СПОСОБ РАЗРАБОТКИ УСТРОЙСТВ ИНТЕРФЕЙСА SERIAL PERIPHERAL INTERFACE Российский патент 2025 года по МПК G06F11/26 G01R31/3185 

Изобретение относится к способам обработки цифровых данных с помощью электрических устройств для обнаружения и исправления неисправностей. Изобретение используется при производстве космических аппаратов АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» для разработки бортовых электронных устройств поддерживающих обмен по интерфейсу Serial Peripheral Interface (SPI) или ему подобным интерфейсам.

Известен способ разработки устройств, описанный в ГОСТ Р 52075-2003 «Интерфейс магистральный последовательный системы электронных модулей. Тестирование серийных образцов интерфейсных модулей, функционирующих в режиме оконечного устройства». Способ позволяет моделировать неисправности при испытаниях устройств, поддерживающих только интерфейс, описанный в ГОСТ, при их разработке, то есть устройств мультиплексного канала информационного обмена (МКИО).

Недостатком данного способа являются низкие живучесть, безотказность и долговечность разрабатываемых устройств (РУ) SPI, ввиду отсутствия функции контроля функционирования РУ SPI в режиме внесения неисправностей синхросигнала, которые могут проявляться в процессе штатной эксплуатации. При разработке РУ SPI невозможно обнаружить определенные виды неисправностей, а значит исправить их в ходе доработки, что напрямую влияет на живучесть, безотказность и долговечность РУ SPI. Это обусловлено отличиями систем синхронизации МКИО и SPI.

Согласно ГОСТ 27.002.89, живучесть – это свойство объекта, состоящее в его способности противостоять развитию критических отказов из-за дефектов и повреждений при установленной системе технического обслуживания и ремонта, или сохранять ограниченную работоспособность при воздействиях, не предусмотренных условиями эксплуатации, или сохранять ограниченную работоспособность при наличии дефектов или повреждений определенного вида, а также при отказе некоторых компонентов.

Согласно ГОСТ 27.002-2015, безотказность – это свойство объекта непрерывно сохранять способность выполнять требуемые функции в течение некоторого времени или наработки в заданных режимах и условиях применения.

Согласно ГОСТ 27.002-2015, долговечность – это свойство объекта, заключающееся в его способности выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях использования, технического обслуживания и ремонта до достижения предельного состояния.

Известен способ испытаний устройств с использованием интерфейса SPI, описанный в статье (Fault Injection Emulation for Systems in FPGAs: Tools, Techniques and Methodology [Электронный ресурс] // Сайт электронной библиотеки PubMed central. 2024. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7922422, [Электронный ресурс] // Сайт журнала Sensors. 2024. URL: https://www.mdpi.com/1424-8220/21/4. Способ позволяет моделировать неисправности на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) при испытаниях устройств, поддерживающих различные цифровые интерфейсы, в том числе SPI.

Недостатком данного способа являются низкие живучесть, безотказность и долговечность РУ SPI, ввиду отсутствия функции контроля функционирования РУ SPI в режиме внесения неисправностей синхросигнала, которые могут проявляться в процессе штатной эксплуатации. При разработке РУ SPI невозможно обнаружить определенные виды неисправностей, а значит исправить их в ходе доработки, что напрямую влияет на живучесть, безотказность и долговечность РУ SPI.

Наиболее близким (прототипом) является способ мутационного тестирования электронной аппаратуры и ее управляющего программного обеспечения с определением локализации мутаций (патент РФ №2661535). Способ позволяет моделировать неисправности на ПЛИС при испытаниях устройств, поддерживающих различные цифровые интерфейсы, в том числе SPI.

Недостатком данного способа являются низкие живучесть, безотказность и долговечность РУ SPI, ввиду отсутствия функции контроля функционирования РУ SPI в режиме внесения неисправностей синхросигнала, которые могут проявляться в процессе штатной эксплуатации. При разработке РУ SPI невозможно обнаружить определенные виды неисправностей, а значит исправить их в ходе доработки, что напрямую влияет на живучесть, безотказность и долговечность РУ SPI.

