Способ определения состояния цифровых устройств

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к электронным схемам общего назначения и в частности может использоваться при определении вида технического состояния цифровых устройств с обнаружением и локализацией различных дефектов. Техническим результатом изобретения является разработка способа определения состояния цифровых устройств, позволяющего обнаружить сбои и перемежающиеся одиночные и краткие отказы. Способ включает формирование случайной цифровой последовательности, ее преобразование по установленному закону в цифровом устройстве и осуществление преобразований сигналов, по результатам которых принимается решение о состоянии устройства. Предложены преобразования сигналов, позволяющие обнаруживать сбои и перемежающиеся одиночные и кратные отказы. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к электронным схемам общего назначения, и в частности может использоваться при определении вида технического состояния цифровых устройств с обнаружением и локализацией различных дефектов.

Толкование терминов, используемых в заявке: Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта (ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины определения).

Сбой - самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора (ГОСТ 27.002-89).

Перемежающийся отказ - многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера (ГОСТ 27.002-89.).

Кратный отказ - отказ системы, заключающийся в нарушении работоспособности более одного элемента.

Решетчатое распределение - величина ζ имеет решетчатое распределение, если она дискретна и все ее возможные значения имеют вид a+k·h, k=0,±1,.... Величина h называется шагом распределения (Справочник по теории вероятностей и математической статистике/ Королюк В.С., Портенко Н.И., Скороход А.В., Турбин А. Ф. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985, с. 20-21).

Известны способы определения состояния цифровых устройств (см., например, кн.: Автоматизация диагностирования электронных устройств/ Малышенко Ю. В. , Чипулис В.П., Шаршунов С.Г./ Под ред. Чипулиса В.П. - М.: Энергоатомиздат, 1986 - 216 с.), включающие формирование тестовой последовательности, ее преобразовании по установленному закону, запоминании преобразованной последовательности и сравнении ее с рассчитанной ранее. Отличие в преобразованной и рассчитанной последовательностях свидетельствует об отказе или сбое. Однако известные способы-аналоги не позволяют обнаруживать перемежающиеся одиночные и кратные отказы (сбои).

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому способу определения состояния цифровых устройств является способ, описанный в книге: Технические средства диагностирования: Справочник/ Клюев В.В., Пархоменко П. П., Абрамчук В.Е. и др.; Под общ. ред. В.В.Клюева В.В. - М.: Машиностроение, 1989, с. 166-167. Способ-прототип включает при N испытаниях цифровых устройств формирование цифровой случайной последовательности единичных сигналов путем их последовательного N-кратного (где N=1,2,...) вычисления в Z-разрядах (где Z=1,2,...) указанной цифровой случайной последовательности, их суммировании, делении суммарного сигнала на N и определении состояния цифрового устройства путем сравнения полученного сигнала с эталонными значениями. Способ-прототип позволяет при небольших аппаратурных затратах обеспечить динамический режим работы схемы при проверке при сравнительно простом способе генерации случайной последовательности.

Однако способ-прототип имеет недостатки, заключающиеся в отсутствии возможности обнаруживать сбои и перемежающиеся одиночные и кратные отказы.

Целью изобретения является разработка способа определения состояния цифровых устройств, позволяющего обнаруживать сбои и перемежающиеся одиночные и кратные отказы.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения состояния цифровых устройств, заключающемся в формировании цифровой случайной последовательности единичных сигналов при N испытаниях цифровых устройств путем их последовательного N-кратного (где N=1,2,...) вычисления в Z-разрядах (где Z=1,2,...) указанной цифровой случайной последовательности, их суммировании, делении суммарного сигнала на N, дополнительно делении суммарного сигнала на произведение N·Z и одновременно с суммированием единичных сигналов заносят в память позиции единичных сигналов для N испытаний. Затем последовательно из занесенных в память позиций единичных сигналов вычитают суммарный сигнал, деленный на N. Полученные разностные сигналы суммируют, предварительно умножив каждый сам на себя, а затем этот суммарный сигнал делят на N и по полученным результатам вычисляют параметры возможных состояний цифрового устройства Y и K по формулам Y=m₁-d₁/(1-p₁); K=(m₁+d₁/p₁)/Z (1) где Y - минимальное допустимое количество единичных сигналов на выходе цифрового устройства; 0<k≅1 - коэффициент, характеризующий кратность единичных сигналов на выходе цифрового устройства; m₁ - суммарный сигнал, деленный на N; p₁ - суммарный сигнал, деленный на произведение N·Z; d₁ - сигнал, деленный на N, а кратность отказов L при этом определяется по формуле
L=Y+(1-K)·Z (2)
Указанная новая совокупность существенных признаков позволяет обеспечить обнаружение сбоев и перемежающихся одиночных и кратных отказов за счет того, что для решения задачи определения состояния цифровых устройств (ЦУ), для которых применяются последовательные, параллельные и комбинационные соединения элементов, для различных видов диагностирования могут быть применены схемы независимых испытаний на основе усеченных биноминальных распределений, функция распределения которых имеет следующий вид:

