлен функциональный модуль информационно-измерительной системы, используется машина состояний. Эта модель сводится к универсальной машине, определенной в теории автоматов как пятерка

М = (IN,OUT,II,g,f) , (9)

где IN- {х,,...,хп} - множество входных сигналов,

OUT = {у,,..., ут - множество выходных сигналов, Н = {Д,..., hk} -

множество состояний автомата с отображениями OUT- f[H,IN],

Н g[H, IN] (автомат Мили). Дискретные переменные в (8) есть

фазовые координаты z(t) абстракного агрегата (4).

Алгоритмические модели строятся на уровне операционных схем, т.е., описываемыми объектами являются операционные устройства, предназначенные для реализации алгоритма процесса измерения конкретного параметра МТ.

Процесс функционирования операционного устройства

детализируется до элементарных операций над словами, содержание которых определяется значением входных и выходных величин. Структурным базисом алгоритмической модели являются, таким

образом, операционные элементы и программные автоматы; функциональным базисом - операции и логические условия.

Введен ряд ограничений, позволяющих абстрагироваться от схемотехнических аспектов решения задачи анализа измерительной системы и пользоваться формализмом автоматных моделей (9) для описания ее функциональных элементов.

Описание алгоритмов работы цифровых устройств осуществляется с помощью алголоподобного языка функционального программирования. Синтаксис применяемого функционального языка описан с использованием металингвистических формул Бокуса-Наура (БНФ).

С помощью средств предложенного языка разработаны функциональные программы для алгоритмов всех измерительных процедур из множества (3). Совместно с математической моделью они составляют формальное описание процедуралыюй части модели процесса измерений в проектируемой ИИС.

В третьей главе исследуется методика проектирования ИИС мощных транзисторов.

Существующие методы синтеза информационно- управляющих систем, подклассом котрых являются ИИС, основаны на интуитивном подходе и носят рекомендательный характер. Это связано с тем, что ИИС относятся к классу больших сложных систем, для которых мало разработаны методы формализации и комплексного решения задачи оптимального проектирования.

Для анализа функций и выявления основных подсистем ИИС использована концепция эволюционного синтеза систем, основанная на выделении и последующую декомпозицию основных и дополнительных функций системы. Построено обобщенное дерево функций системы, а также проведен анализ ИИС по методике "функции - данные - время".

Анализ дерева функций позволяет выделить основные подсистемы ИИС: управляемая подсистема (МТ), подсистема реализации управляющих воздействий, подсистема сбора информации о состоянии МТ, подсистема формирования управляющих воздействий, подсистема анализа и регистрации состояния МТ, подсистема обработки результатов испытаний, подсистема управления, подсистема контроля и автодиагностики .

Важным результатом функциональной декомпозиции проектируемой ИИС является то, что она принципиально не является ни однородной, ни регулярной. Разработанные в рамках функционально-структурного подхода методы проектирования ориентированы на регуляризацию и достижение однородности информационно-управляющих систем. Поэтому степень сложности рассматриваемой ИИС требует дальнейшей проработки ее математической и алгоритмической моделей.

Показано, что задача синтеза ИИС как распределенной информационно-вычислительной системы относится к классу задач нелинейного математического программирования с требованиями неотрицательности, целочисленности, булевскими коэффициентами и ограничениями в виде неравенств. Такая задача является А^Р-полной, что

требует разработки и применения приближенных алгоритмов, обеспечивающих рациональное решение задачи. Поэтому математическую модель ИИС как целого для завершения анализа необходимо дополнить алгоритмической моделью информационных потоков.

С системной точки зрения, динамика функционирования ИИС представляет собой параллельно-последовательное взаимодействие конкурирующих программ в распределенной информационно-вычислительной сети. Для структурирования взаимодействия программ, реализующих системные функции, вводится понятие монитора как набора процедур, которые могут выполняться активными процессами в системе. С каждой из функций ИИС, наряду с входными и выходными данными, связан соответствующий монитор, определяющий типы операций над этими данными. Для анализа информационных потоков в системе

использован метод карг Ыг.

Алгоритмическая модель ИИС как целого представляет собой описание алгоритмов процессов в системе и использует формальный язык, разработанный для описания процесса измерений. Понятие процесса отражает функционирование отдельной подсистемы в динамике и включает, наряду с определенной функцией ИИС, алгоритм ее реализации, монитор специфических процедур, таблицы данных, локализованных в подсистеме, входные и выходные потоки данных.

