Электронный измерительный прибор с расширенной возможностью обнаружения аппаратных отказов
Настоящее изобретение относится к электронному измерительному прибору. Технический результат заключается в создании электронного измерительного прибора с высокой вероятностью обнаружения аппаратных отказов. Он достигается тем, что электронный измерительный прибор содержит первый процессор (21), который во время первых циклов обработки с применением первого алгоритма выполняет обработку измеренных величин, и второй процессор (25), осуществляющий координацию задач, включающих инициализацию первого процессора (21). Второй процессор (25) считывает в интервалы времени, превышающие первый цикл обработки, из первого процессора (21) контрольную запись данных и на основе этой записи выполняет первый алгоритм для проверки правильности функции первого процессора. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к электронному измерительному прибору, в частности электронному измерительному прибору с расширенной возможностью обнаружения аппаратных отказов.
При выдаче сертификата на электронный измерительный прибор согласно стандарту IEC61508 (SIL2) действует требование, согласно которому возможные аппаратные отказы прибора должны обнаруживаться с большой вероятностью и отображаться в качестве неисправного состояния на приемнике измеренных величин. Статистическая доля отказов, при которой происходит правильное отображение неисправного состояния на приемнике измеренных величин, обозначается как SFF (Safe Failure Fraction - доля достоверных отказов).
Поэтому в основу изобретения была положена задача создания электронного измерительного прибора с высокой вероятностью обнаружения аппаратных отказов.
Статистические анализы частотности отказов показали, что, в частности, процессоры и другие полупроводниковые элементы с высокой степенью интеграции, например запоминающие устройства и специализированные интегральные микросхемы (ASIC), существенно способствуют статистическому определению суммарной интенсивности отказов электронного измерительного прибора.
Указанная задача решается посредством электронного измерительного прибора, содержащего первый процессор, который во время первых циклов обработки с применением первого алгоритма выполняет обработку измеренных величин, и второй процессор, обеспечивающий в основном координацию и/или связь, причем дополнительно второй процессор в интервалы времени, которые превышают первый цикл обработки, считывает из первого процессора контрольную запись данных, на ее основе выполняет первый алгоритм и проверяет первый процессор на правильность функционирования.
Первый процессор представляет собой преимущественно специализированный цифровой процессор обработки сигналов с очень быстро выполняемыми циклами обработки. Вторым процессором служит, например, микроконтроллер, который имеет существенно меньшее быстродействие по сравнению с цифровым процессором обработки сигналов.
Контрольная запись данных может содержать в себе, например, необработанные измеренные величины датчика, переменные величины состояния и рассчитанные на их основе первым процессором итоговые величины. Проверка проводится, например, путем прямого сравнения считанного из первого процессора результата с результатом, полученным при выполнении первого алгоритма вторым процессором.
Второй процессор содержит память программ. Согласно варианту развития изобретения второй процессор может регулярно производить дополнительную проверку своей памяти программ посредством контрольной суммы или циклического избыточного кода (CRC - Cyclic Redundancy Check).
Кроме того, второй процессор содержит память для записи-считывания, которую он может регулярно проверять согласно варианту развития изобретения на наличие статических ошибок посредством тестовой структуры.
Также второй процессор содержит арифметическое устройство и память для записи - считывания, которую он согласно варианту развития изобретения может регулярно проверять на наличие статических ошибок посредством контрольного алгоритма.
Согласно еще одному варианту развития изобретения второй процессор может сравнивать и проверять данные в памяти программ первого процессора с помощью локально отображенной области памяти.
Согласно одному из аспектов изобретения второй процессор может проверять известные постоянные величины в памяти данных первого процессора путем сравнения с локально отображенными значениями.
Согласно другому аспекту изобретения второй процессор может регулярно проверять регистры конфигурации первого процессора путем сравнения с локально отображенными значениями.
Согласно варианту выполнения изобретения электронный измерительный прибор содержит двухпроводной интерфейс 4...20 мА. В качестве опции контрольная схема может проверять функцию второго процессора и относящегося к нему тактового генератора и в случае отказа подавать сигналы о неисправности независимо от первого и второго процессоров через ток сигнала 4...20 мА.
Подробнее изобретение поясняется с помощью примера выполнения, показанного на чертежах, на которых изображено:
фиг.1 - блок-схема электронной части датчика давления согласно изобретению,
фиг.2 - блок-схема самоконтроля.
