FYZIKÁLNÍ a FUNKČNÍ METODY DIAGNOSTIKY

transcript

DIAGNOSTIKA A TESTOVÁNÍ ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ 1

1. Fyzikální metody technické diagnostiky.

2. Funkční metody technické diagnostiky.

3. Matematické modely diagnostických objektů.

4. Diagnostické testy. 5. Formy diagnostiky. 6. Periodická diagnostika.

Obsah přednášky

7. Průběžná diagnostika.8. Zobrazení diagnostického testu

pomocí tabulky, postup při testování. 9. Detekční testování. 10. Lokalizační testování.

Obsah přednášky

• Jednotlivé metody rozlišujeme podle typu fyzikálního jevu na kterém je metoda založena

• Základní dělení fyzikálních metod:1. využívající elastických kmitů v materiálu, které

se dále dělí: kmitočtu, aktivní x pasivní 2. založené na využití magnetických a elm. polí se

dále člení podle způsobu vyhodnocování a zobrazování dat

Fyzikální metody diagnostiky

3. založené na využití pronikavého záření (RTG) umožňují odhalit poruchy v materiálu mechanických součástí,

4. založené na využití kapilární elevace5. založené na vyhodnocování teplotních polí

vyhodnocování tepelného namáhání, liší se aparaturami i způsobu zobrazování

Fyzikální metody diagnostiky

• Technický stav je souhrn kvalitativních i kvantitativních údajů o strukturních parametrech daného systému v daném časovém okamžiku.

• Za správný považujeme takový technický stav, kdy hodnoty všech podstatných strukturních parametrů odpovídají jmenovitým hodnotám stanovených výrobcem nebo se liší v toleranci

Diagnostické systémy

• Strukturní parametry – vnitřní vlastnosti systému, – vzájemné uspořádání prvků,– jejich vzájemné působení,– tvary,– rozměry,– mechanická vůle,– vlastnosti materiálu,– velikosti různých fyzikálních veličin, atd.

• Nesprávný technický stav nastane v případě, kdy některý strukturní parametr překročí stanovenou mezní hodnotu.

• Hovoříme pak o poruše, která může (ale nemusí) mít za následek chybu, tedy selhání funkce

• I funkčně jednoduchý diagnostický objekt může být popsán velkým množstvím strukturních parametrů

• Vybíráme ty nejdůležitější a vytvoříme zjednodušený model diagnostického objektu

• Vzniká tak nebezpečí špatné diagnózy

• Přímé určení strukturních parametrů je mnohdy nemožné, proto využíváme nepřímých metod

• Zaměřujeme se na vnější projevy a procesy • Jedná se o fyzikální a chemické procesy, které

označujeme jako funkční procesy.• Kvantitativní hodnocení probíhajících funkčních

procesů provádíme pomocí funkčních parametrů (hluk ventilů je funkční proces, kmitočet, tvar vlny, amplituda takto vznikajícího hluku jsou jeho funkční parametry)

• V některých případech může být vztah mezi funkčním parametrem a strukturním parametrem jednoznačný - nezávislý parametr

• V případě, kdy jsme schopni vyhodnotit strukturní parametr z několika funkčních parametrů jde o závislé parametry

• Funkční parametry vhodné pro diagnostikování jsou diagnostické signály

Diagnostické signály naftových motorů:– výkon– otáčky motoru– otáčky turbodmychadla– teploty výfukových plynů– kouřivost– obsah kovových prvků v motorovém oleji– časový průběh spalovacího tlaku ve válci

Funkční metody diagnostiky

• Uplatňují se v případech, kdy jsou dominantní funkční projevy objektu, přičemž fyzikální děje v nich probíhající nejsou podstatné

• Jsou to objekty, kde vzniklá porucha má za následek chybu funkce, takže rozborem funkce je možné lokalizovat chybu

• Není možné diagnostikovat bez znalosti vnitřního zapojení diagnostikovaného objektu

Příklad: 32bitová sčítačka– bez znalosti vnitřní struktury musíme prověřit 264

kombinací = 1,8.1019

– Budeme-li testovat 1s otestujeme sčítačku za půl milionu let!!!