где p(ω) - вероятность появления единичных сигналов в любом разряде на выходе ЦУ, ω ⊂ Ω;
Ω - пространство элементарных событий мощностью Z, представляющей разрядность выходной цифровой последовательности единичных и нулевых сигналов (ω₁,ω₂,...,ω_z);
0<K≅1 - коэффициент, характеризующий допустимую кратность единичных сигналов на выходе ЦУ в Z-последовательностях при N-испытаниях;
минимально допустимое количество единичных сигналов на выходе ЦУ в Z-последовательностях при N-испытаниях;
]*[ - "антье", наибольшее целое.

Исходя из приведенных математических соотношений, под усеченным биноминальным распределением понимается закон распределения вероятности появления случайной величины (например, единичных сигналов) при ограничении на число появлений случайной величины (например, запрет определенных комбинаций единичных и нулевых сигналов) в некотором количестве независимых испытаний. Частным случаем усеченного биноминального распределения при начальных параметрах усечения Y=0 и K=1 является биноминальное распределение, описанное, например, в кн. : Справочник по математике (для научных работников и инженеров). Корн Г., Корн Т. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1978, с. 572-573.

Тогда при N-испытаниях ЦУ на его выходе возникают последовательности (ω₁,ω₂,...,ω_z), содержащие различное количество единичных сигналов Y ≅ ζ(ω) ≅ ]KZ[ в каждом испытании, а вероятность возникновения ζ(ω) полностью будет определяться выражением (3). В данных условиях для решения задачи определения технического состояния ЦУ необходимо умение определять числовые характеристики усеченного биноминального распределения, описывающего статистические характеристики сигналов на его выходе. Поскольку случайная величина ζ(ω) является дискретной, имеет решетчатое распределение, то ее математическое ожидание и дисперсия, обозначаемые соответственно Mζ и Dζ, находятся с помощью формул

Доказательство соотношений (4) основано на том, что математическое ожидание любой дискретной величины определяется как сумма Mζ = Σ^]KZ_i=Y^[ζ_i(ω)p_i(ω). Тогда его значение для выражений (4) примет вид

Предположим, что q(ω) = 1 - p(ω), n=]KZ[-Y, j=i-Y. Тогда правая часть (5) примет вид

Произведем в (6) обратную замену переменных. Тогда по определению из (3), а выражение (5) примет вид Mζ = (]KZ[-Y)p(ω) + Y.
В соответствии со свойствами дисперсия Dζ = Mζ² - (Mζ)². Тогда ее нахождение связано с определением второго начального момента ζ(ω). Произведем замену переменных и получим

Учитывая, что по определению (3) после подстановки переменных равна 0, выражение (7) примет вид

Таким образом, справедливость выражений (4) доказана.

Тогда на основе решения системы уравнений, построенной на основе выражений (4), относительно неизвестных параметров усечения K и Y методом подстановки получим следующие выражения:

где Mζ = m₁ _ суммарный сигнал, деленный на N;
p(ω) = p₁ _ суммарный сигнал, деленный на произведение N и Z;
Dζ = d₁ _ сигнал, деленный на N.

Заявляемый способ поясняется чертежами:
- на фиг. 1 показан вариант структурной схемы, реализующей последовательность операций преобразований сигналов заявляемого способа;
- на фиг. 2 приведены 32 пятиразрядные последовательности сигналов на выходе пятиразрядного счетчика в его исправном состоянии;
- на фиг. 3 приведены 32 пятиразрядные последовательности сигналов на выходе пятиразрядного счетчика при его одиночном отказе, проявившемся в появлении единичного сигнала в 3-м разряде;
- на фиг. 4 приведены 32 пятиразрядные последовательности сигналов на выходе пятиразрядного счетчика при его одиночном отказе, проявившемся в появлении нулевого сигнала в 3-м разряде;
- на фиг. 5 приведены 32 пятиразрядные последовательности сигналов на выходе пятиразрядного счетчика при его кратном отказе, проявившемся в появлении единичного сигнала в 1-м разряде и нулевого сигнала в 3-м разряде.

