Повышение тестопригодности цифровых электронных модулей бортовых систем управления

Актуальность. Одной из проблем при создании авиационных бортовых
систем управления (БСУ) является обеспечение надежности их электронных
модулей и блоков. В составе цифровых электронных модулей (ЦЭМ) бортовых
систем управления используются многослойные печатные платы, на которых
установлены интегральные микросхемы (ИМС) высокой степени интеграции. С
целью уменьшения габаритов ЦЭМ во многих разработках используются
микросхемы в корпусах типа BGA (Ball grid array), к контактам которых после
распайки на плате отсутствует физический доступ. Это делает невозможным поиск
и локализацию дефектов, возникающих в процессе производства и эксплуатации, с
помощью штатных электроизмерительных устройств. При этом количество
выводов одной микросхемы может достигать нескольких тысяч. Особую
сложность при этом вызывает выявление скрытых (латентных) дефектов, которые
могут привести к внезапным отказам оборудования в процессе эксплуатации. В
связи с этим важное значение приобретает задача повышения тестопригодности
ЦЭМ. Тестопригодность – степень доступности устройства для тестовых
воздействий, осуществляемых с целью установления соответствия реального
технического состояния устройства предъявляемым к нему требованиям.
В настоящее время эта задача решается различными аппаратно –
программными и техническими средствами, основанными на применении таких
методов, как функциональный и внутрисхемный контроль, оптическая инспекция,
рентгеновская томография.
Однако указанные методы обладают рядом существенных недостатков, таких
как недостаточная глубина контроля (функциональные тесты), высокая стоимость
оборудования (внутрисхемный контроль), невозможность тестирования в
реальных условиях эксплуатации. В связи с этим ведущие мировые производители
авиационной электроники проявляют повышенный интерес к технологиям
граничного сканирования (ГС), которые реализуются на основе JTAG –
интерфейса, который встраивается в цифровые микросхемы в соответствии с
стандартом IEEE1149.1. Указанные технологии позволяют реализовать
оперативный бесконтактный поиск, локализацию, идентификацию и визуализацию
дефектов как на вновь разрабатываемых принципиальных схемах, так и на
собранных печатных платах.
Среди ведущих мировых фирм, разрабатывающих программно-аппаратные
комплексы граничного сканирования, можно выделить шестерых ведущих
производителей: «CORELIS Inc.», «ASSET Inter Tech Inc.» (США), «GOEPEL
Electronic» (Германия), «ON TAP», «START-STAR» (Израиль), «JTAG
Technologies» (Нидерланды), National Instrument (США).
Вопросы разработки методов диагностики и контроля электронных блоков
систем управления нашли отражение в трудах таких учёных, как А. В. Иванов, А.
И. Городецкий, Л. Д. Курилан, Р. И Грушвицкий, Е П. Угрюмов, И. М. Ильин, Г. И.
Чхутиашвили. При этом следует выделить труды И. Г. Коршенбойма, П. Эйндена,
Р. Р. Убара, А. Ютмана и ряда других.
Проведенный анализ схемотехнических и конструктивных решений
цифровых электронных модулей и блоков БСУ отечественных самолетов SuperJet
100, показал, что их разработка базировалась, в основном на традиционных
эристических подходах и не учитывала возможностей повышения надежности,
контроля и диагностики функционирования изделий за счет использовании
современных средств ГС, имеющихся в составе применяемой элементной базы.
Кроме того, выявлен ряд ограничений существующих аппаратно – программных
средств ГС в части диагностики латентных дефектов, локализации дефектов
монтажа ИМС в BGA корпусах, включенных по схеме «горячего» резервирования,
поэлементной диагностики функциональных модулей БСУ, основанных на
комплексном использовании различных физических принципов. Решение
указанных задач не нашло отражения в известных публикациях и практических
разработках, что существенно снижает возможности повышения надежности ЦЭМ.
