автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Самодиагностирование микропроцессорных аналого-цифровых преобразователей параметров комплексных величин

Российская академия наук Институт проблем управления

На правах рукописи

ГЕУРКОВ Вадим Левонович

УДК 681.326

САМОДИАГНОСТИРОВАНЙЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНЫХ ВЕЛИЧИН

Специальность: 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Л ь

т ¿ь

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993 г.

Работа выполнена в Институте проблем управления РАН.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

КНЕЛЛЕР Владимир Юрьевич.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

СОГОМОНЯН Егор Сергеевич,

- кандидат технических наук, доцент ЖЕЛВАКОВ Игорь Николаевич.

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский институт

медицинского приборостроения, г.Москва.

Защита состоится "_"_ 1993 г. в_час. на заседании Специализированного совета Л8 Института проблем управления Д 002.68.01 по адресу: 117806, г. Москва, Профсоюзная ул., д.65. Телефон Совета 334-93-29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем управления.

Автореферат разослан "_"_ 199 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук -Йркевич Е.В.

'' / /

ЯМ' » "г.-

1' '' - ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА "РАБОТЫ

Актуальность работы. Метода исследования объектов разнообразной природа (физических, химических, биологических, и др.) на переменном токе получают все более широкое распространение благодаря их высокой информативности. Создана пирокая номенклатура функционально и проблемно ориентированных автом отческих приборов для таких исследований, вклкгсаяцая в себя измерители и анализаторы имми-тансов, векторные анализаторы цепей, анализаторы частотных характеристик и др. Все эти прибора по существу являются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) параметров комплексных величин (ПКВ) переменного тока. Использование микропроцессорной элементной базы для построения таких преобразователей позволило расширить их функциональные возможности и улучшить метрологические характеристики. Однако это в конечном итоге усложнило приборы и затруднило работу с ними. При создании таких приборов на первый план стали выходить проблемы повышения надежности, улучшения эксплуатационных характеристик, решение которых предусматривает разработку эффективных методов и средств обнаружения и локагизацш отказов, причем • не только катастрофических, но и постепенных, особенно существенных для высокоточных средств измерения (СИ), какими являются микропроцессорные АЦП ПКВ (сокращенно МППКВ). Поскольку МППКВ используются не только в составе измерительных информационных систем, но преимущественно как автономные приборы, то по крайней мере задачу обнаружения их отказов необходимо решать с помощью встроенных автоматических средств диагностирования (СД). Последние по возможности долгам указывать и место неисправности. Такой подход согласуется с современной тенденцией к облегчению и упрощению обслуживания приборов, повышению их сервисности. Актуальны поэтому исследования, направленные на разработку методов и средств салодиагнос-

яированш МППКВ с учете*! специфика этого класса объектов и современных достижений технической диагностики и смежных дисциплин.

Цельв работа является разработка и исследование методов и средств само диагностирования МППКВ, обеспечивающих высокую достоверность диагностирования при малых аппаратурных, временных и вычислительных затратах.

Методы исследования. В работе используются элементы линейной алгебры, теории функций комплексной переменной, технической диагностики и теории кодирования. Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтвервдается корректными математическим обоснованием, результатами математического и физического моделирования, практическим использованием предложенных СД.

Научная новизна. Разработаны и исследованы новые методы контроля МППКВ и АЦП (в том числе - фазочуствительшх); исследована диагностируемость блока преобразования пассивной комплексной величины в активную (ПКВА) и получены тесты, обеспечивающие заданные функциональные свойства; разработан и исследован метод диагностирования (коррекции) кратных параметрических отказов систем с неизвестными входами и допусковым заданием параметров; разработан и исследован метод обобщенного сигнатурного анализа цифровых устройств; разработаны и исследованы корректирующие коды с неисказкае-мыми фрагментами слов, используемые для диагностирования.

Практическая ценность и использование результатов. Все исследования выполнялись с учетом последующей практической реализации разработок. Результаты диссертационной работы доведены до получения конкретных формул, позволявших рассчитывать значения контрольных допусков и модуля пересчета, выходные кода фазо^увствительного АЦП (ФАЦП), параметры ПКВА, чувствительность невязок; до конкретных практических рекомендаций, позволяющих строить простые обобщенные сигнатурные анализаторы; до схем, алгоритмов и программ

контроля и диагностики, пригодных для непосредственного использования в МППКВ, локальных сетях и других объектах.

Полученные в диссертации теоретические и практические результаты использованы в опытных образцах разработанного ИПУ (г.Москва) совместно с АЛ "Росток" (г.Киев) автоматического универсального микропроцессорного измерителя ПКВ ЦЕ5004, а также в опытном образ це изгоговленого в ТНИИСА НПО "Элва" (г.Тбилиси) средство дяэгнос-тирования локальной сетн ПС-01Т.

