 |
Генерация псевдослучайных чисел
|
|
|
|
Федеральное агентство по образованию
ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра управляющих и вычислительных систем
Основы технической диагностики
Методические указания к лабораторным работам
Факультет электроэнергетический
Специальность 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»
Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»
Вологда
УДК 681.518.54
Основы технической диагностики: методические указания к лабораторным работам - Вологда: ВоГТУ, 2008. - 20 с.
В методических указаниях приведены краткие сведения о методе псевдослучайного тестирования цифровых объектов с использованием процедур сигнатурного анализа. Сформулирован перечень учебно-исследовательских задач, решаемых при создании систем тестового диагностирования. Представлены основные методические приемы, необходимые для реализации заданий лабораторного практикума путем использования программы компьютерного моделирования Electronics Workbench.
Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ
Составители: Андреев А.Н., канд. техн. наук, доцент каф. УВС ВоГТУ
Андреев М.А., ассистент каф. УВС ВоГТУ
Рецензент: Анкудинов В.Б., канд. техн. наук, доцент каф. АВТ ВоГТУ
Введение
Лабораторное сопровождение дисциплины «Основы технической диагностики» для специальностей электротехнического направления требует специализированного дорогостоящего лабораторного оборудования, приобретение которого в существующих условиях финансирования высшей школы представляется весьма проблематичным. В качестве альтернативного варианта в сложившейся ситуации весьма рациональным с точки зрения финансовых затрат является лабораторный комплекс, реализованный на основе современных компьютерных технологий моделирования различных объектов. Наиболее распространенными продуктами в этой сфере являются программы расчета и моделирования электронных схем, являющиеся при этом условно бесплатными.
|
|
|
Одной из подобных программ является Electronics Workbench (продукт фирмы Interactive Image Technologies Ltd.), пользовательский интерфейс которой в максимальной степени приближен к реальным условиям создания и отладки макетных образцов электронных устройств. Модель электрической схемы «собирается» в поле редактирования (моделирования) из элементов, извлекаемых из библиотек, и электрических связей, вводимых по желанию пользователя. Дополнительно в схему включаются измерительные приборы для визуального отображения и документирования получаемых результатов.
Большинство программ моделирования содержат в базах данных информацию как о пассивных элементах электронных устройств (резисторы, конденсаторы, индуктивности) так и активных (диоды, транзисторы, аналоговые и цифровые микросхемы и т.п.) Модели чаще всего представлены эквивалентными схемами. Чем сложнее структура элемента, тем сложнее его эквивалентная схема. Далеко не всегда реализованная схема модели с высокой степенью адекватности соответствует реальному электронному устройству. Абсолютный уровень соответствия может быть оценен лишь путем сопоставления результатов моделирования и физического эксперимента для реально существующего объекта.
Расчеты, выполняемые программами моделирования, базируются на внутренних описаниях схем. Уравнения электрических цепей составляются на основе известных законов (Ома, Кирхгофа) с применением классических методов узловых потенциалов и контурных токов /1/. Полученные уравнения решаются путем применения хорошо известных численных методов. Обычно уравнения решаются для разных видов сигналов, а именно: на постоянном токе (DC – direct current) и на переменном токе (AC - alternating current). Также реализуется режим расчета переходных процессов (Transient).
|
|
|
Результаты расчетов выводятся для анализа в различном виде: традиционном цифровом и графическом. Наряду с классическими измерительными приборами (амперметр, вольтметр) широко применяются другие виртуальные приборы: мультиметр, осциллограф, функциональный генератор, анализатор частотных характеристик, генераторы и анализаторы цифровых сигналов.
Дополнительным положительным моментом применительно к задачам технической диагностики является тот факт, что практически для любого элемента схемы возможно задание дефектов (faults) с целью имитации реальных состояний объекта. Наличие в составе виртуальных инструментальных средств многоканального логического анализатора уже позволяет решать некоторые задачи диагностирования дискретных объектов /2/.
Решение более сложных задач, например тестового диагностирования, требует нестандартных и нетрадиционных подходов. Далее демонстрируется вариант реализации учебного виртуального лабораторного комплекса, в котором реализуется метод псевдослучайного тестирования с применением операций и процедур сигнатурного анализа применительно к цифровым объектам.
Генерация псевдослучайных чисел
Классический вариант генератора псевдослучайных чисел (ГПСЧ) представляет собой регистр сдвига с логическими обратными связями через сумматор по модулю два. Для исследования предлагается схема генератора с заданной разрядностью. На рис. 1.1 приведен вариант восьмиразрядного генератора, реализованного на основе D-триггеров, извлеченных из библиотеки логических элементов (D1.1-D1.8). В качестве элемента цепи логической обратной связи применен элемент исключающее ИЛИ-НЕ (D6). Применение подобного элемента связано с тем, что при инициализации процесса моделирования (включение схемы) все элементы последовательностного типа (триггеры, регистры, счетчики и др.) сбрасываются в нулевое состояние. Использование элемента исключающее ИЛИ в подобной ситуации дает нулевое решение вне зависимости от структуры обратной связи. Для включения состояния «все нули» в состав разрешенных используется та же логическая функция, но с инверсией. При этом состояние «все единицы» отсутствует в выходном коде реализуемого генератора. Пространственно-временная структура генерируемых псевдослучайных чисел, а также период их формирования L зависит от характера обратных связей. Максимальный период (количество генерируемых чисел) определяется выражением 
Lmax=2n–1, где n – разрядность генератора.
|
|
|
При выполнении заданий лабораторного практикума предлагается определить варианты обратных связей, при которых генерируются ПСП максимальной длины. Для достижения указанной цели в схему включен элемент ИЛИ-НЕ (D6), на выходе которого формируется единичный сигнал при нулевых состояниях на всех выходах генератора ПСП. Подобная ситуация возникает при включении схемы и повторяется с периодом L. Двоичный счетчик D3 в связке с индикаторами HL1 и HL2 предназначен для определения и отображения именно этого периода. Вспомогательная схема, реализованная на элементах D4, D5 и D7 обеспечивает выделение третьего по счету интервала формирования ПСП, длительность которого после его окончания фиксируется на цифровых индикаторах. На рис. 1.1 представлен вариант генератора ПСП с трехвходовым элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ в цепи обратной связи.
Рис.1.1 – Схема для исследования свойств генератора псевдослучайных чисел
Локальный эксперимент для заданной разрядности состоит в варьировании точки подключения второго входа элемента D2 к выходам элементов D1.2, D1.3, D1.4, D1.5, D1.6 и D1.7 соответственно и определении периода формируемой ПСП. Результаты локального эксперимента представлены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Результаты локального эксперимента
| Точка подключения на выходе элемента | D1.2 | D1.3 | D1.4 | D1.5 | D1.6 | D1.7 |
| Показания индикатора (шестнадцатеричный формат) | FF | FF | FF | 1D | ||
| Длительность периода L (в тактах формирования) |
По результатам проведенного эксперимента отбираются варианты обратных связей, дающие максимальный период формирования ПСП с целью их дальнейшего использования в качестве генератора псевдослучайных тестов. Инструментальными средствами Electronics Workbench схема генератора ПСП минимизируется графически (преобразуется в иерархический элемент, подсхему). Пространственно-временное распределение формируемых генератором сигналов может быть проанализировано виртуальным логическим анализатором. Трансформированная схема генератора и фрагмент распределения продемонстрирован на рис. 1.2.
|
|
|
Рис.1.2 – Логический анализ пространственно-временной структуры ПСП
|
|
|
