Средства диагностирования микроконтроллерных систем

Для проведения диагностирования применяются программные, аппаратные и программно-аппаратные средства (рис).

Средства диагностирования

Программные средства диагностирования

Программные средства диагностирования, являющиеся частью системного ПО представляют собой резидентные программы. При прове­дении диагностирования программными средствами следует иметь в виду, что достоверность диагностирования зависит от исправности некоторой час­ти микроконтроллерной системы, достаточной для проведения диагностиро­вания.

Тест исполнительного блока микроконтроллера предназначен для выявления неисправностей механизмов управления и обработки данных блока выполне­ ния команд. Тест реализуется путем исполнения команд с заранее определен­ным результатом их выполнения и последующего сравнения вычисленных результатов с эталонными. В качестве результатов в зависимости от типа проверяемой команды могут выступать содержимое ячейки памяти, флаги слова состояния программы, адрег перехода и т. п. Такие гесты могут состо­ять из детерминированной последовательности команд либо представлять собой псевдослучайные генерируемые последовательности. Одной из про­блем при организации тестирования данного блока является проблема выяв­ления чувствительности к определенным последовательностям команд.

Тесты памяти (ПЗУ и ОЗУ) предназначены для выявления (Ьакта искажения хранимой в памяти информации по причине неисправностей, связанных с дефектами физической структуры элементов памяти (пробои на шины питания, взаимное влияние ячеек и др.).

Тест ПЗУ реализуется с помощью определения контрольной суммы его со­держимого и ее последующего сравнения с эта зонной контрольной суммой, также хранящейся в ПЗУ, полученной перед занесением финальной версии программного обеспечения в память программ. В простейшем случае кон­трольная сумма может представлять собой сумму по модулю 256 всех байтов памяти программ, расположенных в области памяти, подлежащей контролю

Тест оперативной памяти (ОЗУ) реализуется с помощью записи в каждую из подлежащих контролю ячеек тестового слова, последующего чтения содер­жимого каждой ячейки и сравнения ее Фактического содержимого и значения занесенного в нее тестового слова. В качестве тестирующих комбинаций мо­гут выступать; произвольные данные, шахматный код (чередование в записываемом слове нулей и единиц, например, для ячеек емкостью один байт это коды 55, коды "бегущий нуль" и "бегущая единица", при проведе­нии которых для ячейки шириной n бит производится m циклов "запись - чтение" (например, для ячейки емкостью один байт тест "бегущий нуль" представляет собой восемь кодов: 111 111 10, 11111101, 11111011,..., 10111111, 01111111). Для тестирования ОЗУ применяются и другие, более сложно сформированные последовательности.

Тесты периферийных узлов предназначены для выявления неисправностей в специализированных модулях микроконтроллера: портах, аналого-цифровых преобразователях АЦП и др. Такие тесты, как правило, требуют использования дополнительных аппаратных средств для фиксации генерируемых тестом выходных сигналов микроконтроллера либо для подачи на него эталонных воздействий. При тестировании портов ввода-вывода используют коммутатиры, позволяющие подать на разряды портов, использующиеся для ввода информации, сигналы с разрядов портов, использующихся для вывода информации. При тестировании аналого-цифровых преобразователей приме­няются источники опорных напряжении.

Коды с обнаружением ошибок предназначены для повышения надежности функционирования как микроконтроллерной системы в целом, так и ее от­дельных частей, например, последовательных каналов связи и оперативной памяти. Основная идея использования таких кодов состоит во введении ин­формационной избыточности, заключающейся в применении дополнитель­ных служебных разрядов, содержание которых зависит от информационных. При записи кода с обнаружением ошибок служебные разряды формируются по определенным правилам как функция от информационных разрядов. При чтении кода происходит повторное формирование служебных разрядов и их сравнение со сформированными ранее. При использовании достаточной ин­формационной избыточности возможно не только обнаружение факта ошиб­ки, но и определение ее местоположения и исправления.

В качестве примера использования кода с обнаружением ошибок в микро­контроллерных системах приведем второй и третий режимы работы последо­вательного порта микроконтроллера МК-51, при использовании которых в дополнение к восьми информационным разрядам передается девятый бит, которому может быть программно поставлено в соответствие значение бита четности количества единиц в передаваемой посылке.

Аппаратные средства диагностирования

Аппаратные средства диагностирования представляют собой технические устройства, позволяющие проводить поиск отказов в вычислительной сис­теме.

Общетехнические средства, логические пробники, логические пульсаторы и индикаторы тока, а также способы их применения уже были рассмотрены ранее. В дополнение необходимо отметить их сущест­венное значение при невозможности применения более удобных в использо­вании программных средств диагностирования (например, по причине неис­правностей ядра микроконтроллерной системы). Указанные аппаратные средства диагностирования позволяют определить параметры питающего на­пряжения, наличие импульсов системной синхронизации, выдачу сигналов на шины адреса, данных и управления микроконтроллера и диапазон изменения значений этих сигналов, что позволяет сделать некоторые предварительные заключения о причинах неработоспособности ядра системы (неисправности блока питания, блока системной синхронизации, отказ микроконтроллера, искажение программы в памяти и переход в непредусмотренную область па­мяти и т. п.).