Возможность реализации заявляемого способа определения состояния цифровых устройств объясняется следующим. Изменение суммарного сигнала, деленного на произведение N и Z, - p₁, параметров усечения K и Y говорит об изменении состояния ЦУ и характере его проявления, а именно:
- увеличение величины p₁ говорит о преобладании отказов, проявляющихся в наличии единичных сигналов, а уменьшение - о преобладании отказов, проявляющихся в наличии нулевых сигналов;
- увеличение значения Y свидетельствует об уменьшении числа комбинаций снизу, то есть о появлении отказов или сбоев, проявляющихся в появлении фиксированного единичного сигнала;
- уменьшение значения K показывает о наличии в комбинациях фиксированных нулевых сигналов;
- одновременное изменение Y и K свидетельствует о кратном отказе или сбое.

Из этого следует, что для цифровых устройств, реализующих полную группу векторов (ω₁, ω₂,...,ω_z), величина, определяемая по формуле (2) характеризует кратность отказа (то есть число отказавших элементов).

Суть заявляемого способа можно пояснить на примере пятиразрядного двоичного счетчика (например, описанного в кн.: Справочник по интегральным микросхемам/ Тарабрин Б.В., Якубовский С.В., Барканов Н.А. и др.; Под ред. Тарабрина Б. В. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980, с. 200, 205). В качестве случайной цифровой последовательности могут использоваться как специально сгенерированные сигналы (описанные, например, в кн.: Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: "Энергия", 1971, с. 240), так и рабочие. Преобразование входной случайной последовательности пятиразрядным двоичным счетчиком можно описать биноминальным распределением. Полная группа сигналов на его выходе в исправном состоянии представлена на фиг. 2 и соответствует начальным условиям усечения. В приведенном примере Z=5, а N=32. Тогда, совокупность действий согласно заявляемому способу и представленной фиг. 1 осуществляется следующим образом.

1. В i-й регистр () заносят пятиразрядные преобразованные последовательности, см. фиг. 2.

2. Суммируют занесенные в 32 регистра единичные сигналы и получают значение, равное 80-ти.

3. Делят суммарный сигнал на произведение N и Z, т.е. 32·5=160, и получают величину, равную 0.5, что соответствует величине p₁.

4. Делят суммарный сигнал на N=5 и получают величину, равную 2.5, что соответствует величине m₁.

5. Инвертируют сигнал, соответствующий величине m₁, и получают сигнал, равный (-2.5).

6. Суммируют инвертированный сигнал с сигналом, занесенным в i-й пятиразрядный регистр, где и затем умножают его сам на себя. Например, для сигнала из 3-его регистра: 1-2.5=-1.5, (-1.5)·(-1.5)=2.25, а для 15-го регистра: 3-2.5=0.5, 0.5·0.5=0.25 и т.д.

7. Суммируют 32 сигнала, которые были получены в результате умножения. Получив сигнал величиной 40, делят его на N=32 и значение, равное 1,25, будет соответствовать d₁.

8. Выполнив вычисления по формулам (1), получают значения параметров возможных состояний цифровых устройств, т.е. Y=0 и K=1.

Таким образом, получают значения m₁=2.5, d₁=1.25, p₁=p_1o=0.5, Y=Y_o=0, K= K_o= 1, которые соответствуют исправному состоянию пятиразрядного двоичного счетчика. В дальнейшем при расчете значений параметров возможных состояний цифровых устройств Y и K используется значение p_1o, т.к. этой величиной определяется исходное значение вероятности появления единичного сигнала.