На основании изложенного можно заключить, что тема диссертационной
работы, связанная с разработкой, теоретическим обоснованием и внедрением
новых схемотехнических приемов диагностики электронных модулей в сочетании
с аппаратно – программными средствами граничного сканирования и направленная
на повышение надежности бортовых систем управления является актуальной,
имеющей важное значение для науки и практики.
Область исследований – цифровые электронные модули блоков бортовых
систем управления.
Объект исследований – методы и технические средства повышения уровня
тестопригодности ЦЭМ самолета SuperJet 100 на основе аппаратно-программных
средств граничного сканирования.
Цель работы – разработка, теоретическое и экспериментальное обоснование
схемотехнических приемов, алгоритмов и программных средств повышения
тестопригодности высокоинтегрированных цифровых электронных модулей на
основе метода ГС, обеспечивающих повышение надежности БСУ.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить
следующие задачи:
– провести обзор и сравнительный анализ существующих методов
проектирования и производственной диагностики электронных блоков БСУ;
– разработать обобщенный алгоритм тестопригодного проектирования и
производственной диагностики цифровых электронных бортовых систем
управления на основе сквозного применения метода граничного сканирования;
– разработать конструкцию и методику многоуровневой диагностики
оптоэлектронного цифрового преобразователя угла с использованием метода
граничного сканирования;
– разработать способ и конструкцию микропроцессорного устройства
дефектов короткого замыкания ИМС в BGA корпусах, включенных по схеме
«горячего» резервирования;
— разработать схемотехнические и программные средства обеспечения
диагностической доступности компонентов электронных модулей с
нестандартными уровнями логических сигналов и рабочими частотами, в 5-6 раз
превышающими максимальную рабочую частоту диагностического оборудования;
– провести экспериментальные исследования по выявлению возможности
локализации мерцающих дефектов в процессе вибрационных испытаний
Научной новизной обладают следующие результаты диссертации:
– алгоритм создания ЦЭМ бортовых систем управления, предусматривающий
сквозное использование метода граничного сканирования на этапах разработки их
принципиальной схемы, конструкции и диагностики функционирования.
– методика локализации дефектов короткого замыкания выводов микросхем,
подключенных к цифровой шине передачи данных по схеме двукратного
резервирования, основанная использовании разработанных таблиц управления
состояниями JTAG ячеек каждой из трех параллельно включенных микросхем и
контроле значений токов в линиях связи между узловыми точками для семи
вариантов дефектов короткого замыкания.
– методика двухуровневой диагностики оптоэлектронного цифрового
преобразователя угла с использованием управляющих цепей граничного
сканирования, обеспечивающая контроль работоспособности устройства как на
уровне каналов формирования значений разрядов выходного кода, так и на уровне
отдельных функциональных элементов принципиальной схемы.
-впервые экспериментально доказана возможность выявления с помощью
аппаратно-программных средств граничного сканирования «мерцающих»
дефектов электронных модулей в процессе вибрационных испытаний изделий;
показано, что в диапазоне частот вибрации 0…1кГц вероятность обнаружения
дефектов равна единице уже после выполнения трех циклов тестирования.
Определены зависимости между числом циклов тестирования и вероятностью
обнаружения дефектов
Материалы диссертации являются обобщением результатов НИОКР,
выполненных при непосредственном участии автора по заказу АО «УКБП», г.
Ульяновск в период с 2013 по 2018 г.
В качестве базового средства ГС для проведения экспериментов в работе
использовался аппаратно- программный комплекс «JTAG ProVision».
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы
методы интегрального и дифференциального исчисления, Булевой алгебры, теории
погрешностей. В процессе моделирования и проведения численных экспериментов
на ПК использовались пакеты программ MathCad, Altium Designer, JTAG ProVision,
WorkBench, «Компас 3D».