Для заявленного способа выявлены основные общие с прототипом существенные признаки: разрабатывают устройство SPI; затем, на основе аппаратных модулей, содержащих ПЛИС и внешние каналы ввода-вывода, создают полунатурные модели (ПМ) ранее разработанных устройств SPI; в проекты ПЛИС разработанных ПМ устройств SPI намеренно вносят неисправности, которые имитируют функционирование внешних каналов ввода-вывода ПМ устройств SPI таким образом, как будто имитируемое устройство SPI неисправно; предусматривают возможность активации и деактивации внесенных неисправностей без перекомпиляции проектов ПЛИС; соединяют все разработанные модели по интерфейсу SPI между собой и с устройствами SPI, которые являются объектами испытаний, при этом одно устройство из ПМ и объектов испытаний должно быть ведущим устройством SPI, остальные должны быть ведомыми; проводят испытания при деактивированных неисправностях ПМ с целью оценки правильности функционирования объектов испытаний без присутствия неисправностей; проводят испытания при активированных неисправностях ПМ с целью оценки правильности функционирования объектов испытаний с присутствием неисправностей.

Технической проблемой прототипа являются низкие живучесть, безотказность и долговечность РУ SPI, ввиду отсутствия функции контроля функционирования РУ SPI в режиме внесения неисправностей синхросигнала, которые могут проявляться в процессе штатной эксплуатации. При разработке РУ SPI невозможно обнаружить определенные виды неисправностей, а значит исправить их в ходе доработки, что напрямую влияет на живучесть, безотказность и долговечность РУ SPI.

Поставленная техническая проблема изобретения решается тем, что разрабатывают устройство SPI. Затем, на основе аппаратных модулей, содержащих ПЛИС и внешние каналы ввода-вывода, создают ПМ ранее разработанных устройств SPI. В проекты ПЛИС разработанных ПМ устройств SPI намеренно вносят неисправности, которые имитируют функционирование внешних каналов ввода-вывода ПМ устройств SPI таким образом, как будто имитируемое устройство SPI неисправно. Предусматривают возможность активации и деактивации внесенных неисправностей без перекомпиляции проектов ПЛИС. Соединяют все разработанные модели по интерфейсу SPI между собой и с устройствами SPI, которые являются объектами испытаний. При этом одно устройство из ПМ и объектов испытаний должно быть ведущим устройством SPI, остальные должны быть ведомыми. Проводят испытания при деактивированных неисправностях ПМ с целью оценки правильности функционирования объектов испытаний без присутствия неисправностей. Проводят испытания при активированных неисправностях ПМ с целью оценки правильности функционирования объектов испытаний с присутствием неисправностей. При проведении испытаний, формируют электрический сигнал, имитирующий и содержащий неисправности синхросигнала, генерируемого ведущим устройством SPI и проходящего через все ведомые устройства SPI таким образом, что длительность его периодов изменяется. Выдают сформированный электрический сигнал из ведущего устройства SPI в ведомые. Затем контролируют функционирование ведомых устройств SPI после приема электрического сигнала, содержащего сообщения с внесенными неисправностями синхросигнала, путем осуществления измерений в контрольных точках электрических цепей разрабатываемых и испытываемых устройств SPI. Если РУ SPI, после приема электрических сигналов, содержащих неисправности синхросигналов, функционирует неправильно, то дорабатывают РУ SPI так, чтобы оно функционировало правильно, и снова повторяют процесс испытаний путем обмена электрическими сигналами между ПМ и РУ SPI с проведением соответствующего контроля измерением электрических сигналов. Повторяют итерации доработки и контроля РУ SPI до тех пор, пока оно не будет функционировать правильно. Если обнаруживают, что РУ SPI функционирует правильно, то завершают его разработку и передают его в эксплуатацию потребителями.

Таким образом, реализация вышеописанных алгоритмов позволит проводить испытания и контроль РУ SPI в режиме внесения неисправностей длительности синхросигнала и, по их результатам, обнаруживать неисправности РУ SPI, связанные с их функционированием при нестабильной частоте синхросигнала. Что, в свою очередь, позволяет дорабатывать РУ SPI в части исправления обнаруженных неисправностей – тем самым повысить живучесть, безотказность и долговечность РУ SPI.

Способ осуществляют следующим образом.

Разрабатывают устройство SPI. Разработка заключается в анализе технического задания, проектировании электрических схем, монтаже электрорадиоизделий и прочее. На сегодняшний день, интерфейс SPI применяется в аппаратуре различного назначения, в том числе в бортовой электронной аппаратуре космических аппаратов.

Разрабатывают контрольно-проверочную аппаратуру (КПА) для РУ SPI. Например, такую КПА возможно изготовить из следующей модульной аппаратуры: PXIe-1095 (https://www.ni.com/ru-ru/shop/model/pxie-1095.html), PXIe-8861 (https://www.ni.com/ru-ru/shop/model/pxie-8861.html), NI PXIe-7822 (https://www.ni.com/ru-ru/support/model.pxie-7822.html).