Обзор, проведенный в первой главе, показывает, что исследуемую ИИС целесообразно изначально проектировать как систему, основанную на знаниях. В связи с этим возникает задача формирования и рациональной организации измерительных знаний. Подходы к формированию измерительных знаний в виде упорядоченных формализованных описаний объектов измерений, условий измерительного процесса и средств измерений к настоящему времени практически не разработаны. В данной работе показано, что при переходе к этапу проектирования и определения структуры аппаратных и программных средств ИИС целесообразен переход от алгоритмической к фреймовой модели представления знаний.

Программное обеспечение ИИС должно проектироваться как легко конфигурируемая, долговременная программная система реального времени, которая может быть легко использована при конструировании различных измерительных процедур. Поэтому для проектирования программных средств ИИС МТ выбирается объектно-ориентированная методология, легко реализуемая в рамках фреймовой модели представления знаний.

Модели процесса измерений и проектируемой ИИС интерпретируются активными объектами, которые взаимодействуют между собой посредством асинхронных сообщений. Объекты моделируются как машины с конечным числом состояний (8). Связь между объектами осуществляется путем передачи сообщений. Таким образом, метаклассами объектов в исследуемой ИИС являются системные мониторы; методы объектов задаются системными функциями разных уровней декомпозиции.

Таким образом, основной принцип объектно-ориентированного подхода к проектированию ИИС МТ - это отражение архитектуры аппаратных средств через архитектуру соответствующего программного обеспечения. Физические объекты - измерительные приборы, контроллеры шины, контролируемый прибор и концептуальный объект - тестовая процедура - представлены связанными с ними программными объектами, которые взаимодействуют друг с другом, приспосабливаясь к связям, которые порождаются аппаратной платформой, и к требованиям тестовой процедуры.

В четвертой главе излагаются основные результаты реализации экспериментального варианта информационно-измерительной системы исследования мощных биполярных транзисторов с точек зрения аппаратной реализации и разработки программного обеспечения системы, а также проводится анализ экспериментальных исследований разработанного варианта ИИ С.

С точки зрения архитектуры, исследуемая ИИС организована по типу распределенной сети сбора и обработки данных [78]. Структурная схема фрагмента аппаратных средств ИИС, предназначенного для реализации собственно измерительных процедур (контроллера измерительного крейта), представлена на рис.2.

Рис.2.

Управление процессом измерений в крейте осуществляет микропроцессор CPU , в соответствии с программой измерений, предварительно загруженной извне (с более высокого уровня сети или с управляющей ЭВМ) в оперативную память RAM. Функциональные программы, реализующие алгоритмы измерительных процедур, находятся в перепрограммируемой управлящей памяти ROM. Данные о режимах

измерений (входные и установочные переменные функциональных программ) также загружаются в ROM извне на этапе инициации процесса измерений и выбираются процессором при выполнении функциональных программ.

Конструктивно генераторы и анализаторы выполнены в виде функциональных модулей (ФМ), управляемых с помощью интерфейса И41, т.е., используют принцип IEEE-управления в архитектуре измерительных средств. Посредством программно управляемых электронных реле к четырехпроводной шине тестируемого дискретного устройства подключается набор ФМ в соответствии с типом измерительной процедуры. По окончании цикла измерительной процедуры CPU запускает на выполнение функциональную программу следующей измерительной процедуры, выбирая команды из RAM, а данные из ROM , и т.д., пока не станет пуст входной список измерительных процедур (программа тестирования). Программа тестирования при измерении характеристик по своей структуре является циклом с заданным условием останова, ядром цикла является измерительная процедура из множества (3).

Программное обеспечение (ПО) информационно-измерительной системы состоит из нескольких частей, каждая из которых поддерживает соответствующий сетевой уровень иерархии оборудования, взаимодействующих между собой через линии связи. В экспериментальном варианте ПО ИИС реализовано по двухуровневой схеме. Две части ИИС соединены друг с другом в рамках объектного подхода по принципу "клиент-сервер".

Системное ПО верхнего уровня представлено стандартной операционной системой MS DOS 6.2 и транспортным монитором, реализующим протоколы обмена информацией с нижним уровнем, контроль и диагностику интерфейса ввода-вывода. Прикладное ПО верхнего уровня представляет собой набор библиотек, каждая из которых описывает структуру компонента (монитора) ИИС с помощью набора объектов и поведение компонента с помощью набора внутренних методов и правил обмена сообщениями с другими компонентами ИИС. Нижний уровень ПО использует декларативный язык измерительных процедур для исследования мощных транзисторов.