Апробация работы. Основные положения диссертации были дологены автором на VI Международном симпозиуме по диагностике (Прага, 1989); I Международной конференции молодых ученых то приборостроению (Москва, 1990); VI Всесоюзном совещании по диагаостахе (Ростов-на-Дону, 1967); XV Все сошной иколе-сеютаре по вычислительным сетям (Ленинград, 1990); Всесоюзном семинаре по проблемам создания высоконадежных систем (Ереван, 1988); II Всесоюзной научно-технической конференции но автоматизации производства (Пера, 19&0); Заседании-семинаре по диагностике секции й 7 Научного Совета АН СССР (Москва, 1968); XXXII и XXXIV конференциях молодых учеаах Института проблем управления (Москза, 19-96, 1983); республиканских конференциях (Ашхабад, 1986, Тбилиси, 1988).

Публикации. По материалам диссертации опублзковетю 18 работ, в том числе - одно авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 132 страницах основного текста, состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 42 рисунка, 4 таблицы, 4 приложения и список литературы из 130 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и определена цель диссертационной работы. Проведен анализ состояния разработок и иссдэдо-

ваний в области диагностирования СИ ПКВ, на основе которого сформулированы следующие выводы.

1. Широкое распространение для диагностирования (перед применением по назначению) микропроцессорных СИ получили методы компактного тестирования, обеспечивающие высокую достоверность диагностирования при малых аппаратурных затратах. Однако, при использовании их для контроля МППКВ в целом детерминироЕанно анализируются лишь разряды выходных кодов, не искажаемые допустимой погрешностью преобразования. Контроль остальных разрядов производится статистически, что вносит элемент случайности в результат диагноза и усложняет СД. В случае же использования методов компактного тестирования для локализации большого числа неисцравных блоков цифровой части МШЖВ возрастает объем диагностической памяти.

2. Метода контроля, проверяющие СИ в процессе преобразования, основаны на использовании корректирующих кодов и обнаруживают лишь катастрофические отказы в цифровой и аналоговой частях.

3. При диагностировании аналоговой части СИ малых аппаратурных затрат требует модельный подход, где СИ представляется моделью, параметры которой характеризуют функционирование отдельных блоков. Из-за трудностей определения параметров применение подхода ограничено лишь линейным одномерным случаем.

Данн классификация СИ с точки зрения реализации диагностического обеспечения и классификация методов проверки работоспособности СИ, используемых-во встроенных СД. В результате анализа СИ (в первую очередь - микропроцессорных) с точки зрения реализации диагностического обеспечения выявлены их особенности как объектов ди-. агноспфования (ОД). К ним относятся: наличие АЦП, микропроцессора (МП) с ограниченной вычислительной мощностью, аналоговых и цифровых элементов (в том числе, высокой степени интеграции), встроенных систем самокалибровки и самокоррекции; непрямой характер изме-

ре кий при отсутствии уроЕНсвеаивяния; наличие большого числа реки-моз измерения с множеством диапазонов измерения; инвариантность погрешности измерения к ряд}' параметров, обеспечиваемая пта проектировании; недопустимость больших, аппаратурных затрат (в частности, использование малого числа реактивных элементов) и др. Частной особенностью МППКВ, рассматриваемого в главе 5, является наличие Ф4.ВД интегрирующего тяга. С учетом этих особенностей и на основании изложенного сформулированы следующие задачи исследований:

- разработка и исследование методов обнаружения неправильного функционирования МППКВ, в частности: детерминированного метода сигнатурного анализа АЦП; метода контроля МППКВ непрямого измерения, основанного на инвариантности результата измерения к некоторым параметрам; метода кодового контроля ФАЦП интегрирующего типа, чувствительного как к катастрофическим, так и к постепенны}.! отказам;

- разработка и исследозние методов пояска неисправностей Байтного специфического узла аналоговой часта МППКВ непрямого измерения - ПКВА, б частности: исследование диагностируемое™, построение тестов и вывод выражения для расчета параметров диагностической моде.пи с учетом заданных ограничений; разработка и исследование метода диагностирования параметрических отказов малой кратности , вывод выражения дли расчета "неисправных" параметров;

- разработка и исследование методов поиска неисправностей цифровой части МППКВ непрямого измерения, в частности, метода компактного тестирования, использующего малый объем диагностической памяти.

При их решении пригашалась во внимание рассмотренная специфика МППКВ как ОД и использовались современные достижения технической диагностики и теории кодирования, в частности метод невязок, коды, локализующие ошибки и др.

В первой главе исследуются важные частные случаи задачи диаг-

- б -

ностирования - задачи проверки работоспособности и правильности функционирования ШПКВ.

Существующие методы сигнатурного контроля СИ характеризуются элементом случайности и громоздкими СД. Предлагается и исследуется на примере многоканальных СИ (МСИ) метод, свободный от этих недостатков.

НСИ содержит г каналов, на которые подаются образцовых величин x°lf 3=1,г, 1=1.т^. (Для ФАЦП, используемого в ЦЕ5004, помимо этого могут изменяться частота, амплитуда и фаза синусоидального сигнала). Пусть у;)1=У^1+5;)1 - соответствующие выходные коды, где - код идеального канала, а в ± - статическая погрешность канала. Эти коды поступают на арифметический сумматор по модулю 1= =21. После гт. тактов в нем будет присутствовать число П=В mod L,

(гв. , , г m. .

