Сигнатурный анализ цифровых устройств - разновидность метода компактного тестирования

 Разновидностью алгоритмических методов контроля является компактное тестирование (КТ). Для запоминания эталонных и фактических выходных последовательностей могут потребоваться значительные объемы памяти, что ограничивает возможность такого подхода, поэтому разрабатываются способы сжатия эталонной и фактической информации об объекте и соответствующие им способы обработки результатов контроля. К ним можно отнести способы, основанные на предоставлении эталонной информации и результатов тестирования в виде значений счета числа тех или иных признаков, содержащихся в выходной последовательности. Примерами могут являться единичные или нулевые значения сигналов, переходы из 1 в 0 или 0 в 1. Выходные последовательности любой длины преобразуются в m – разрядные (m – число разрядов регистра А) коды – сигнатуры. Если удается выбрать значение m, число и характер ОС, чтобы для исправного  ЦУ и для его неисправных модификаций получались разные сигнатуры S_m (R), то путем сравнения последних с эталонными сигнатурами S (R_ЭТ) будет обеспечено как обнаружение дефектов ЦУ, так и их поиск.

При разработке тестов в статистических методах должны быть решены следующие задачи:

-         выбор закона распределения вероятностных значений 1 или

сигналов на входе ЦУ (с МПС);

-         определение длины случайной тестовой последовательности,

обеспечивающей заданную вероятность получения верного результата;

-         выбор функции преобразования выходной последовательности для

получения сигнатуры.

Результатом преобразования исходных последовательностей являются так называемые "сигнатуры", а метод поиска неисправностей с помощью сравнения эталонных и реальных сигнатур в контрольной точке называется методом "сигнатурного анализа". Основным критерием выбора способа получения сигнатур является его точность, с которой метод позволяет выявлять ошибочные двоичные последовательности.

Метод сигнатурного анализа позволяет распространить на дискретные устройства преимущества, свойственные методам проверки  аналоговых устройств. Дело в том, что в аналоговой схеме можно четко указать эталонные значения напряжений и осциллограммы основных сигналов. Сравнивая реальные значения напряжений и осциллограмм с эталонными, можно легко определить точку, где схема начинает неправильно работать.

В дискретных устройствах все сигналы выглядят почти одинаково, и в схемной  документации обычно не содержится информации, необходимой для облегчения процесса поиска. Средства сигнатурного анализа позволяют получить такую информацию для каждой точки дискретного устройства. Их можно применять в качестве сервисного оборудования при эксплуатации и в процессе производства телекоммуникационного оборудования.

В устройствах, где реализован метод сигнатурного анализа, вычисление эталонных сигнатур производится с применением заведомо исправного эталонного устройства.

В качестве входного воздействия для образования сигнатур можно использовать генераторы псевдослучайных чисел и др.

При несовпадении эталонной и реальной сигнатур для локализации неисправности выполняется процедура, при которой последовательно, начиная от места несовпадения, прослеживают по схеме элементы до тех пор, пока не удастся обнаружить элемент с правильными входными, но ошибочными выходными сигналами.

Таким образом, в основе сигнатурного анализа лежит сжатие информации, преобразующее двоичные последовательности любой длины в определенном узле схемы в однозначно характеризующую этот узел сигнатуру из четырех шестнадцатеричных цифр. Его применение для диагностирования основано на том принципе, что исправное цифровое устройство при периодическом возбуждении одного и того же входа будет всегда выдавать одинаковый выходной сигнал, преобразуемый в сигнатуру. Если же этот периодический выходной сигнал отличается от эталонного, то устройство неисправно.

Сравнивая сигнатуру проверяемого узла с эталонной, имеющейся в документации по обслуживанию, можно быстро проверить все устройства. Причину появления неправильной сигнатуры легко обнаружить, проверяя различные точки схемы с обозначенными для них правильными и прослеживая последовательности сигналов. Процедура продолжается, пока удаётся обнаружить элемент с правильными выходными сигнатурами. Этот элемент и будет неисправным.