Достоверность полученных теоретических результатов и выводов
подтверждена результатами численного моделирования и экспериментальных
исследований макетных образцов ЦЭМ, разработанных на основе ИМС в BGA
корпусе с использованием предложенных в работе схемотехнических,
конструктивных и программных средств увеличения тестового покрытия, поиска и
локализации производственных дефектов базирующегося на сквозном применении
методик граничного сканирования.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе
методика тестопригодного проектирования и разработки ЦЭМ бортовых систем
управления, предусматривающая использование метода граничного сканирования
на этапах разработки принципиальной схемы, конструкции и производственной
диагностики внедрены в АО «УКБП» в виде:
-унифицированного стенда для производственной диагностики электронных
модулей МВД-10, МПР-15, МВФ-5 самолета SuperJet 100,
– предложений к стандарту предприятия по разработке ЦЭМ, введенных в
действие на предприятии в виде руководящего материала РМ-103 2016
«Тестопригодное проектирование и диагностика электронных модулей на основе
метода граничного сканирования с использованием JTAG – интерфейса»
– модернизированной электрической принципиальной схемы и топологии
печатной платы электронного модуля МВФ-5.
– в учебном процессе Самарского университета по дисциплине
«Автоматизированные средства контроля и управления электронных средств».
Практическая значимость результатов. Разработанные на основе метода
граничного сканирования методики, алгоритмы и математические модели и
технические средства позволяют обеспечить повышение надежности электронных
модулей бортовых систем управления за счет увеличения глубины контроля и
диагностики, а также значительно сократить экономические затраты и время на
поиск и локализацию производственных дефектов.
На защиту выносятся:
– алгоритм создания ЦЭМ бортовых систем управления, предусматривающий
сквозное использование метода граничного сканирования на этапах разработки их
принципиальной схемы, конструкции и диагностики функционирования;
– методика локализации дефектов короткого замыкания выводов микросхем,
подключенных к цифровой шине передачи данных по схеме двукратного
резервирования, основанная на использовании разработанных таблиц управления
состояниями JTAG ячеек каждой из трех параллельно включенных микросхем и
контроле значений токов в линиях связи между узловыми точками для пяти
вариантов дефектов короткого замыкания;
– методика двухуровневой диагностики оптоэлектронного цифрового
преобразователя угла, обеспечивающая контроль работоспособности устройства
как на уровне каналов формирования значений разрядов выходного кода, так и на
уровне отдельных функциональных элементов принципиальной схемы;
– схемотехнические и программные средства обеспечения диагностической
доступности компонентов электронных модулей с нестандартными уровнями
логических сигналов и рабочими частотами, в 5-6 раз превышающими
максимальную рабочую частоту диагностического оборудования;
– результаты экспериментальных исследований по выявлению с помощью
аппаратно-программных средств граничного сканирования «мерцающих»
дефектов электронных модулей в процессе вибрационных испытаний изделий, а
также зависимости между числом циклов тестирования и вероятностью
обнаружения дефектов в диапазоне частот вибрации 0…1кГц.
– результаты разработки стендов и методик экспериментального
обнаружения дефектов короткого замыкания с помощью специализированных
электромагнитных датчиков и тепловизионных средств, а также тестирования
высокочастотных микросхем с помощью более дешевых низкочастотных средств
граничного сканирования.
Работа соответствует п.4 паспорта научной специальности 05.13.05
«Разработка научных подходов, методов, алгоритмов и программ,
обеспечивающих надежность, контроль и диагностику функционирования
элементов и устройств вычислительной техники и систем управления».
Апробация материалов диссертации проводилась на следующих научно –
технических конференциях:
– Первая всероссийская конференция пользователей систем JTAG
Technologies, Санкт – Петербург, 2015г.;
– IV Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные
проблемы ракетно-космической техники» (IV Козловские чтения), Самара, 2015г.;
– Международный симпозиум «Надежность и качество 2016», Пенза, 2016г.;
– I Международная научно-техническая конференция «Проблемы получения,
обработки и передачи измерительной информации», Уфа, 2017г.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 11 научных работах в
том числе 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. По результатам исследований
получено 4 патента.