– Pokud je ale sčítačka realizována paralelní kombinací jednobitových úplných sčítaček, stačí 8 až 10 kombinací vstupních signálů

• Pojem matematický model diagnostického objektu definujeme jako formální popis chování diagnostického objektu ve všech technických stavech

• Může mít formu – analytického popisu vlastností objektu – tabulky– grafického popisu

Matematické modely diag. objektů

• Matematický model diagnostického objektu popisuje vztahy mezi vstupními, vnitřními a výstupními proměnnými.

• Zavedeme následující označení:– symbolem X n-složkový vektor vstupních proměnných

x1, x2, … xn

– symbolem Y m-složkový vektor vnitřních proměnných y1, y2, … yn

– symbolem Z k-složkový vektor výstupních proměnných z1, z2, … zn

• Přenosové vlastnosti diagnostického objektu můžeme vyjádřit funkcí

• Množství poruch v diag. objektu může být značné. Množinu poruch, které budeme v uvažovat značíme symbolem S. Vyskytne-li se porucha si z uvažované množiny S, si Є S, i = 1, 2, 3 .., S, pak říkáme, že se nachází v i-tém poruchovém stavu

),,( tYXZ poč

• Chování diagnostického objektu v i-tém poruchovém stavu popisujeme funkcí

• Popis následujícími rovnicemi označujeme jako explicitní vyjádření matematického modelu diagnostikovaného objektu.

),,( tYXZ ipoč

• Dále je možné stanovit chování diagnostického objektu v poruchovém stavu ze znalosti chování v bezporuchovém stavu a uvažovaných poruch

• Tento popis označujeme jako implicitní vyjádření matematického modelu diagnostikovaného objektu.

• Diagnostický test je základem diagnostického systému

• Je to množina dvojic vzájemně přiřazených vstupních a výstupních signálů nebo vektorů

• Aplikace diagnostického testu je proces, který umožňuje stanovit technický stav objektu na základě rozboru chování objektu

• Jeden vstupní vektor a jemu odpovídající výstupní tvoří krok testu, počet kroků = délka testu

Diagnostické testy

• Diagnostické testy dělíme do dvou kategorií– detekční– lokalizační

• Kvalitu diagnostického testu určujeme pomocí ukazatele diagnostické pokrytí

• Diagnostický test s pokrytím 100% je označován jako úplný test

Diagnostické testy

• Sestavíme-li test s úplným pokrytím, každý další krok již nevede ke zvýšení pokrytí – redundantní kroky testu

• Úplných testů je možné sestavit nekonečně mnoho

• Pokud k danému objektu lze najít řadu různých úplných testů, z nichž není možné, bez ztráty úplnosti vypustit žádný krok, označujeme tyto testy jako neredundantní

Diagnostické testy

• Úplný test, který má minimální délku, se nazývá minimální test– jde o úplný neredundantní test– pro jeden systém je možné najít několik

minimálních testů, které se liší v jednotlivých krocích

– Jedná se o extrémní případ, který se v praxi moc nevyskytuje – ekonomické aspekty

Diagnostické testy

• Opakem minimálního testu je test triviální– Je to test s největší možnou délkou, protože

zahrnuje všechny možné kombinace vstupních proměnných

– Triviální testy se můžou lišit pouze uspořádáním kroků

– Triviální testy jsou vždy testy úplné– Jednoduchá testovací aparatura

Diagnostické testy

• Problém – časová náročnost • Příklad:

– systém s 50 vstupy– potom existuje 250 1015 kroků– při testovacím kmitočtu 1 MHz bychom

potřebovali 109 s 32 let testování

Diagnostické testy

• Slouží k detekci všech poruch v obvodu a určení místa ve kterém se v obvodě poruchy nacházejí