I Е'У-м Р0*1 1л\ У У'С. mod I. Пусть значение модуля L 3=11=1 3ij 4=11=1 31j

» Г m г

таково, что вшолняется условие: A+|A|<L, где Д= J J/S.., А= £

J=1i=1 31 3=1

J'o.., О и о - верхние и нижние допуски на погрешность. Тогда

Ji JX jl

для работоспособного ЫСИ:

И ! ry°]mod Ь -|1| « В < В=Г I Ijy°W I +L \)=1i=1 4=11=1 3:LJ

В зависимости от значений S и В (известных для МСИ заранее выявлены допуски, в которых при этом должна лежать величина R. Если вычисленное значение R не соответствует этим допускам, то МСИ заведомо неработоспособно. В противном случае, МСИ считается работоспособным. Оценена достоверность D такого метода проверки работоспособности. При г=4, rn.p16, 3=171, 1=16, например, Ш, 99902.

Особенно просто метод реализуется для АЦП с промежуточным преобразованием во временной интервал. Имеющийся здесь счетчик импульсов (как, например, в МППКВ ЦЕ5004), может быть использован в качестве схемы сжатия по модулю. Так, для 20-разрядного АДП ЦЕ5004

й1±|451=1 для всех 1, и при га, =64 ДгО,99938.

Сигнатуршй метод требует отключения измеряемой величины от зхода МППКВ и подачи на него множества образцовых величин. Предлагается метод контроля МППКВ непрямого измерения, не требующий ни отключения измеряемой величины, ни использования образцовых элементов.

В СИ ПКВ, основанных на непрямых измерениях, необходимые функциональные преобразования выполняются в цифровой форт. Обычно в процессе этих преобразований не только определяются искомые ПКВ, но и устраняются некоторые погрешности измерения (например, влияние одной составляющей ПКВ на результат измерения другой; влияние на результат измерения амшлтуда питающего напряжения, фазовых сдвигов опорных напряжений и т.д.). Очевидно, если изменить какой-либо фактор, влияший на погрешность, и проверить реакцию СИ, то по отсутствия компенсации мохно сделать вывод о его неисправности. Чем бельке элементов охватывает подсистема кояягенеащш, тем больна неисправностей будет обнарукено. Поэтому, проверяются реакции всех з&юющихся в МППКВ подсистем цифровой компенсация погрешностей. Для минимизации времени контроля возмущ^шие факторы измештатся одновременно. Оценена достоверность такого метода проверки правильности функционирования.

Два рассмотренных метода тробупт некоторого перерыва в функционировании СИ. Предлагается кетод, реализуемый лишь для ФАЦП (или интегрирующих АЦП другого тш.а), в котором контроль осуиест-вляется непрерывно в процессе преобразования.

Пскззшга, что значение выходного кода ФАЦП имеет вид: --

= [)ит!0/ир- <Г0(их-;У| )/ир)то<1 4КусТ 13+4^. где и,т,10,ир,Яусг,Нд - различные параметры ФАЦП, V - синфазная или квадратурная состав-ляицая входного напряжения, а квадратными скобками обозначена операция выделения целого. Организуется вспомогательный канал, пара-

метры которого, помеченные ниже штрихом, связаны с параметрами основного' канала соотношениями: 4N^cT=L, TJxi0/Up mod L, 411д mod. L, где ЪЛ1 - выбранный модуль. Из-за малой величины

этих параметров второй ФАЦП реализуется проще и надежность его вы*

ше. Кроме того, он имеет и большую линейность. Это позволяет использовать второй ФАЦП для контроля основного. Показано, что для правильно функционирующих основного и вспомогательного ФАЦП выполняется неравенство Ъ $ NOK р mod Ъ - < д, где д= =6^2» ,б1 ,б2.£>2 - нижние и верхние допуски на погрешности преобразования основного и вспомогательного ФАЦП. Если это неравенство не выполняется, то один или оба ФАЦП заведомо неисправны. В противном случае считается, что оба ФАЦП функционируют правильно. Оценена достоверность контроля. При L=32, например, она равна 0,97; В качестве вспомогательного можно использовать и основной ФАЦП с измененными параметрами.

Во второй главе решается задача диагностирования параметрических отказов ПКВА для различных видов преобразователей вектор-скаляр. ПКВА описывается следующей моделью "вход-выход":

y=f (ц,а), (1)

где у, и, а - соответственно векторы выходов, входов и параметров, у ¿¡к4, ueRp, ct€RN. Считается, что номинальные значения параметров известны и наблюдаемым является лишь выход измерительной части МППКВ. Задача диагностирования включает две подзадачи: исследование разрешимости и собственно решение уравнения (1). Кратность отказов предполагается равной числу параметров модели. Выявление неисправных элементов производится по признаку попадания,или непопадания значений их параметров в пределы, устанавливаемые границами зон допусков. Как следствие нелинейного характера (1) исследуется условие локальной диагностируемое™, то есть разрешимости (1) почти для всех точек пространства параметров за исключением подпрос-

транства мэры нуль. При этом используется утвэрвдение, согласно которому система является локально диагностируемой, золи существует точка 1и0,а°НГРк>'р>я?1'1, в которой якобиан функции (1) невырожден. ООобщенная диагностическая модель ПКВА в случае использования преобразователя модуля, фазы или составляющей активной величины имеет соответственно вид:

