Обучающая система методам компактной диагностики.

Стр 1 из 4Следующая ⇒

МИНИСТРЕСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕСИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

___________________________________________________________

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра радиофизики

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Обучающая система методам компактной диагностики.

Исполнитель: студент гр.644

Ким В.Л.

Руководитель: ст. преподаватель

Каф. р/ф

Таюрская Г.В.

Казань - 1999 г.

Оглавление.

Введение. 4

Глава 1.

Обзор методов компактного тестирования и типы неисправностей цифровых схем.

1.1 Классификация методов сжатия выходных реакций схем. 5

1.2 Типы неисправностей цифровых схем. 10

1.3 Генераторы тестовых последовательностей. 12

Глава 2.

Практическая реализация системы обучения методам компактного тестирования.

2.1 Реализация графического интерфейса. 17

2.2 Разработка и реализация алгоритма моделирования цифровых схем, позволяющая моделировать ЦС различной сложности, использующие различные элементные базы. 19

2.3 Реализация алгоритма, моделирующая работу генераторов тестовых последовательностей: 23

· генератор счётчиковой последовательности;

· генератор М-последовательности;

2.4 Разработка и реализация модуля моделирующего алгоритм диагностики с использованием компактных методов тестирования: 24

· сигнатурный анализатор;

· метод счёта единиц;

2.5 Блок поиска неисправностей; 28

2.6 Определение оценки эффективности метода сигнатурного анализа и метода счёта единиц. 31

· Достоверность сигнатурного анализа.

· Достоверность метода счёта единиц.

Глава 3.

Описание программы 35

Экспериментальная часть. 38

Заключение. 42

Литература. 43

Приложение 44

Введение.

Неуклонный рост сложности приборов обуславливает повышенный интерес к вопросам диагностирования их технического состояния. Одной из разновидностей методов технического диагностирования аппаратуры является тестовая диагностика, позволяющая на этапе проектирования и изготовления решать основные задачи: определять правильность функционирования, осуществлять поиск неисправностей и определять тип неисправности. Для реализации этих задач требуется интенсификация подготовки специалистов по вычислительной технике и технической диагностике, владеющих методикой исследования и проектирования сложных цифровых систем с использованием современных методов технической диагностики.

Основной задачей дипломной работы является разработка автоматизированной системы обучения диагностике сложных цифровых схем, позволяющей детально знакомить студентов с практическими возможностями использования современных методов компактного тестирования.

Она должна представлять собой программу, включающую в себя:

Ø Модуль, реализующий графический интерфейс. Обмен графической

информацией между пользователем и ЭВМ должно осуществляться в форме диалога;

Ø модуль, реализующий логическое моделирование цифровых схем;

Ø модуль, моделирующий работу генераторов тестовых последовательностей;

Ø блок, моделирующий процесс диагностики. В него входит: блок моделирующий работу многоканального сигнатурного анализатора, блок отображения и обработки полученных данных, блок поиска неисправностей;

Ø блок, реализующий алгоритм определения оценки эффективности

диагностики при использовании компактных методов диагностики.

Глава1.

Обзор методов компактного тестирования и типы неисправностей цифровых схем.

1.1 Классификация методов сжатия выходных реакций схем.

Классическая стратегия тестирования цифровых схем основана на формировании тестовых последовательностей, позволяющих обнаруживать заданные множества их неисправностей. При этом для проведения процедуры тестирования, как правило, хранятся как сами последовательности, так и эталонные выходные реакции схем на их воздействие. В процессе самой процедуры тестирования на основании сравнения выходных реакций с эталонными принимается решение о состоянии проверяемой схемы.

Для ряда выпускаемых в настоящее время схем классический подход требует временных затрат как на формирование тестовых последовательностей, так и на процедуру тестирования. Кроме того на проведение тестового эксперимента требуется наличие сложного оборудования. В связи с этим стоимость и время, необходимые для реализации классического подхода, растут быстрее, чем сложность цифровых схем, для которых он используется. Поэтому новые решения, позволяющие значительно упростить как процедуру построения генераторов тестовых последовательностей, так и проведение тестового эксперимента.