• Takové testy se nazývají lokalizační• Lokalizační testy jsou složitější než testy

detekční• Mírou kvality lokalizačního testu je

diagnostické rozlišení

Lokalizační testy

• Diagnostické rozlišení vyjadřujeme jako nejmenší funkční jednotku, kterou jsme schopni pomocí daného testu rozlišit jako poruchovou

• V praxi není vždy nutné a ekonomické vyžadovat maximální rozlišení

Lokalizační testy

• Podle způsobu volby následujícího kroku dělíme testy na nezávislé a závislé

• V nezávislém testu je vstupní posloupnost dat dána předem a provádí se až do konce

• Závislý test (adaptivní, sekvenční) je charakterizován výběrem následujícího kroku v závislosti na výsledku předchozího kroku

• Průběh závislého testu se popisuje ve tvaru vývojového diagramu (diagnostického stromu)

Lokalizační testy

• Proměnlivá délka testu závislá na technickém stavu diagnostikovaného objektu

• Pro detekci poruch je zbytečné sestavovat celý diagnostický strom, protože nemůže být celý využit

• V případě bezporuchového stavu může být délka úplného závislého testu rovna délce minimálního nezávislého testu, protože i závislý test musí být úplný

Závislé testy

Detekční testy se vytvářejí jako nezávislé posloupnosti

Lokalizační testy lze vytvářet jako závislé posloupnosti

Shrnutí

• Pro lokalizaci poruchy slouží slovník poruch, což je soupis kroků testu, jejichž chybná odezva svědčí o přítomnosti poruchy

• Testy, jejichž součástí je měření hodnot zvolených fyzikálních parametrů se označují jako parametrické

• Testy, při nichž se ověřuje pouze správnost logické funkce se nazývají testy funkce

Diagnostické testy

• Podle času, který máme k dispozici pro testování dělíme testy na– statické – dynamické

• Nejjednodušší je statický test funkce• Test, který kontroluje pouze schopnost

obvodu fungovat předepsanou rychlostí označujeme jako dynamický test funkce

Diagnostické testy

• Jsou-li měřeny i délky určitých impulsů, strmosti čel a týlů, vzájemné posuny impulsů jde o dynamický parametrický test

• Všechny výše uvedené testy je možné provádět za mezních podmínek (Ucc ± 10%, teplotou, kmitočtu, vibracemi)

• Tyto mezní testy jsou často úspěšné, protože se za zhoršených podmínek projeví poruchy dříve.

Diagnostické testy

• Množinu diagnostických objektů, které mohou být zkoumány metodami funkční diagnostiky dělíme do skupin.

• Podle charakteru vstupních proměnných– veličiny plynule proměnné (analogové)– proměnné v krocích (diskrétní) – zvláštní skupinou diskrétních veličin jsou binární– hybridní

Diagnostické testy

• Podle charakteru samotného objektu– kombinační– sekvenční (s vnitřní pamětí)

Diagnostické testy

Diagnostické testyDiagnostické

objekty

Analogově proměnlivé

signály

kombinační

sekvenční

Diskrétně proměnlivé

signály

kombinační

sekvenční

Hybridní

kombinační

sekvenční

• Diagnostiku lze provádět několika způsoby:– v závislosti na době provádění,– podle vztahu mezi testovanou jednotkou a diag.

řídícím zařízením (tester, zkoušeč)• Podle doby provádění se dělí diagnostika na:

– periodickou a– průběžnou

Formy diagnostiky

• Název je odvozen od skutečnosti, že se diagnostika provádí v pravidelných intervalech

• Diagnostika se provádí v přestávce během výroby, nebo je přerušení vynuceno

• Perioda by měla být dostatečně malá, aby se minimalizovala případná škoda

• Může být realizována jako vnitřní nebo vnější

Periodická diagnostika

• Vnitřní periodické testy byly využívány především počítači, protože mohly využít jejich programové vybavení