/а х^2сх.соз(у+у, )+1

а /—|-±-1— , (Я)

/ (гх^+2йх1соэ(9+у1)+1

а,-р + юсЩ Гх.-1--4-4-], (3)

1 с1.1хроз(7-5)+х1[ссоз(7+у1)+йсоа(б+у1)]+1

х^Ьсйсоз(Р+7-«)+х.Ь[йсоа(р-а-у )+ссозф+7+у.) ]+Ьсоа(3

з — . * 9 (4)

1 &гТ^+гдХ±С08 (д+?±)+1

где ?.±=х±е^, х1,у1 - параметры образцового сопротивления Ь,р,с,7,1,в - искомые параметры. Для всех трех случаев язйденн точки невырожденности соответствующих якобианов, то есть доказана локальная диагностируемость.

Для определения параметров диагностической модели применяется аналитический метод однозначного решения систем нелинейных урэвнэ-ний и построенный на его основе метод синтеза значений параметров модели, исходя из заданных свойств (з частности, однозначности результата преобразования, инвариантности к точкам с нулевой чувствительностью и др.). Эти методы разработаны с.п.с. Института проблем управления З.А.Скомороховым. Известно их использование в целях выявления возможных структур МППКВ, обеспечиващих однозначное определение ПКВ, При этом параметра комплексной величины считались неиэвестныли, а параметры модели (измерительной цепи МППКВ) - образца выли. Ма же решили задачу определения исходя из заданных свойстз в рамках заданной структура ЫППКВ неизвестных параметров модели ПКВА при задании образцовых значений комплексной величины.' Метод синтеза структур МППКВ включает в себя два этапа. На первом

этапе строят основополагающую (избыточную!) инвариантную функцшэ с разделенными переменными и с управляешь® параметрами ?ннв, содержащую в потенциальной форме сведения о веек возможных структурах ШШКВ, а на втором вУапе - приводят функцию Ринв к желаемому виду ?тел на основе алгоритмов кошексации и фильтрации нежелательных функциональных компонент - точек экстремумов и перегибов. При атом все возможные пути перехода от РННЕ к приводят к выявлении

всех возможных сочетаний управляемых параметров (конф!гурацкй измерительной цепи), которые гарантируют существование и единственность решения. Метод синтеза в рассматриваемой постановке имеет ряд особенностей. В частности: '1) при построении основополагающей инвариантной функции уравнения (2)-(4) приводятся предварительно к каноническому виду. Данная задача нетривиальна; 2) в качестве оператора обработки (разделения переменных) выбран результант. Использование последнего допустимо, поскольку для априорно заданных х,у полученные в каноническом виде уравнения являются алгебраическими; 3) наряду со свойствами однозначности результата преобразования и инвариантности к точкам нулевой чувствительности нами к числу заданных свойств отнесено применение в качестве образцовых по-возможности только активных сопротивлений; 4) используются только фильтрационные способы устранения нежелательных функциональных компонент (компенсационные способы не работают); 5) синтезируется но функционально полное множество решений, а выявляется подмножество частных сочетаний управляемых параметров модели, обладающих полезными свойствами. Использование метода синтеза с учетом этих особенностей показало, что для структур любого типа при выборе в качестве образцовых емкостных или активных сопротивлений параметры модели находятся соответственно однозначно или неоднозначно. Для структур с амплитудным детектором и с преобразователем, составляющей неоднозначность связана лишь с изменением знака реак-

гяргюсп*. Наиболмгая разрзкащая спосоо'ность диагностирования достигается прк гслользсрюта првоОр»яояятеля модуля аа фаза - до пята пара'.ютроЕ» незккгяая - при использовании преобразователя составляющей активной величины - до трех параметров; кожвд такзю рэзиг-жть "кенеправностя" грех параметров, если дня двух из ш "неисправность" одиночная. Для всы случаев найдена точка потери чувствительности. Показано, как их исключить. .

Ъ третей главз исследуется вопросы поиска и корьаши дара«-тричвских неисправностей ПКВА, когда кратность их меныга обшзго числа параметров.

Параметры модели СИ можно определить, подавая на наго обрас-цоеыэ сигналы, либо придавая измеряемогзу сягнаду известные приращения. При большом количестве параметров возрастает число необходима из\зерензЗ, что мсяет пржести " подопустикойу узвлкчсшз времени диагностирования. Кроме того, растут затраты аппаратура, связанной с подачей образцовое? сигналов аяя с реализаций псараща-ний. Целесообразным поэтому представляется использсвакзс для деег--носгирования кратных неисправностей СИ катода невягон, при кзтерем число измерений меньше, чэм чаело паремвтроя. ЙЭЕветзо иеяодьаовг-ние этого метода дал систем произкольяого вида с аэвестшгиз зхода-у.и и точечным заявляем параметре«. № же рассмотрели случай систем, онисыва&мкх дробьо-лйввйней моделью, и в частности, ПКВА, с известными приращениями нэнзвестных входов птда топусковом задании параметров.