Для экспериментального подтверждения теоретических положений, изложенных в диссертации, был разработан экспериментальный вариант аппаратно-программного обеспечения ИИС, проверка функциональности которого проводилась путем измерения комплекса электрических параметров (1) мощных биполярных транзисторов типов КТ838, КТ846, КТ872, КТ8114.

Экспериментальное исследование разработанного варианта ИИС МТ проводилось: а) путем измерения отдельных параметров МТ в режимах, определенных технической документацией завода-изготовителя, б) путем измерения комплекса параметров в одном технологическом цикле за

ограниченный интервал времени, в) путем измерения зависимостей и характеристик МТ на примере исследования области безопасной работы. Изложенные в разд.4.3 результаты проверки функционирования разработанного варианта ИИС МТ поволяют сделать вывод о подтверждении теоретических положений и достижении практической цели исследования.

Заключение работы посвящено подведению итогов и обзору дальнейших направлений исследования.

В приложения вынесены анализ ИИС по методике "функции-данные-время"и описание интерфейса пользователя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформулированы признаки информационно-измерительных систем, предназначенных для поточного контроля и исследования мощных транзисторов и предложена классификация существующих измерительных систем на основании выделенных признаков.

2. Разработана информационная модель мощного биполярного транзистора. Определен перечень параметров, методов и условий их измерения, обоснованы его необходимость и достаточность с точки зрения характеристики всех возможных режимов эксплуатации прибора.

3. Построен последовательный ряд моделей процесса измерения параметров и характеристик исследуемого класса приборов: инфологическая, математическая и алгоритмическая модели. Выбран базис для функционально-структурного анализа информационно-измерительной системы.

4. Разработаны алгоритмы функциональных программ, реализующие определенный информационной моделью прибора перечень измерительных процедур.

5. Предложена методика проектирования ИИС для исследования дискретных электронных приборов, которая позволяет учесть сильные стороны как функционального, так и структурного (объектного) подхода к проектированию ИИС в исследуемой предметной области.

6. Построены математическая и алгоритмическая модели исследуемой ИИС как распределенной информационно-вычислительной сети. Исследованы модели представления знаний в ИИС.

7. Разработан экспериментальный вариант архитектуры измерительного крейта, основанный на принципах объектно-ориентированного проектирования измерительных систем.

8. Созданы библиотеки прикладных программ, реализующие системные функции исследованной ИИС, а также соответствующие базы данных. На основе международных стандартов разработан профессионально ориентированный интерфейс пользователя ИИС.

Экспериментальный вариант исследованной информационно-измерительной системы внедрен в технологический процесс производства

мощных транзисторов на заводе "Электроннрибор" и в АОЗТ "Элиз" (г. Фрязино, Моск. обл.).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Вейсов Е.А., Иванов В.И., Купчинский В.И. и др. Сеть сбора и обработки данных мошных транзисторов. // Проблемы функционирования информационных сетей. Тезисы международной конференции. Новосибирск: 1991, с 132-135.

2. Вейсов Е.А., Иванов В.И., Купчинский В.И. и др. Измеритель-классификатор параметров мощных транзисторов. // Новые технологии подготовки специалистов. Тезисы межвузовской научно-методической конференции. Красноярск: 1992, с.34-36.

3. Kupchinsky У. Algorithmic Models for Power Transistor Parameters

Measuring Methods. // Proc. Int. Conf. Math. Modell. Electr. Eng. Lvov, 1995, p.51-52.

4. Авдеев C.M., Вейсов E.A., Иванов В.И., Купчинский В.И. Универсальный измеритель классификатор мощных транзисторов. // Тезисы 2-й научно-практической конференции "Проблемы информатизации города". - Красноярск, 1995, с.111-113.

5. Купчинский В.И. Алгоритмические модели процессов измерения электрических параметров дискретных приборов. // Тезисы 2-й научно-практической конференции "Проблемы информатизации города". -Красноярск, 1995, с. 120-121.

6. S. Avdeev, Y. Ivanov, V. Kupchinsky, E. Veisov. Automated System for

Power Transistors Control. // Proc. Int. Conf. Math. Modell. Electr. Eng. Lvov, 1995, p.258-259.

7.Куптгинский В.И. Алгоритмические модели представления знаний в интеллект уальных измерительных системах. // Труды межрегиональной конференции "Проблемы информатизации региона". - Красноярск, 1995, с.157-159.