• Díky tomu je tento typ testování digitálních obvodů nejvíce propracován

• Trend – distribuce testů na elementární bloky systému

Periodická diagnostika

• Průběžná diagnostika je založena na nepřetržitém sledování a vyhodnocování signálů během normální činnosti objektu

• Nedochází tak ke ztrátám času na testování• Základem je použití bezpečnostního kódu a

hlídače

Průběžná diagnostika

• Klasická forma průběžné diagnostiky je vnitřní, založená na vestavění hlídačů přímo do funkčního bloku

• Možností realizace vnější průběžné diagnostiky je zdvojení funkční jednotky (RAID) – zabezpečení proti poruchám

Průběžná diagnostika

• Diagnostický test obsahuje velké množství informací.

• Existuje celá řada možností zápisu matematického modelu diagnostického objektu

• Jednou z variant je pomocí p-tabulky• Symbolem pj budeme označovat vždy jednu z

možných vnitřních proměnných, které přiřadíme vnitřní stav objektu

Zobrazení testu pomocí tabulky

• Množinu všech pj označíme symbolem p

• Technický stav objektu označujeme symbolem ei, kde i = 0, 1, 2, …, S je pořadové číslo

• Ke každé poruše si z množiny S přiřazujeme technický stav ei, přičemž e0 označuje nulovou poruchu

• Odezvu objektu, který se nachází v technickém stavu ei, na kombinaci pj označíme Rj

i, kde i je technický stav a j značí množinu p na kterou objekt reaguje

• Formálně platí vztah

• p-tabulku sestavíme tak, že – každému sloupci přiřadíme technický stav ei z množiny E,– každému řádku tabulky jednu kombinaci pj z množiny p a – do každého políčka zapisujeme příslušné odezvy Rj

i z množiny R

)( jii

e0 e1 . . . . ei . . . . e[S]

P1 R01 R1

1 Ri1 R[S]

P2 R02 R1

2 Ri2 R[S]

Pj R0j R1

j Rij R[S]

.P[p] R0

[p] R1[p] Ri

[p] R[S] [p]

• p-tabulka funkčních hodnot představuje zobrazení explicitního modelu diagnostického objektu

• Protože množina p zahrnuje všechny kombinace vstupních proměnných, zobrazuje p-tabulka triviální diagnostický test

• Užitečnost tkví v komplexním pohledu problematiku testování

• p-tabulku můžeme za účelem zrychlení diagnostiky zjednodušit vypuštěním řádků a sloupců

• Problémem je vhodný výběr testů k vypuštění• Počet řádků představuje počet kroků testu a

počet sloupců diagnostické pokrytí• Zjednodušená p-tabulka se nazývá T-tabulka a

zobrazuje konkrétní test

• V případě detekčního testování je výstupem rozhodnutí zda je objekt bezchybný, nebo se v něm nachází chyba

• Máme sestavený detekční test. K zahájení testování potřebujeme generátor vstupní posloupnosti testu.

• Potom můžeme buď naměřené data zaznamenat nebo generovat posloupnost pomocí fyzikálního modelu diag. objektu

Detekční testování

• Model je realizován formou diagnostického etalonu

Detekční testování

Řídící generátor

Paměť vstupní posloupnosti

Diagnostický etalon

Zkoušený objekt

Komparátor

Řídící generátor

Paměť testu Zkoušený objekt

Komparátor

• U lokalizačního testování není možné zkoušení ukončit v momentě detekce neshodných hodnot v testovacím kroku jako u detekčního

• Většinou je zapotřebí více kroků• Pro lepší pochopení - sestavíme triviální test

pro kombinační obvod

Lokalizační testování

• U lokalizačního testování není možné zkoušení ukončit v momentě detekce neshodných hodnot v testovacím kroku jako u detekčního

• Většinou je zapotřebí více kroků• Pro lepší pochopení - sestavíme triviální test pro

kombinační obvod

• Protože má objekt 3 vstupy, máme triviální test osm kroků (23=8)

• Dále stanovíme seznam poruch, které chceme testem detekovat (v tomto případě to budou poruchy typu t0 a t1)

• Nejprve definujeme množinu poruchových stavů objektu a k ní množinu technických stavů.