Данная методика позволяет с высокой точностью локализовать неисправность и не требует высокой квалификации обслуживающего персонала.

Математической основой сигнатурного анализа является способ кодирования  двоичных  последовательностей с использованием циклических кодов. При этом любое двоичное число описывается многочленом, содержащим фиктивную переменную x, в котором каждая двоичная цифра является коэффициентом фиктивной переменной х. Например, двоичной последовательности  1100101 (младший разряд слева) соответсвует многочлен

х⁶ + х⁵ + х² + 1.

Выходной двоичной последовательности с определенного узла цифрового устройства соответствует полином G(x) степени n - 1; где n - число разрядов двоичного кода. В процессе формирования сигнатуры полином P(x), значения которого определяется структурой регистра сдвига с обратными связями в сигнатурном анализаторе. Для формирования четырехразрядной  шестнадцатеричной сигнатуры из всего множества возможных полиномов выбирают Р(х)= х¹⁵+ х¹¹+ х⁸+ х⁶+1, что соответствует обратным связям от 7,9,12 и 16 разрядов.

При делении G(x) на Р(х) получаем частное Q(x) и остаток R(x).

Исходный полином, при этом будет  выглядеть: G (x)=P(x) q(x)  R(x),

где  - знак суммирования по модулю два.

Если в двоичном коде, соответствующем полиному G(x), возникли ошибки, то они вызывают преобразование исходного полинома G(x) в G^'(x).

При этом полином ошибок E₀(x) определяется как: Е₀ (х) =G(x) G^'(x) и

G^' (x)= P(x) Q^'(x) R^'(x)=G(x)+E₀(x)

Ошибки в выходном двоичном наборе не обнаруживаются, если остатки R(x) и R^'(x) совпадают, R(x) = R^'(x). При этом полином E₀(x) делится на P(x) без остатка, и в регистре сдвига сигнатуры совпадают для правильной и ошибочной двоичных последовательностей.

Необходимо отметить, что в настоящее время существуют сигнатурные анализаторы, принцип действия, которых основан на методе сигнатурного анализа, т.е. сжатии длинных двоичных последовательностей в четырехзначные шестнадцатеричные коды - сигнатуры.

Физически данный метод реализуется на линейном сдвиге регистра с обратными связями, сигналы которых суммируются по модулю два с входной последовательностью; необходимо выбрать обратные связи так, чтобы получить генерируемую последовательность максимальной длины с следующей обратной связью: P = x¹⁶+x¹²+x¹⁷+x⁷+1

Регистр синхронизируется теми же тактовыми сигналами, что и обрабатываемая двоичная последовательность. Сигнатуры воспроизводятся, как правило, в алфавите 0, …..9, А, С, U, Н, Р, F, а каждой двоичной последовательности соответствует своя сигнатура. Такой метод обработки информации позволяет отнести сигнатурный анализ к методам компактного тестирования, для которых характерна возможность с помощью сравнительно простых аппаратурных средств наблюдать поведение сложных цифровых (в том числе и микропроцессорных) устройств при стимулировании их достаточно длинными (50 бит и более) тестовыми последовательностями.

При этом правильная сигнатура на выходе цифровой платы или элемента говорит о том, что выдаваемая ими двоичная последовательность - правильная, т.е. соответсвует исправному состоянию. Использование в этих случаях других средств диагностирования не приводит к успеху, так как получаемой информации либо слишком мало (осциллографы, тестеры логического состояния), что не позволяет выявить неправильный бит в используемой двоичной последовательности, либо слишком много (логические анализаторы), что значительно усложняет её правильную интерпретацию.

Сказанное о работе сигнатурного анализатора позволяет снабжать схемы проверяемых устройств эталонными сигнатурами, сравнение с которыми получаемых при тестировании сигнатур помогает специалисту по ремонту цифровых устройств оперативно выявлять неисправный элемент.