Уравнение системы с п входами и р выходши, состоящей из пр блоков, имеет вид: Уд^^^^^+Ь^)/^ (а^х^+Ъ^), :Д7й,

1=ГГр. где выход; +Р3к, и " приращения ра-

бочего сигнала хк; - "истинные" параметры. Пусть

=а, -а,,, 5? =Ь,, -Б, ,, где а., и Б. . - соответственно "номиналь-к! к! к! к! к!' Тс! кг

ныв" параметры. Для системы заданы нижние и верхние допуски 6£±, на отклонения параметров и кратность отказов 1<2п. Поиск "неисправных" параметров состоит из проверки гипотез, то есть фиксации некоторбй совокупности параметров в номинальных значениях и оценивании невязки решения результирующей переопределенной системы уравнений. Истинной гипотезе, при которой фиксируются "исправные" параметры, соответствует минимальная невязка.

Модель системы преобразуется к виду У1В1=0, 1=Т~7р. Здесь - (тхЗп)-матрица, в которой 1Г^к=У-,1а;[к ДОЯ ККФЦ. =-<х^ для п1+К1«л, ^к=У31Р3{к_п) для п+Кк^п+п1, для п+п^Ккггп, Для 2п+1^к^2п+п1, 7^к=-1 для Зп+^+Кк^ *3п, & В1=--(а11х1,...,ап1хп,а11.....ап1'Ь11'*-"ьт)Т- ЧеРез Сч=

.....= [<С)Т

(В* 2)Т3Т обозначим вектор с (л+1) неизвестными и (2п-1) номинальными параметрами, соответствущий q-oй гипотезе, и пусть Б* 2= = (<1п+1+1,1.....¿зП11). Ш<р, Еведем зп-вектор 01=

= ^1бТ1-:--'хп5п1'С1.1'"-'бгп.1'б2п+1.1.....и- '^-и-

вектор от _ с координатами из о1, аналогичный по структуре вектору ч • &

5* 2. Соответственно через 2 и й* 2 обозначим векторы с 6 и 6. Показано, что т-вектор-столбец невязки И1 для ^ 1:

К-^К.^КЛ.г- ' ^

где V*, - матрица со столбцами из V1, номера которых совпадают с номерами параметров 1; V* г- оставшаяся часть V1, а (V* 1)+ -псевдоинверсия V* 1, 1 . Из (5) можно получить

где Н* - (шхЗ'п)-матрицы коэффициентов чувствительности. Из (6) следует, что если а-ая гипотеза истинна, то есть й1 „«а1 .ЛЙ1 „,

Ч • 2 Ч • Ч » ^

то Й1^}3-^1, где Й1 и В1 вычисляются из (6). Обратное, в общем ч ч ч ч ч

случае, неверно. В зависимости от значений "неисправных" параметров рассмотрены три случая. В первом из них все кеисправьости раз-

личимы. Разработан алгоритм диагностирования. Для второго случая

некоторые неисправности неразличимы. Приводятся правила выявления подозреваемых параметров. В третьем случае неисправности не фиксируется. Показано, как найти и уменьшить область необнаружения неисправностей.

Для линейных систем решена задача обеспечения заданной чувствительности (матриц Н*) путем выбора приращений. Показано, как находить значения изменившихся параметров и неизвестных входов.

При диагностировании данным методом одиночных отказов ПКВА для всех видов структур, по сравнению с методом, описанным в главе 2, используются толькс активные образцовые сопротивления и упрощаются вычисления. Для структуры с амплитудным детектором (преобразователем фазы) общее число измерений уменьшается (увеличивается -лишь при определенном сочетании подозреваемых параметров) на один. Для структуры с преобразователем составляющей активной величины число измерений ь"1 изменяется, но повышается на один параметр разрешающая способность диагностирования.

В случае проверки правильности функционирования МПШВ, метод позволяет скорректировать результат измерения при любом изменении характеристики преобразователя лишь за один дополнительный цикл измерения. Показано, что при этом достоверность контроля вше, чем у >;зв8ст]1ых методов.

В четвертой главе предлагаются и исследуются методы диагностирования цифровой части М1ШКВ.

Среди методов диагностирования цифроьых устройств с элементами высокой степени интеграции оптимальным б смысле аппаратурных затрат и достоверности тестирования является метод сигнатурного анализа. Здесь неисправной считается компонента, истинная сигнатура которой не совпала с образцовой. Автоматизации процесса тестирования требует объема памяти, пропорционального количеству компо-

нент устройства. Это снижает надежность СД. Кроме того, при записи больших массивов образцовой информации неизбежно возникают ошибки. Предложен метод, позволяющий уменьшить затраты памяти. Метод ориентирован на объекты, различные подпоследовательности выходных последовательностей которых соответствуют различным их блокам и кратность отказов в которых не превосходит некоторого г. Выходная последовательность объекта рассматривается как информационная часть слова корректирующего коде К, в котором возможны искажения не более Ъ подпоследовательностей. Задача поиска неисправных блоков сводится к процедуре декодирования кода К. Объем диагностической памяти определяется проверочной частью кода К и зависит от числа блоков и величины и

Рост длин последовательностей и кратности ошибок, приводя!ций к увеличению избыточности, ограничивает применение рассмотренных кодов. Разработан и исследован метод, который использует коды, локализующие ошибки (ЛО-коды) с меньшей избыточностью. Использование известных методов кодирования-декодирования таких кодов неприемлемо для целей диагностирования из-за таких технических трудностей, как перестановка двоичных символов, поступающих от различных блоков, многократное вычисление вычетов, соответствующих выходной последовательности одного блока, их постоянное хранение и т.п. Рассматриваются процедуры кодирования-декодирования, свободные от указанных недостатков. Подход распространяется на ОД произвольного вида.