Для реализации генератора тестовой последовательности используются алгоритмы, позволяющие избежать сложности их синтеза:

1. Формирование всевозможных тестовых наборов, т.е. полного перебора двоичных комбинаций. В результате генерируется так называемая счётчиковая последовательность.

2. Формирование случайных тестовых наборов с требуемыми вероятностями появления единичного и нулевого символов по каждому входу цифровой схемы.

3. Формирование псевдослучайной тестовой последовательности.

Основным свойством рассмотренных алгоритмов формирования тестовых последовательностей является то, что в результате их применения воспроизводятся последовательности очень большой длины. Поэтому на выходах проверяемой цифровой схемы формируются её реакции, имеющие такую же длину. Естественно возникает проблема их запоминания, хранения и затрата на обработку этих последовательностей. Простейшим решением, позволяющим значительно сократить объём хранимой информации об эталонных выходных реакциях является получение интегральных оценок, имеющих меньшую размерность. Для этого используются алгоритмы сжатия информации.

В результате их применения формируются компактные оценки сжимаемой информации. Рассмотрим алгоритмы сжатия данных для случая бинарной последовательности {y(k)}, состоящей из l последовательно формируемых двоичных переменных.

Синдромное тестирование.

Синдромом (контрольной суммой) некоторой булевой функции n переменных является соотношение

S=R₅/2ⁿ,

Где R₅ равно числу единичных значений функции согласно таблице истинности для l=2ⁿ. Определение понятия синдрома однозначно предполагает использование генератора счетчиковых последовательностей для формирования всевозможных двоичных комбинаций из n входных переменных при тестировании схемы, реализующей заданную функцию. Дальнейшим развитием синдромного тестирования является спектральный метод оценки выходных реакций цифровых схем и корреляционный метод.

Глава2.

Практическая реализация системы обучения методам компактного тестирования.

2.1 Реализация графического интерфейса.

Программа написана под операционную систему Windows 95. Так как сама операционная система Windows 95 является графической, то интерфейсы программ написанных под эту систему похожи друг на друга. Вследствие этого обучение работе с данной программой облегчается. Графический интерфейс построен таким образом, чтобы пользователю было, как можно удобнее и понятней работать с программой. Все необходимые команды доступны через главное меню. Главное меню — это специальная панель инструментов, расположенная в верхней части экрана, которая содержит такие меню, как: Файл, Редактировать, Полином, Состояние, Диагностика, Анализ, Стоп. Через эти меню становятся доступны основные функции программы. На главной форме расположены кнопки логических элементов, генераторов, индикаторов.

Интерфейс программы состоит из трёх форм:

1. Главной формы, на которой расположены меню и все элементы необходимые для работы цифровых схем.

2. Форма свойств элементов. Отображает свойства элемента при его выделении.

3. Форма «Конструктор» - на ней строятся цифровые схемы.

2.2 Разработка и реализация алгоритма моделирования цифровых схем.

Разработанная система обучения может быть представлена в виде системы, основными функциональными узлами которой являются генераторы тестовых последовательностей, блок моделирования исследуемых схем, блок отображения и обработки выходных реакций и сжатия информации, блок ошибок, блок определения вероятностей не обнаружения ошибок:

Результат тестирования

Моделирование сложных логических схем на большом числе входных наборов эффективно можно осуществлять только при помощи ЭВМ. Для того чтобы смоделировать работу устройства на ЭВМ, необходимо описать математическую модель этого устройства.

Для моделирования цифровых схем, прежде всего, необходимо описать схему, для этого была смоделирована математическая модель описывающая цифровые схемы под данную систему.

Каждый элемент схемы это объект, который имеет порядковый номер на схеме, тип, списки входов и выходов. Каждый вход элемента хранит информацию о предыдущем элементе. Вследствие этого каждый элемент может определить логическое состояние предыдущего, его тип, порядковый номер на схеме, выход с которым он соединён.

Линии, соединяющие входы и выходы элементов являются такими же объектами, как и элементы цифровой схемы, за исключением того, что линия имеет только один вход и один выход, и не выполняет логических функций.

В программе реализованы все типы логических элементов, вследствие этого можно построить большое количество разнообразных цифровых схем.

