Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.

 

Визуализация при диагностировании сложных  цифровых устройств

 

Н.В.Борисенко, Т.А.Деменкова

 

       В статье рассматривается работа многоканального  визуализатора логических сигналов,  который может использоваться    в процессе наладки  цифровой аппаратуры для задач, где использование логических анализаторов не является оптимальным. Описываются особенности прибора, принцип действия и области применения.

 

      Для диагностики цифровой техники применяется широкий спектр быстродействующей аппаратуры: запоминающие осциллографы, генераторы последовательностей, логические анализаторы и т.п. Данные инструментальные средства позволяют фиксировать кратковременные события, происходящие в микросекундных и наносекундных временных диапазонах. На практике разработчикам цифровой аппаратуры нередко приходится сталкиваться с потребностью визуального наблюдения функционирования испытуемой системы. Человеческое восприятие рассчитано на фиксацию одиночных световых или звуковых воздействий длительностью не менее 0,1с. Таким образом, визуальное наблюдение за системой актуально для задач отладки на низких частотах, не превышающих 10Гц. Ниже рассматривается возможность создания диагностического устройства, позволяющего визуально контролировать низкоскоростные процессы в испытуемой системе. Так как подобное инструментальное оборудование имеет сходство с логическим анализатором, назовем его визуализатором логических сигналов.

      Логический анализатор является многоканальным диагностическим оборудованием, предназначенным для высокоскоростного сбора данных о поведении исследуемой дискретной системы и представления этих данных в удобной для восприятия человеком форме. Обобщённая структурная схема логического анализатора приведена на рис.1. Принцип работы анализаторов заключается в автоматическом сборе данных на высокой скорости и выводе результатов измерения при совпадении события на входах прибора с эталонным событием, описанным пользователем.

     Для статичного отображения результатов измерения при высокоскоростном сборе данных необходим блок буферного запоминающего устройства – ЗУ, требуемый для временного хранения данных. Логический компаратор управляет процессом сбора. В режиме ожидания срабатывания компаратора поступающие на вход данные непрерывно записываются в буферное ЗУ. При совпадении входной последовательности с эталоном происходит срабатывание логического компаратора и сбор данных приостанавливается для вывода результатов измерения.

     В течение сбора данных проводятся многократные измерения, количество которых ограничено объёмом буферного ЗУ. Это позволяет выводить на средства индикации результаты как предшествующих, так и более поздних по отношению к моменту срабатывания измерений в виде временных диаграмм, таблиц состояний и гистограмм частот повторений. Для отображения результатов в перечисленных формах представления требуется графический индикатор или дисплей. В связи с этим получили распространение анализаторы, сопрягаемые с персональным компьютером и использующие его для настройки и вывода на экран результатов измерений.

       В процессе наладки цифровой аппаратуры часто возникает необходимость проведения измерений в статическом режиме или при функционировании на низких частотах. Для подобных задач применение логических анализаторов не оптимально, вследствие их ориентации на скоростной сбор данных, сложности и высокой стоимости. Кроме того, анализатор нуждается в крупногабаритном графическом дисплее, способном отобразить диаграммы, таблицы и графики.

      Рассматриваемый ниже пример визуализатора может быть реализован в виде малогабаритного устройства с простым эргономичным интерфейсом. Основной целью визуализатора является прямое отображение на средствах индикации процессов, происходящих на его входах. Визуализатор, подобно анализатору, представляет собой многоканальный прибор. Все каналы визуализатора функционально идентичны и независимы между собой. Отличием от анализатора является отсутствие буферной памяти, в которой сохраняются результаты измерений, так как визуализатор выдаёт результаты на средства индикации в режиме реального времени (без буферизации). Визуализатор, как непрерывно действующий прибор, не нуждается в останове или запуске измерений, из-за чего отпадает необходимость в эталонном регистре и логическом компараторе. Единовременное отображение единственного результата измерений позволяет использовать простой малогабаритный индикатор.

 

 

 

 

Рис. 1. Структурная схема логического анализатора

 

     

   

 

На рис.2 представлена структурная схема визуализатора.