Перед диагностированием в ОД разрываются обратные связи, а области его ранжируются. На ОД, в каждой из областей которого содержится не более п2 блоков, подается тестовая последовательность длины п . Число одновременно отказывающих в областях блоков не превосходит некоторого г. Объединение выходных последовательностей для каждой области рассматривается как информационная часть слова

кода, дгтс&Ейзуюззго *-кратные ошибки. На декодер ЛО-кода (дли СД), последовательно подаются все выходные последовательности блоков первоЗ области и проверочные символы. Если результирующий остаток равен нулю, то считается, что все блоки исправны. В противнем слу-декодер определяет номера неисправных блоков. После их восстановления проверяются остальные области.

. Построен ЛО-код, при ¿еходфоваша которого шкао указать блоки, в выходных последовательностях которых имелись искажения.

Существование ЛО-кодов определяет следующая теорема. Пусть К, - циклический код длины п1, обнаруживающий з ошибок, порождающий многочлен которого g(x)=g1(х)...ви(х) равен произведению и различных неприводимых над ®Чц) многочленов, а 0Р(цт) - наименьшее расширение поля 0Р(д), содержащее все корни £(х). И пусть К^ - циклк-ксл длякн (п. и п„ - взаимно простые), корректирующий г оошиок. тю«оуда«я»й мк>гочлзн которого (х).. .0 (т.) равен

троилзздеггию V р^.. щгяшх яапмвояимчх над (ата) многочленов, а С-г(ч~'р> - наккеныгез расширение поля и?(Чт), содержащее корни п1 /г^-й стелечи из едагапщ. Тогда существует ЛО-код К длины 11=11,11,, ямежщкй ве более аш проверочных символов над СР (д), который локализует не более t подблоков, каждый из которых искажен не более чем в овйбкеня.

Обозначил через р1 и 7± - корни б±(х) и С±(х), черва г, ,1ц и тг,кг~ число проверочных и информационных символов кодов К, и К2. Процедура кодирования ЛО-кода заключается в следующем. Пусть ■

(А0,... ,А _1) - кодовый вектор ЛО-кода К, где А = (с.^11,..., 2

с^.а^,...^,), для 1=0^ГТ; А1=(а^>.....а"',). Для

=г2,п2-1; с^11 и а^1' - соответственно 1-й проверочный и информационный символ 1-го подблока. Тогда проверочные символы можно оп-

_ _

ре делить, решив систему: £ 1=0, г -1, 1=1, и,

3=о 3 1

п. -1

где ß"i.t= £ а'1^, а р^л можно найти, приравняв в равенстве

1 j^r 3 '1 1

f X Г i a^'ßfl^W G!z) l = £ 1-T7Ü, j-Тл, коэф-

Ч=г, 1 j=0 ' 3 I j 1—с 3

фициенты при одинаковых степенях 7 .

При декодировании ЛО-кода вычисляется синдром искаженного Еектора. Если он равен нулю, то считается, что сшибок нет. В противном случае, с помощью подсиндромов в соответствие с процедурой декодирования кода К2 находятся искаженные символы этого кода, а следовательно, и искаженные подблоки.

Показано, что при сохранении достоверности диагностирования затраты памяти уменьшаются (для и=П в n?ra/vpm-n2/Yp раз.

Предложена удобная для грактики модификация процедуры декодирования, позволяющая не прерывать выходные последовательности ОД.

Построены обобщенные сигнатурные анализаторы для 8- и 16-разрядных сигнатур. При использовании первого затраты памяти уменьшились в 128,5 раз, второго - в 32768,5 раз.

Для целей диагностирования в работе предложен и исследован новый класс кодов, исправляющих (S-коды) и локализующих (ЛО-S-коды) ошибки только в определенной части слов. Доказаны теоремы их существования. Построены границы избыточности. Предложены проверочные матрицы, допускающие простые процедуры кодирования-декодирования.

В пятой главе рассматрены процедуры диагностирования автоматического измерителя RLC ЦЕ5004 и станций малой локальной сети ПЯ-01Т, использующие предложенные методы.

Правильность функционирования ЦЕ5004 проверяется методом, основанным на инвариантности, в частности, инвариантности результата измерения к амплитуде и частоте питающет'о напряжения, к фазе опорного напряжения, инвариантность одной составляющей ПКЗ к другой.

Поиск неисправностей организуется согласно принципу расширяющихся областей. Разработано несколько вариантов алгоритмов поиска.

В первом из них методом, основанным на инвариантности проверяется измерительная часть совместно с частью МП, вычисляющей составляющую активной величины.

Во втором алгоритме указанные части проверяется методом невязок. Приращение измеряемого сопротивления получают путем шунтирования его образцовыми резистором и емкостью, а также изменением сопротивления "меры".