Программа была написана при помощи объектно-ориентированного языка Паскаль в среде Delphi 3.

Объектно-ориентированный язык программирования характеризуется тремя основными свойствами:

· Инкапсуляция - это объединение записей с процедурами и функциями, работающими с полями этих записей, которое формирует новый тип данных - объект.

· Наследование - определение объекта и дальнейшее использование всех его свойств для построения иерархии порождённых объектов с возможностью для каждого порождённого объекта, относящегося к иерархии, доступа к коду и данным всех порождающих объектов.

· Полиморфизм - присваивание определённому действию одного имени, которое затем совместно используется по всей иерархии объектов сверху донизу, причём каждый объект иерархии выполняет это действие характерным именно для него способом.

Каждый элемент на схеме, будь это линия, логический элемент, генератор или индикатор - это есть отдельный объект. Иерархия объектов представляется в виде:

BassClass - базовый класс для всех элементов электрической схемы. В нем задаются основные логические характеристики элементов схемы. такие как, выходы элемента - ListOutLine, входы элемента - ListInLines, и методы обработки списка линий. А также абстрактный метод Execute, в котором и описываются все действия для моделирования работы логического элемента.

TPaintLogicElem - этот класс является родительским для всех логических элементов схем. Этот класс занимается прорисовкой, перемещением, установкой параметров элементов.

TAnd - логический элемент " И". В процедуре Execute выполняет логическую функцию типа " И".

TAndNot - логический элемент " И-НЕ". В процедуре Execute выполняет логическую функцию типа " И-НЕ".

TOr - логический элемент " ИЛИ". В процедуре Execute выполняет логическую функцию типа " ИЛИ".

TOrNot - логический элемент " ИЛИ-НЕ". В процедуре Execute выполняет логическую функцию типа " ИЛИ-НЕ".

TNOT - логический элемент " НЕ". В процедуре Execute выполняет логическую функцию типа " НЕ".

TGenerator - генератор счетчиковой последовательности;

TMGenerator - генератор М-последовательности.

TIndicator - объект производит вычисление и отображение полученной информации. В нём так же находится модуль вычисления сигнатуры, подсчет количества единиц.

TLine - объект " Линия" соединяет входные и выходные линии элементов.

TPoint - объект " точка".

2.3 Реализация алгоритма, моделирующая работу генераторов тестовых последовательностей.

Генератор счётчиковой последовательности.

На схеме генератор счётчиковой последовательности отображается как:

Генератор М-последовательности

Алгоритмы работы генераторов счётчиковой последовательности описан и М-последовательности описан в [1.3]

2.4 Разработка и реализация модуля моделирующего алгоритм диагностики с использованием компактных методов тестирования.

Для диагностики цифровых схем особый интерес представляют сигнатурный анализ, в частности, многоканальный, в основе построения которого лежит алгоритм сжатия информации, и метод компактного тестирования, использующий алгоритм счета единиц, который находит широкое применение при реализации встроенного тестирования. Поэтому для обучающей системы при моделировании процесса диагностики цифровых схем были выбраны два вышеуказанных метода компактного тестирования.

Сигнатурный анализатор.

Для описания процедуры сжатия информации, основанной на применении сигнатурного анализа, используются различные математические модели и алгоритмы. Наиболее широко используются два алгоритма:

1. Метод свёртки, при котором значение эталонной сигнатуры последовательности, формируемой на любой из полюсов ЦС, в частности и на выходном, получается при обработке её символов по отношению 1.1.

2. Алгоритм деления полинома на полином. При этом в качестве делимого используется поток сжимаемой последовательности данных, описываемых полиномом к(х) степени (l, 1 ), где l-количество бит в последовательности. Делителем служит примитивный полином , в результате деления на который получается частное q(x) и остаток S(x), связанные классическим соотношением вида

где остаток S(x) называется сигнатурой.

Наиболее предпочтительным методом синтеза многоканальных сигнатурных анализаторов является метод, позволяющий синтезировать МСА с произвольным количеством входов и не зависящим от него множеством элементов памяти, определяемым только старшей степенью порождающего полинома . Данный метод основывается на применении примитивного полинома , где m=deg определяет достоверность анализа, а также разрядность формируемых сигнатур.