• Některé poruchy mají stejný vliv na vyhodnotitelnou funkci. • Takové zahrneme pod jeden technický stav ei:

e0 - bezporuchový stavPoruchové stavy jednotlivých funkčních bloků:Invertor I:e1 – zahrnuje poruchy: t1 na vstupu, t0 na výstupue2 – zahrnuje poruchy: t0 na vstupu, t1 na výstupu

Hradlo II:e3 – zahrnuje poruchy: t1 na prvním vstupue4 – zahrnuje poruchy: t0 na prvním vstupu, t0 na druhém vstupu a t1 na

výstupue5 – zahrnuje poruchy: t1 na druhém vstupue6 – zahrnuje poruchy: t0 na výstupu

Hradlo III:e7 – zahrnuje poruchy: t1 na prvním vstupue8 – zahrnuje poruchy: t0 na prvním vstupu, t0 na druhém vstupu a t1 na

Hradlo IV:e11 – zahrnuje poruchy: t1 na prvním vstupue12 – zahrnuje poruchy: t0 na prvním vstupu, t0 na druhém vstupu a t1 na

• V předchozím seznamu nejsou uvedeny vícenásobné poruchy

• Vytvoříme matematický model – pro každý technický stav z množiny E popíšeme chování objektu. Budeme sledovat i signály D, E a G (i když to jsou vnitřní proměnné

Lokalizační testováníe0 e1 e2 e3 e4 e5 e6

P A B C D E F G D E F G D E F G D E F G D E F G D E F G D E F G

p1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1

p2 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1

p3 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1

p4 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0

p5 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1

p6 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1

p7 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1

p8 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0

T-tabulka triviálního testu obvodu

• Triviální test je vždy úplný, má tedy 100% diagnostické pokrytí.

• To, že zkonstruovaná T-tabulka obsahuje úplný test dokážeme tak, že ke každému z poruchových stavů ei kde i = 1,2,3 … 14, najdeme alespoň jednu vstupní kombinaci pj, pro kterou platí Rj

0 ≠Rji

• Hledáme tedy rozšiřující kroky pro všechny dvojice technických stavů e0 – ei, i =1,2 .. 14

e0 – e1→ p1 e0 – e6→ p1 e0 – e11→ p5

e0 – e2→ p3 e0 – e7→ p2 e0 – e12→ p1

e0 – e3→ p1 e0 – e8→ p4 e0 – e13→ p4

e0 – e4→ p5 e0 – e9→ p3 e0 – e14→ p4

e0 – e5→ p7 e0 – e10→ p1

Pro sestavení úplného testu stačí jen 6 kombinací p1 - p5 a p7

• Názornější představu o vlastnostech testu nám může dát jeho grafické zobrazení – strom diagnostického testu, zkráceně diagnostický strom.

• Diagnostický test se skládá z uzlů a větví. • Rozlišujeme tři typy uzlů:

– základní uzel stromu– vnitřní uzly– koncové uzly

Grafické zobrazení pomocí stromu

• Základní uzel stromu zobrazuje množinu E všech technických stavů objektu

• Každá větev, která vystupuje ze základního uzlu, představuje jednu z možných odezev R1

i objektu na první vstupní kombinaci p1 ze vstupní posloupnosti testu.

• První kombinace p1 ze vstupní posloupnosti nám rozdělí množinu E do několika podmnožin.

• Skutečný stav je zahrnut v některé z podmnožin.• Každé z těchto podmnožin přísluší jeden uzel

stromu.• Počet prvků podmnožiny je vždy menší než E,

minimálně jedna.

• pro tento obvod vytvoříme diagnostický strom úplného testu

• výstupní kombinace 1011 může nastat při technických stavech e3 a e6

• proto se značí násobným koncovým uzlem

Grafické zobrazení pomocí stromue0 e1 e2 e3 e4 e5 e6