В третьем алгоритме используется незначительная аппаратурная избыточность, что позволило создать аддитивно-мультипликптивный тест на входе измерительной части и проверить ее отдельно. Кроме того, корректируется результат фазочувствительного аналого-цифрового преобразования.

Реализация в четвертом алгоритме метода невязок для контроля и коррекции погрешностей ! 8-разрядного ФАЩ с неизвестным сигналом на входе позволила повысить достоверность контроля до 0,999997 и уменьшить в полтора раза общее время коррекции погрешностей. Кроме того, не используются источники образцовых сигналов: приращение входного сигнала обеспечено цифровым путем. После контроля результат ттреобразоврния корректируется.

При диагностировании локальной сети на ее станции последовательно во времени подаются тестовые воздействия. Соответствующие отклики выдаются в сеть, прослушиваемую декодером локализующего кода. Приводится программа декодирования, используемая также для тестирования цифровых блоков ЦЕ5004. Число станций (блоков) не превышает 257. В качестве кода К2 выбран (257,255)-код Хэмминга, коректирующий одиночные 2а-ичные ошибки. Экономия памяти достигает 128,5.

В приложениях к диссертации представлены: 1) оценю! достовер-

ности методов контроля, предложенных в главах. 1 и 3; 2) процедура построейия порождающего многочлена обобщенного кода Хемминга; 3) программа, моделирующая работу кодеков ЛО-кодов; 4) нрограшы диагностирования измерителя ЦЕ5004 и локальной сети ПС-С1Т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработаны метода и средства самодиагностирования микропроцэссорных средств измерения параметров комплексных величин, обеспечивающие высокое значение достоверности диагностирования при малых аппаратурных, временных и вычислительных затратах.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ состояния разработок и исследований в области диагностирования МППКВ, построены классификация средств измерения с точки зрения реализации диагностического обеспечения и классификация методов проверки работоспособности средств измерения, используемых во встроенных средствах диагностирования, выявлены особенности МППКВ как объекта диагностирования.

2. Разработан и исследован высокодостовврный детерминированный сигнатурный метод проверки работоспособности МППКВ с произвольной допустимой погрешностью преобразования.

3. Разработан и исследован высокодостоверный метод контроля МШЖВ непрямого измерения, не требуюцяй ни отключения измеряемой величины, ни использования образцовых элементов.

4. Предложен и исследован высокодостоверный метод кодового контроля АЦП интегрирующего типа с малой аппаратурной, либо временной избыточностью, обнаруживающий постепенные отказы.

5. Исследована диагностируемость блока преобразования пассивной комплексной величгаш в активную для трех видов преобразователя вектор-скаляр. Найдены тесты, обеспечивающие однозначное определе-

нив параметров при использовании малого числа образцовых реактив-ностей, либо неоднозначное определение параметров с использованием только активных образцовых сопротивлений. Показано, как исключить

точки нулевой чувствительности. Получены соотношения для расчета параметров.

6. Исследован метод диагностирования кратных параметрических отказов многомерных систем, описываемых дробно-линейной моделью о допусковш заданием параметров. Показано, как минимизировать область "нечувствительности", а для линейных систем - и обеспечить заданную чувствительность. Метод позволяет проверять с высокой достоверностью к корректировать погрешности средств измерения при любом изменении характеристики за одно дополнительное преобразование. А при диагностировании одиночных отказов блока преобразования пассивной комплексной величины в активную упрощаются вычисления ж отсутствуют образцовые реактивности. Для структуры с преобразователем составляйте повышается, кроме того, разрешающая способность диагностирования.

7. Предложены и исследованы методы компактного тестирования дискретных устройств, позволившие уменьшить затраты диагностической памяти.

8. Разработаны для целей диагностирования и исследованы коды с неискажаемыми фрагментами слов, доказана теоремы их существования. Предложены модификации процедур кодирования-декодирования, допускающие простую реализацию. Оценены границы избыточности.

9. Рассмотрено использование предложенных методов для диагностирования измерителя RLC ЦЕ5004 и локальной сети ГК~.-01Т, позволившее сократить объем диагностической памяти, повысить достоверность контроля и уменьшить время коррекции погрешностей, причем в случае фазочувствителыгого АШ - без применения источника образцового напряжения и перекоммутации входных цепей.

Полученные результаты могут использоваться и для тестирования скалярных средств измерений, а также других аналоговых и цифровых систем, для локализацию! искаженных банков данных или дефектных частей печатных плат; для защиты участков памяти или фрагментов передаваемой информации, при решении линейных систем уравнений в допусковой постановке.

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах:

1. Геурков В.Л. Метод встроенного контроля многоканальных измерительных систем. - Измерительная техника, 1990, * 11, с. 8-10.

2. Геурков В.Л. Вопросы самодиагностирования микропроцессорных преобразователей параметров комплексных величин. - Отчет о научно-исследовательской работе НМ-5874 (по теме ¡i 358-90/62). М.: Институт проблем управления, 1991. - 72 с.