NI PXIe-7822 содержат ПЛИС и внешние каналы ввода-вывода. Из подобных модулей создают необходимое количество ПМ устройств SPI. Применение ПЛИС позволяет имитировать бортовую электронную аппаратуру космических аппаратов в режиме реального времени, без которого невозможно обеспечить полноту контроля при разработке. Далее в проекты ПЛИС разработанных ПМ намеренно вносят неисправности синхросигнала, генерируемого ведущим устройством SPI в виде электрического сигнала и проходящего через все ведомые устройства SPI таким образом, что его длительность изменяется. Предлагается три варианта осуществления неисправностей синхросигнала:

1. Неисправности вносят в ведущее устройство, тогда оно должно быть одной из ПМ (не оригиналом устройства). Данный вид организации процесса испытаний отличается отсутствием аппаратной избыточности и дополнительных временных задержек ввиду отсутствия устройств-перехватчиков, но не позволяет использовать оригинал ведущего устройства, так как его необходимо модифицировать для внесения неисправностей синхросигнала.

2. Неисправности вносят в любые ведомые устройства, тогда они должны быть ПМ (не оригиналами устройств). Данный вид организации процесса испытаний отличается отсутствием аппаратной избыточности и дополнительных временных задержек ввиду отсутствия устройств-перехватчиков, но не позволяет использовать оригиналы ведомых устройств, которые необходимо модифицировать для внесения неисправностей синхросигнала.

3. Неисправности вносят в устройство-перехватчик между ведущим и ведомыми устройствами. Данный вид организации процесса испытаний отличается аппаратной избыточностью и дополнительными временными задержками на перехват сигналов, но позволяет использовать оригиналы ведущих и ведомых устройств, которые нет необходимости модифицировать для внесения неисправностей синхросигнала.

Изменение длительности синхросигнала на стороне ведущего и ведомых устройств осуществляют путем модификации проектов ПЛИС их ПМ таким образом, что при изменении состояния синхросигнала (на true или на false) генератора, реализованного на ведущем устройстве, задерживают передачу этого изменения уровня синхросигнала на определенное потребностями испытаний количество итераций, при этом сохраняя передачу в линию SPI предыдущего состояния синхросигнала. Подобную задержку изменения состояния синхросигнала («перехват») реализуют в проектах ПЛИС ПМ ведущего либо любого количества ПМ ведомых устройств. При внесении неисправностей синхросигнала в дополнительном устройстве-перехватчике, вышеописанную задержку передачи измененного генератором состояния синхросигнала в линию SPI, осуществляют в нем.

Синхросигнал и остальные электрические сигналы SPI передают через внешние каналы ввода-вывода ПМ. Предусматривают возможность активации и деактивации внесенных неисправностей без перекомпиляции проектов ПЛИС при помощи ПО высокого уровня (хост). Это возможно осуществить путем реализации участков кода, отвечающих за внесение неисправностей синхросигнала внутри структур «If» или «Case», переключение исходов которых осуществляется управляющими сигналами, конфигурируемыми из ПО высокого уровня (хост).

Соединяют все разработанные модели по интерфейсу SPI между собой и с устройствами SPI, которые являются объектами испытаний, при этом одно устройство из ПМ и объектов испытаний должно быть ведущим устройством SPI, остальные должны быть ведомыми. В процессе полунатурных испытаний, в единую аппаратно-программную систему, соединенную по SPI или ему подобному интерфейсу, может быть объединено любое количество устройств, ограниченное только конкретным пользовательским протоколом. При этом любое количество из этих устройств может быть заменено ПМ, тогда оставшиеся оригиналы устройств становятся объектами испытаний, то есть испытания направлены на определение их характеристик, связанных с работой в условиях нестабильности синхросигнала. Более того, на ПМ могут быть заменены все устройства, тогда объектом испытаний становится управляющее ПО имитируемых устройств, которое планируется применить в процессе штатной эксплуатации.

Проводят испытания при деактивированных неисправностях ПМ с целью оценки правильности функционирования объектов испытаний без присутствия неисправностей длительности периодов синхросигнала. Далее проводят испытания при активированных неисправностях длительности периодов синхросигнала ПМ с целью оценки правильности функционирования объектов испытаний с присутствием неисправностей. Правильность функционирования определяется технической документацией на объекты испытаний. Например, в технической документации определено что конкретное устройство должно выполнять свои функции при изменении длительности синхросигнала на 1 микросекунду (мкс), тогда сначала определяют выполняет ли объект испытаний свои функции до внесения неисправностей синхросигнала. Если устройство выполняет свои функции правильно, то тогда переходят к внесению неисправностей синхросигнала, приводящей к изменению его длительности и определяют сохранило ли оно свою функциональность.