Для произвольного функционирование одноканального сигнатурного описывается системой уравнений

(2.1)

где содержимое j-го элемента памяти анализатора в к-й такт его работы; значение двоичного символа, поступающего на вход анализатора в к-й такт; коэффициенты, зависящие от вида порождающего полинома .

Из выражения (2.1) следует, что содержимое первого элемента памяти анализатора в (к+1)-й такт его работы определяется как

а в (к+2) –й такт

В общем случае для некоторого k+n-1-го такта можно записать

(2.2)

где - коэффициенты, позволяющие формировать сдвинутую на n тактов копию М-последовательности, описываемую полиномом . Значение определяются как:

Кроме того, численные значения могут быть получены в результате выполнения быстрых формальных процедур.

Коэффициенты определяются следующим образом:

Из выражения (2.2) для можно получить его значение на основании n символов y(k), y(k+1), …y(k+n-1) последовательности {y(k)} и m исходных значений В тоже время указанное выражение используется для построения функциональной схемы сигнатурного анализатора, который в каждый такт обрабатывает n символов последовательности {y(k)}. При этом подобный анализатор будет иметь n входов, что позволяет применять его для контроля цифровых схем, имеющих n выходов, причём n выходных последовательностей в этом случае преобразуются в одну вида:

(2.3)

где значение двоичного символа на v-ом выходе исследуемой цифровой схемы в к-й такт её работы.

Функционирование анализатора, обрабатывающего последовательность (2.3) в соответствии с (2.1) и (2.2), будет описываться следующей системой уравнений:

(2.4)

Использую систему уравнений (2.4), оказывается возможным построение многоканального анализатора, выполняющего за один такт те же преобразования с последовательностью, что и одноканальный за n тактов.

Глава 3.

Описание программы.

Интерфейс программы состоит из трёх окон:

· Главного - на котором находятся все основные функции программы, элементы цифровой схемы.

· Окна свойств, в котором отображается информация об элементе

· Окно " Конструктор" - в нём строится сама цифровая схема.

Для построения цифровой схемы, необходимо поочерёдно нажимая в панели инструментов, на главной форме, на нужный элемент и нажимая на форму конструктора создавать элементы, из которых будет состоять цифровая схема. Элементы можно создавать и размещать в любом порядке, а также добавлять и удалять в уже созданной ЦС.

Чтобы соединить входы и выходы элементов линией, необходимо:

· При наведении курсора мыши на входную ножку элемента, ножка выделяется и нажимая левую кнопку тянем до выходной ножки другого элемента. Как только выходная ножка которую мы хотим соединить также выделится отпускаем кнопку мыши. В результате будет создана линии, соединяющая входную и выходную ножки.

Также соединяется линией точка с входными и выходными ножками элементов.

Для просмотра свойств элементов, достаточно выделить элемент и свойства элемента отобразятся в окне свойств.

В этом окне можно изменять число входов или число выходов, вводить ошибки. В нём также отображается тип элемента и порядковый номер на схеме.

Если в схеме используется генератор М-последовательности, то для него необходимо ввести примитивный неприводимый полином. Для этого в меню выбираем раздел Полином -- > М-генератор и в появившемся окне составляем полином.

Для сигнатурного анализатора, также необходимо составить полином. Из того же пункта меню Полином выбираем Сигнатурный анализатор.

Когда схема будет создана, нажимаем на Анализ. В появившемся окне отображается сигнатура, число единиц, вероятности появления единиц и нулей.

Экспериментальная часть.

В качестве примера рассмотрим схему мультиплексора и получим сигнатуру.

В качестве тестового генератора будем использовать генератор М-последовательности и полином вида:

Для сигнатурного анализатора выберем полином также седьмой степени.

В результате моделирования, получим:

на входе:

на выходе

Сигнатура и число единиц:

Далее, вводим ошибки в схему через окно " Свойства элементов", которое находится в левой части экрана.

Затем из меню Диагностика выбираем " Поиск неисправностей"

В результате мы локализовали неисправные элементы и типы ошибок.