Средства тестирования с помощью нагрузок предназначены для преднаме­ренного изменения параметров окружающей среды с целыо анализа влияния этого изменения на работу микроконтроллеров системы Применяются три разновидности такого тестирования — механические, температурные и элек­трические нагрузки.

Использование механических нагрузок заключается в оказании на аппаратуру системы воздействий вибрации и деформации (как правило, деформации кручения). Нагрузки такого типа позволяют определить неисправности со­единительных контактов и проводников (в частности, тонкий разрыв печат­ного проводника при скручивании платы исчезает, восстанавливая утрачен­ное соединение).

Использование температурных нагрузок заключается в оказании на всю ап­паратуру системы либо на ее некоторую часть воздействий повышенных или пониженных температур относительно рабочей температуры эксплуатации изделия. Методика основана на том, что при выработке ресурса у ряда элек­тронных элементов системы сужается диапазон температур, в котором их функционирование является достоверным. Штатное незначительное повыше­ние температуры окружающей среды вследствие прогрева оборудования приводит к отказу таких элементов. Для выявления подобных ситуаций ис­пользуется искусственное повышение и/или понижение температуры печат­ной платы, ее отдельных участков, а затем и элементов либо бесконтактным способом (посредством воздухонагнетающих устройств), либо контактным способом (посредством нагреваемых или охлаждаемых пластин).

Использование электрических нагрузок заключается в изменении значений параметров подаваемых на систему электрических сиг налов. Данный способ позволяет определить рабочий диапазон значений параметров сигналов, а также выявить элементы, работающие на границе допустимого диапазона. Метод, в частности, позволяет определить элементы, функционирующие не­верно в связи с недостаточно высоким уровнем напряжения питания.

И заключение рассмотрим проведение диагностирования посредством сигна­турных анализаторов.

Сигнатурный анализ основан на преобразовании последовательности двоич­ных сигналов в число (сигнатуру), существенно зависящее от исходной по­следовательности. Существует несколько способов получения сигнатур: под­счет количества фронтов и срезов в сигнале, подсчет количества единиц, вычисление контрольной суммы, использование сдвиговых регистров с об­ратными связями и т. п.

Рассмотрим последний способ как наиболее эффективный.

Пример сдвигового регистра с обратными связями показан на рис..

Входная последовательность двоичных сигналов объединяется с помощью ячейки "исключающее ИЛИ" с определенными разрядами сдвигового регист­ра и поступает на его вход в следующем такте, сдвигая накопленное значение на один разряд в сторону старших разрядов. Таким образом, входной двоич­ный поток делится на порождающий полином с формированием в регистре остатка. Для достаточно длинной входной последовательности остаток будет являться псевдослучайной величиной, неизменной для данной последова­тельности и данного порождающего полинома. Благодаря запоминающим элементам регистра и обратной связи схема учитывает предыдущие состоя­ния; значительная разрядность регистра и правильно подобранный характе­ристический полином обеспечивают уникальность сигнатур и, следовательно, высокую достоверность обнаружения искажений входной последователь­ности.

Такты сдвига

Рис.. Устройство регистра с обратной связью

Структурная схема сигнатурного анализатора, использующего сдвиговый регистр с обратной связью, показана на рис.. В состав системы входит устройство управления, формирующее на основе сигналов "Пуск" и "Стоп" временное окно накопления сигнатуры, а также устройство индикации для визуального представления сигнатуры. Внешний вид сигнатурного анализа­тора приведен на рис..

Рис.. Структура сигнатурного анализатора

Рис.. Внешний вид сигнатурного анализатора

В качестве основы для тестовой программы может выступать как специально разработанное программное обеспечение, так и рабочая прог рамма, в доста­точной мере использующая устройства микроконтроллерной системы.

Сигналы "Пуск" и "Стоп" формируются либо средствами тестовой програм­мы при начале/окончании теста, либо аппаратными средствами при наличии на шине адреса соответствующих комбинаций сигналов.

На заведомо исправной микроконтроллерной системе в выбранных кон­трольных точках производится фиксация эталонных сигнатур.

При диагностировании системы используется та же тестовая последователь­ность и то же временное окно, что и в процессе формирования эталонных сигнатур. Неисправность заключается в участке, для которого все входные сиг натуры совпадают с эталонными, а хотя бы одна выходная сигнатура не совпадает.

Рис. Структура системы дублирования

В связи с тем, что эксплуатация резервированных микроконтроллерных сис­тем в большинстве случаев неоправданна (в связи с ухудшением массогабаритных, стоимостных и других характеристик), системы дублирования при­меняются лишь при проведении тестового диагностирования.