Предложенный способ позволяет проконтролировать правильность функционирования РУ SPI при нестабильной частоте синхросигнала и, в случае обнаружения неисправностей в этой части – доработать РУ SPI. Итерации доработки и контроля РУ SPI повторяют до тех пор, пока оно не будет функционировать правильно при нестабильной частоте синхронизации. Если обнаруживают, что РУ SPI функционирует полностью правильно, то завершают его разработку и передают его в эксплуатацию потребителями.

Таким образом, реализация вышеописанного способа разработки устройств интерфейса SPI позволяет проводить испытания и контроль РУ SPI в режиме внесения неисправностей длительности синхросигнала и, по их результатам, обнаруживать неисправности РУ SPI связанные с их функционированием при нестабильной частоте синхросигнала. Что, в свою очередь, позволяет дорабатывать РУ SPI в части исправления обнаруженных неисправностей – тем самым повысить живучесть, безотказность и долговечность РУ SPI.

Предложенный способ разработки устройств интерфейса SPI применен при разработке бортовой электронной аппаратуры космических аппаратов АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» и подтвердил повышение ее живучести, безотказности и долговечности.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении живучести, безотказности и долговечности разрабатываемых устройств (РУ). Способ разработки устройств интерфейса Serial Peripheral Interface (SPI), заключающийся в том, что разрабатывают устройство SPI; на основе аппаратных модулей создают полунатурные модели (ПМ) ранее разработанных устройств SPI; в проекты разработанных ПМ устройств SPI намеренно вносят неисправности длительности синхросигналов и соединяют все разработанные модели между собой и с устройствами SPI, которые являются объектами разработки и испытаний; проводят испытания без внесения неисправностей длительности синхросигналов с целью оценки правильности функционирования объектов разработки и испытаний, после чего проводят испытания при намеренно внесенных неисправностях ПМ с целью оценки правильности функционирования объектов разработки и испытаний с присутствием неисправностей; если РУ SPI, после приема электрических сигналов, содержащих неисправности синхросигналов, функционирует неправильно, то дорабатывают РУ SPI и снова повторяют процесс испытаний с проведением соответствующего контроля измерением электрических сигналов до тех пор, пока оно не будет функционировать правильно.

Способ разработки устройств интерфейса Serial Peripheral Interface (SPI), заключающийся в том, что разрабатывают устройство SPI; затем, на основе аппаратных модулей, содержащих программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и внешние каналы ввода-вывода, создают полунатурные модели (ПМ) ранее разработанных устройств (РУ) SPI; в проекты ПЛИС разработанных ПМ устройств SPI намеренно вносят неисправности, которые имитируют функционирование внешних каналов ввода-вывода ПМ устройств SPI таким образом, как будто имитируемое устройство SPI неисправно; предусматривают возможность активации и деактивации внесенных неисправностей без перекомпиляции проектов ПЛИС; соединяют все разработанные модели по интерфейсу SPI между собой и с устройствами SPI, которые являются объектами испытаний, при этом одно устройство из ПМ и объектов испытаний должно быть ведущим устройством SPI, остальные должны быть ведомыми; проводят испытания при деактивированных неисправностях ПМ с целью оценки правильности функционирования объектов испытаний без присутствия неисправностей; проводят испытания при активированных неисправностях ПМ с целью оценки правильности функционирования объектов испытаний с присутствием неисправностей, отличающийся тем, что при проведении испытаний формируют электрический сигнал, имитирующий и содержащий неисправности синхросигнала, генерируемого ведущим устройством SPI и проходящего через все ведомые устройства SPI таким образом, что длительность его периодов изменяется; выдают сформированный электрический сигнал из ведущего устройства SPI в ведомые; затем контролируют функционирование ведомых устройств SPI после приема электрического сигнала, содержащего сообщения с внесенными неисправностями синхросигнала, путем осуществления измерений в контрольных точках электрических цепей разрабатываемых и испытываемых устройств SPI; если РУ SPI, после приема электрических сигналов, содержащих неисправности синхросигналов, функционирует неправильно, то дорабатывают РУ SPI так, чтобы оно функционировало правильно, и снова повторяют процесс испытаний путем обмена электрическими сигналами между ПМ и РУ SPI с проведением соответствующего контроля измерением электрических сигналов; повторяют итерации доработки и контроля РУ SPI до тех пор, пока оно не будет функционировать правильно; если обнаруживают что РУ SPI функционирует правильно, то завершают его разработку и передают его в эксплуатацию потребителями.