Если произошло изменение технического состояния данного ЦУ, то в результате измерений получены сигналы, изображенные на фиг. 3, что соответствует m₁= 3, d₁= 1.00, p₁=0.6 (p_1o=0.5). На основе выражений (1), используя начальное значение вероятности появления единичного сигнала p_1o=0.5, найдем параметры усечения: Y=1, K=1, что свидетельствует о кратности отказа, рассчитанной по (2), L=1 и его характере - появлении либо фиксированного единичного сигнала на одном из выходов счетчика, либо перемежающегося отказа в виде скользящего единичного сигнала на одном из выходов счетчика, либо о появлении периодического сбоя. Если же в результате измерений получены сигналы, изображенные на фиг. 4, что соответствует m₁=2, d₁=1, p₁=0.4 (p_1o= 0.5), Y=0, K=0.8, L=1, то проявление аналогичных отказов заключается в наличии нулевого сигнала. В ситуации, когда получены сигналы, изображенные на фиг. 5, то m₁=2.5, d₁=0.75, p₁=0.5 (p_1o=0.5), Y=1, K=0.8, L=2, что свидетельствует о кратном отказе двоичного пятиразрядного счетчика, которые характеризуются одновременным присутствием одного единичного сигнала и одного нулевого сигнала. Таким образом, выражения (1) и (2) позволяют определять технические состояния ЦУ, реализующих полную группу векторов разрядностью Z за N испытаний.

Однако имеется ряд образцов устройств (см. Волгин Л.И. Компараторный селектор амплитудно-временных координат пересечений двух процессов.// Радиотехника, 1995, N 6, - с. 109-110; Ананьев А.С., Попов С.И. Синтезатор контрольно-измерительных частот. // Радиотехника, 1995, N 6, с. 17-18; Макаревич О. Б., Спиридонов Б.Т. Цифровые процессоры обработки сигналов на основе БИС. // Зарубежная электронная техника, 1983, N 1. - с. 59-92; А.С. 1660231 (СССР) Дублированная система с задержкой/ Рохмистров А.Н., Лихачев А.М., Юшников С.И., Велигоша А.В., Малофиевский Ю.В.// Опубл. в Б.И., 1991, N 24; А.С. 1580575 (СССР) Приемо-передающее устройство передачи сообщений с импульсно-кодовой модуляцией/ Лихачев А.М., Постюшков В.П., Титов М.А., Кошелев С. А.// Опубл. в Б.И., 1990, N 27; А.С. 1584005 (СССР) Широкодиапазонная передающая антенная решетка/ Лихачев А.М., Постюшков В.П., Кошелев С.А.// Опубл. в Б. И. , 1990, N 29), в которых ЦУ в рабочем режиме имеют номинальные параметры усечения Y_o и K_o, заключающегося в запрете определенных комбинаций (w₁, w₂, . .., w_z) (например, длинных серий единичных и нулевых сигналов), тогда на первом этапе находят числовые характеристики m_1o, d_1o, вероятность появления единичного сигнала p_1o в рабочем состоянии и рассчитывают на основе выражений (1) начальные параметры усечения Y_o и K_o. В этом случае характер неисправностей определяется на основе измерения разностей Y-Y_o, K-K_o и p₁-p_1o, а кратность отказов находится из выражений:

Таким образом, отмеченное дает основание ожидать снижения временных и материальных затрат, связанных с определением технического состояния ЦУ при появлении одиночных и кратных отказов.

Формула изобретения

1. Способ определения состояния цифровых устройств, заключающийся в том, что при N испытаниях цифровых устройств формируют цифровую случайную последовательность единичных сигналов путем из последовательного N-кратного (где N = 1, 2, ...,) вычисления в Z-разрядах (где Z = 1, 2, ...,) указанной цифровой случайной последовательности, их суммировании, делении суммарного сигнала на N и определении состояния цифрового устройства, отличающийся тем, что суммарный сигнал делят на произведение N · Z и одновременно с суммированием единичных сигналов заносят в память позиции единичных сигналов для N испытаний, а затем последовательно из занесенных в память позиций единичных сигналов вычитают суммарный сигнал, деленный на N, полученные разностные сигналы суммируют, предварительно умножив каждый сам на себя, а затем этот суммарный сигнал делят на N и по полученным результатам вычисляют параметры возможных состояний цифрового устройства.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параметры возможных состояний цифровых устройств Y и K вычисляют по формулам
Y = m₁ - d₁/(1-p₁),
K - (m₁ + d₁/p₁)/Z,
где
Y - минимальное допустимое количество единичных сигналов на выходе цифрового устройства;
0 < K ≅ 1 - коэффициент, характеризующий кратность единичных сигналов на выходе цифрового устройства;
m₁ - суммарный сигнал, деленный на N;
p₁ - суммарный сигнал, деленный на произведение N и Z;
d₁ - сигнал, деленный на N,
а кратность отказов L при этом определяется по формуле
L = Y + (1-K) · Z.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5