Одним из вариантов построения системы дублирования является применение специального запоминающего устройства для хранения неизбыточных тесто­вых последовательностей. Структура подобных систем изображена на рис.

Рис. Вариант структуры системы дублирования

В данном варианте порядок следования тестовых сигналов определяется уст­ройством управления исходя из выбранного пользователем режима тестиро­вания и результатов сравнения реакций эталонной и диагностируемой систем на предыдущих шагах теста (например, проведение расширенного тестирова­ния для более точного определения характера неисправности при несовпаде­нии результатов).

Второй класс программно-аппаратных средств диагностирования — системы хранения тестов-эталонов (рис.), являющиеся логическим развитием описанной выше струкгуры

Рис. Структура системы "память тестов-эталонов"

В данном случае эталонные выходные сигналы генерируются не эталонной системой, а хранятся в памяти наряду с входными тестовыми сигналами. Та­кие системы по сравнению с системами дублирования обладают лучшими стоимостными и массогабаритными характеристиками, а также снимают проблему возможных появлений неисправностей в эталонной системе.

К третьему классу программно-аппаратных средств диагностирования отно­сятся контролирующие автоматы. Контролирующие автоматы строятся для контролируемого автомата А и известного класса ошибок в нем, подлежащих обнаружению в виде автомата АЕ (рис.).

Рис.. Структура контролирующего автомата

Ошибкой в автомате А является искажение его выходных сигналов У, а также его внутреннего состояния Q (следует отметить, что искажение Q может не влиять на сигнал У в течение некоторого времени, т. е. для внешнего наблю­дателя диагностируемая система может продолжать функционировать досто­верно). Задачей контролирующего автомата является обнаружение любой ошибки в контролируемом автомате в момент ее возникновения, в связи е чем на вход автомата АЕ подаются не только входные сигналы X и выходные сигналы У автомата А, но и его внутренние состояния Q.

Ввод информации в микроконтроллерную систему

К задачам ввода относятся как задачи получения от оператора информации о требуемых режимах и настройках системы, так и задачи выделения инфор­мации, поступающей в виде сигналов (амплитудных, частотных и др.) с дат­чиков объекта управления.

Опрос пользовательского пульта

В большинстве встраиваемых систем управления необходимо организовы­вать связь с оператором для указания параметров работы системы.

Рассмотрим задачу определения нажатой клавиши на шестнадцатиклавиш- ном пульте, схема подключения которого к микроконтроллеру пока­зана на рис. 6.2.

Клавиши объединены попарно в матрицу размерности 8x2. Столбцы матрицы клавиатуры соединены с линиями порта Р4. В реализованной схеме низкий уровень на одной из выходных линий порта Р4 обеспечивает опрос соответ­ствующего столбца матрицы. Строки матрицы подключены к выводам РЗ.З и Р3.2 порта РЗ. Низкий уровень на этих линиях идентифицирует включенные клавиши, опрашиваемые в текущий момент времени.

Для определения состояния клавиатуры необходимо сформирован входные сигналы опроса клавиатуры и считать ее состояние. Опрос клавиатуры удоб­но выполнять, организовав выдачу последовательности "бегущий нуль" но столбцам клавиатуры, считывая при этом значение строк клавиатуры в каж дый такт формирования нового входного воздействия. Совокупность значе­ний строк матрицы клавиатуры назовем картой состояния.

Рис Схема программы опроса пульта

Опрос датчиков аналоговых величин

В системах управления одной из типовых задач является задача определения показаний датчиков объекта, представляющих информацию в виде аналого­вого сигнала — уровня напряжения.

Перед разработчиком в данном случае возникают две задачи: масштабирова­ния сигналов и аналого-цифрового преобразования.

Первая задача решается применением схемотехнических решений (внешних по отношению к микроконтроллеру узлов масштабирования, выполненных, например, на базе операционных усилителей). Вторая задача решается либо схемотехнически (в случае отсутствия встроенного в микроконтроллер АЦП), либо программно (при наличии данного периферийного узла).

Рассмотрим подсистему измерения уровня нагрева Принципиальная схема устройства сопряжения с МК 80С515 показана на рис..

В данном случае проводится опрос датчика, подключенного к нулевому ка­налу АЦП. Диапазон масштабированных операционным усилителем

Рис. Схема программы опроса датчиков аналоговых сигналов

Вывод информации из микроконтроллерной системы

В номенклатуру задач вывода информации входят как задачи вывода управ­ляющей информации, поступающей в виде различных сигналов (амплитуд­ных, частотных и др.), на объект управления, так и организация вывода ин­формации на пульт оператора.

Вывод цифровых кодовых последовательностей

И большинстве встраиваемых систем управления необходимо организовы­вать связь с оператором для вывода информации о параметрах работы системы.

Дата добавления: 2014-12-10