3. Геурков В.Л. Использование метода невязок для диагностирования параметрических отказов приборов и систем" с неизвестными входами, описываемых дробно-линейной моделью. - В кн.: Тез. докл. I Междун. научн.-практ. конф. молод, учен, и спец. в обл. приборо-строен. ИНТЕРПРИБ0Р-90. М.: 1990, с. 47-48.

4. GeurkoY V.L., Dyn'kln V.N. Testing' of Microprocessor Based Meaaurlng Instruments. - Electr. Meas. Instr. for Low and Medium Preq. Prepr. of the V IMEKO Int.Syrup. Vienna (Austria), 1992, p. 127-130.

5. Геурков В.Л. Диагностирование параметрических отказов линейных статических систем с нейзвестными входными сигналами методом невязок. - В кн.: Тез. докл. Респ. конф. мол. учен, и спец. аналят. приборостроен. Тбилиси: НПО "Аналитприбср", 1988-, с.9.

6. Геурков В.Л. Диагностирование параметрических отказов линейных статических систем с неизвестными входами методом невязок. - Автоматика и телемеханика, 1990, № 6, С.Т35-138.

7. Геурксв В.JI. Обеспечение заданной чувствительности при диагностировании линейных систем методом ж вязок. - В кн.: Тез. докл. Респ. научн.-техк. конф. "Вопросы рачраб. и примен. средств ВТ на МП базе для АСУ ТЛ". Тбилиси: Т!МИСА НПО "Эльа", 1988, с. 109-110.

8. Геурков В.Л., Ялкапов П.Я. Метод диагностирования дискретных устройств: Деп. рук. - М.:ВИНИТИ, 1987, Ji 431-1387. - 11 с.

9. Геурксв В,Л.. Ялкапов П.Я. Метод диагностирования с применением корректирующих кодов. - В кя: Тез. докл. VIII респ. конф. "Науч.-техн. прогр. и общ." Ашхабад, 1986 г., с.451-452.

10. Геурков В.Л., Дынькин В.Н. ЛО-коды и диагностирование цифровых устройств. - В кн.: Тез. докл. Всесоюзн. сем. "Пробл. создан. и произв. выссконадеж. систем и компл.для пром. АСУ на базе микро-ЭВМ". Ереван. M.: 1988, с.193.

11. Геурков В.Л., Дынькин В.Н. Диагностирование цифровых устройств с применением кодов, локализующих ошибки. - Автоматика и телемеханика, 1989, № 10, с.148-159.

12. Geurkov V.L., Dyn'kin V.N. Using Error-Locating Codes for Diagnosis of Digital Ccvices. - Techn. Diagn. 89. Proceed, of the VI IMEKO Int. Syriip. The House of Tecim., Prague, 1989, pt.2, p. 490-493.

13. Геурков З.Л., Ялкапов П.Я., Дынькин В.Н., Кацман Г.Л. Кода для сигнатурного анализа. - В кн.: Тез. докл. VI Всесоюзн. совет. по техн. диагн. Ростов-на-Дону. М.: Ин-т пробл. управления, 1S37, с.166.

14. Геурков В.Л., Шарашенидзе Т.Э., Чачакашзили А.Р., Сахела-швили В.Б. Самотестирование процессора контроля и диагностики. - В кн.: Тез. дскл. Респ. научн.-техн. конф. "Вопросы разр. и примен. СВТ на МП-базе для АСУ ТП". Тбилиси: ТНТОСА НПО "Элвя'\ 1988, с.109-110.

15. Геурков В.Л., Дынькин В.Н. Диагностирование локальных сетей с помощью ЛО-кодов. - В кн.: Тез. докл. XV Всес. школы- сем. по выч. сетям. Л. М.: ИСК АН СССР, 1990, с.3-6.

16. Чачанашвили А.Р., Геурков В.Л. Помехоустойчивая локальная сеть для АСУ АЭС. - Там же, с.115-118.

17. Чачанашвили А.?., Хуршудова Г.С., Геурков В.Л. Локальная сеть для АСУ АЭС. - В кн.: Тез. докл. II Всес.научн.-техн. конф. "Проблемы и персп. автоматиз. произв. и управл.на предпр. приборо-зтроен." Пермь, 1990, с.16-17.

18. А.с. 1705829 (СССР). Устройство для диагностирования цифровых объектов/ Геурков В.Л., Данькин В.Н. - Заявл. 11.10.89. * 1748451/24; Оп. в БИ, 1992, »2; МКИ С Об Р 11/00.

Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержаще диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опуб-такованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: } [4] предложен алгоритм диагностирования аналоговой части ШПКВ; в [8,9.1 - предложено использовать для диагностирования кор-юктирущие кода; в [101 - предложено использовать ЛО-коды для те-■.тирования одновыходных устройств; в £11,181 - предложено исполь-ювать ЛО-коды для тестирования многовыходных устройств; в £12) -юстроен кодер-декодер для 28-ичного кода Хемминга; в £133 - оце-•ены границы избыточности Б-кодов; в £141 - составлены алгоритм и • рограмма тестирования процессора контроля; в £151 - предложено спользовать ЛО-коды для диагностирования ЛС; в £16,17] - разрабо-аны принципы повышения помехоустойчивости ЛС.