 

 

Рис. 2. Структурная схема логического визуализатора

 

       Рассмотрим основные функциональные блоки устройства. Аналоговый компаратор с источником опорного напряжения порога срабатывания, как и в анализаторе, отвечают за чёткое разделение высокого и низкого уровней входных сигналов. Генератор частоты отображения является источником низкочастотного тактового сигнала блока управления индикатором, реализующим световые эффекты, возникающие на индикаторе. Блок фиксации изменений регистрирует  переходные процессы, происходящие на каждом канале устройства, и обеспечивает отображение этих процессов в очередном такте работы при выводе результатов измерений на индикатор. За функционирование визуализатора в большей части отвечает блок управления индикатором, формирующий реакцию устройства на поданные входные сигналы. Важным фактором, регламентирующим реакцию визуализатора, является её устойчивая фиксация органами восприятия человека. При отладке цифровых устройств визуальному контролю поддаются события смены состояния линии связи и непосредственно состояние данной линии. Событием может являться передний (положительный) или задний (отрицательный) фронт сигнала. Состояний сигнала линии связи цифровой аппаратуры может быть несколько:

·        высокий уровень, близкий к напряжению питания выхода;

·        низкий уровень, близкий по напряжению к нулевому потенциалу;

·        третье состояние, при котором напряжение на линии находится в пределах напряжения питания и не определено;

·        слабый высокий уровень, формируемый резистором, подтягивающим потенциал к напряжению питания;

·        слабый низкий уровень, формируемый резистором, подтягивающим к нулевому потенциалу.

       Инструментальными средствами при условии минимизации оказываемого ими воздействия на испытуемую систему регистрируются только высокий и низкий уровни сигнала. Третье состояние трактуется как низкий или высокий уровень в зависимости от реально присутствующего на линии связи потенциала. Слабый высокий и слабый низкий уровень воспринимаются инструментальными средствами как высокий и низкий уровень соответственно. Из вышесказанного можно определить состояния индикаторов одного канала визуализатора. Выделим следующие три состояния:

·        высокий уровень;

·        низкий уровень;

·        смена состояния.

     Предполагается, что индикаторы одного и того же канала прибора могут находиться в одном из перечисленных состояний. Следует заметить, что переходные процессы в цифровых устройствах даже невысокого быстродействия столь кратковременны, что их длительности недостаточно для фиксации органами чувств человека. Для обеспечения визуального наблюдения переходных процессов визуализатор обеспечивает отображение смены состояния в течение устойчиво воспринимаемого человеком временного интервала. Для комфортного наблюдения события его длительность должна составлять 0,25-0,1с. Следовательно для отображения переходного процесса визуализатор может выводить на индикаторы «смену состояния» в течение 0,25 с. При наличии на входе канала часто повторяющегося переходного процесса, частота которого превышает 4Гц, визуализатор выводит на индикатор «смену состояния» непрерывно или в виде привлекающего внимание мигания. Кроме описанных возможностей в визуализаторе может быть реализована фиксация переходных процессов на триггере, устанавливаемом по смене состояния и сбрасываемом пользователем, а также счётчик количества прошедших переходных процессов.

      В качестве индикации для визуализатора с небольшим числом каналов можно применить светодиоды различного цвета свечения, отвечающие за отображение разных состояний. При использовании распространённых светодиодов красного, жёлтого и зелёного свечения осуществляется индикация состояний трёх типов. Соответствие состояния канала визуализатора цвету свечения индикаторов приведено в табл. 1.

 

Таблица 1

 

Режим индикации

Состояние канала

Красный светится

             Низкий уровень

            Зелёный светится

Высокий уровень

            Жёлтый светится

Смена состояния

            Жёлтый мигает

       Периодический переходный процесс

 

      Разработанный согласно приведённому описанию многоканальный прибор позволяет упростить и ускорить отладку сложных цифровых устройств.

 

Литература

 

1.        Перцовский М., Воробьёв Е., Трифонов А. Применение логических анализаторов в тестировании цифровой техники. -  СТА 2, 2000.

2.        Контрольно-измерительное оборудование. Каталог 2007. - Agilent Technologies, Inc. 2007.



Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.