В работе проведен комплекс исследований по разработке, теоретическому и
экспериментальному обоснованию схемотехнических приемов, алгоритмов и
программных средств повышения тестовой доступности высокоинтегрированных
цифровых электронных и оптоэлектронных модулей на основе метода ГС,
обеспечивающих повышение надежности цифровых электронных модулей БСУ.
При этом получены следующие основные результаты и выводы:
1. Разработан алгоритм тестопригодного проектирования ЦЭМ,
базирующийся на сквозном использовании метода граничного сканирования,
включающий в себя этапы составления технического задания, выбора элементной
базы для тестопригодного проектирования, разработки принципиальный схемы и
топологии печатной платы, расчета тестопригодного покрытия и
производственной диагностики ЦЭМ. Разработанный алгоритм внедрен в АО
«УКБП» в РМ 103-2016 «Тестопригодное проектирование и диагностика
электронных модулей на основе метода граничного сканирования с
использованием JTAG-интерфейса», внедрен приказом генерального директора по
предприятию № 59 от 12.02.2017.
2. Разработаны и защищены патентами конструкция и методики
двухуровневой диагностики оптоэлектронного цифрового преобразователя угла с
использованием дополнительного микроконтроллера и управляющих цепей
граничного сканирования, обеспечивающая контроль работоспособности
устройства как на уровне каналов формирования значений разрядов выходного
кода, так и на уровне отдельных функциональных элементов принципиальной
схемы.
3. Впервые разработаны и защищены патентом методика и устройство
локализации дефектов короткого замыкания выводов микросхем в корпусе BGA,
подключенных к цифровой шине передачи данных по схеме двукратного
резервирования. Разработаны схемы контроля, таблицы для управления
состояниями JTAG ячеек и рассчитаны численные значения токов короткого
замыкания для семи наиболее вероятных вариантов короткого замыкания.
Значения рассчитанных токов подтверждены результатами экспериментальных
исследований.
4. Показано, что для локализации дефектов короткого замыкания
контактами ИМС, включенными по схеме двойного резервирования могут быть
использованы как тепловизионные средства контроля распределения температуры
по поверхности ИМС, так высокочувствительные электромагнитные датчики тока.
5. Предложены схемотехнические приемы, обеспечивающие
диагностическую доступность компонентов электронных модулей с
нестандартными уровнями логических сигналов и рабочими частотами, в 5-6 раз
превышающими максимальную рабочую частоту имеющихся у заказчика
аппаратно-программных средств ГС. Показано, что использование указанных
приемов для диагностики референсных модулей позволило обойтись без
использования дополнительного дорогостоящего анализатора шин данных (МВД)
и повысить тестовое покрытие модуля МВФ с 62% до 91%.
6. Впервые экспериментальным путем использованием имитатора
дефектов короткого замыкания и холостого хода получена относительная оценка
эффективности средств граничного сканирования для поиска и локализации
мерцающих дефектов при вибрационных испытаниях. Доказано, что для
однозначного определение дефектов типа «КЗ» и «обрыв» на частотах от 0 до 1КГц
достаточно трех циклов диагностики. При этом длительность одного цикла
диагностики не превышала 2с.
Таким образом, задачи, поставленные в настоящей работе – решены, цель
работы – достигнута.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АОИ – автоматическая оптическая инспекция
АЦП – аналогово-цифровой преобразователь
БСУ – бортовые системы управления
ВФ – внешние факторы
ВЧ – высокочастотный
ГС – граничное сканирование
ИВ – имитатор вибраций
ИМС – интегральная микросхема
КЗ – короткое замыкание
КЭМ – ключ электромагнитный
МВД – модуль ввода данных
МВФ – модуль видео формирователя
МК – микроконтроллер
НЧ – низкочастотный
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
ОЦПУ – Оптоэлектронный цифровой
преобразователь угла
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
ПК – персональный компьютер
ПО – программное обеспечение
ПП – печатная плата
РМ – руководящий материал
РЭС – радиоэлектронные средства
СБИС – сверхбольшие интегральные схемах
ФУ – фотоусилитель
ХХ – холостой ход
ЦЭМ – цифровой электронный модуль