Изображенная на фиг.1 модульная электронная часть датчика давления согласно изобретению содержит сенсорную электронную часть 1 и главную электронную часть 2. Главная электронная часть 2 обрабатывает сенсорные сигналы, принимаемые от сенсорной электронной части через последовательный интерфейс.
Сенсорная электронная часть содержит, в частности, сенсорную специализированную ИС 12, основное назначение которой состоит в приеме сигналов давления и температуры от манометрической ячейки 11 или первичного датчика и при необходимости в нормировании уровня сигнала. Для этого используются - в зависимости от принципа измерения первичного датчика - источник тока для питания резистивных датчиков и емкостной интерфейс для емкостных датчиков давления, к которым могут быть подключены ячейки для измерения абсолютного, относительного или дифференциального давления. Нормирование производится через регулируемые усилители, так называемые "Programmable Gain Amplifieres (PGA)", выполненные в виде дифференциальных и абсолютных усилителей. После этого нормированные значения преобразуются из аналоговой в цифровую форму и через последовательный интерфейс передаются в главную электронную часть 2. Специфичные для датчика данные, такие как коэффициенты компенсации и др., заносятся в память сенсорного, электрически стираемого программируемого ПЗУ 13 (EEPROM).
Специализированная ИС 12 способна обнаруживать выбеги во внутренних усилителях и аналого-цифровых преобразователях и направлять сообщение о них в главную электронную часть 2 через последовательный интерфейс в виде телеграммы об ошибках.
Главная электронная часть 2 состоит в основном из следующих компонентов:
процессора обработки показателей давления 21 (специализированная интегральная микросхема с встроенным цифровым процессором обработки сигналов), используемого в т.ч. в качестве последовательного интерфейса в сенсорной электронной части 1, принимающего необработанные данные и рассчитывающего на их основе выходную величину. В зависимости от режима работы выходная величина может означать давление, уровень заполнения или расход. Результат вычисления выдается, например, в виде широтно-импульснуго модулированного сигнала. Другим назначением процессора 21 является генерирование тактового сигнала для всей электронной части измерительного преобразователя.
Главная электронная часть включает в себя, кроме того, специализированную ИС связи 22; эта микросхема служит интерфейсом измерительного преобразователя для связи с внешней средой. В него встроены преобразователь постоянного напряжения, обеспечивающий питание током всего прибора, и токовый задатчик, который на основе широтно-имульсного модулированного сигнала процессора обработки показателей давления подает на токовую петлю 4-20 мА ток соответствующей величины. Кроме того, в него встроены модем HART для связи на полевом уровне, высокоточный преобразователь «напряжение-частота» и аппаратное контрольное устройство.
Кроме того, в состав главной электронной часть входит микроконтроллер 25, необходимый для инициализации измерительного процессора. В режиме регулировки через него производится обслуживание по месту с помощью микропереключателя или дистанционно через HART. Для этого дополнительно предусмотрен дисплей 23.
Другими функциями микроконтроллера 25 могут служить, например, обработка отказов, перерасчет данных измерения в удобные для пользователя единицы, запуск контрольного устройства в специализированной ИС связи, протоколирование минимальных и максимальных значений и превышения диапазона измерения, итоговый счетчик для режима «Расход» и энергонезависимое сохранение данных.
В качестве процессора 21 обработки показателей давления используется специализированная ИС с встроенным цифровым процессором для обработки сигналов. Ее преимущество заключается в быстром и чрезвычайно энергосберегающем расчете измеренных значений. При полной загруженности потребление тока процессором обработки показателей давления составляет около 600 мкА.
Хотя микроконтроллер 25 в принципе также способен производить такие расчеты, однако при одинаковой скорости расчетов потребляемая им энергия возрастает в несколько раз, что слишком много для прибора, питаемого из токовой петли 4-20 мА. Микроконтроллер применяется в тех областях, в которых не требуется производить критических по времени расчетов. В результате становится возможным использовать модуль при сильно сокращенном такте с целью снижения потребления тока до приемлемого уровня.
При инициализации прибора необходимо иметь в виду следующую особенность. Учитывая наличие нескольких разных сенсорных блоков и вариантов главной электронной части, отыскание подходящего программного решения по каждой возможной комбинации датчика и электронной части было бы сопряжено со слишком большими затратами. Этого можно избежать за счет разделения программного обеспечения на две части, а именно на сенсорную и специализированную.
Сенсорная часть хранится в сенсорной электронной части сенсорного, электрически стираемого программируемого ПЗУ 13. Если сенсорная часть получает первые тактовые сигналы из главной электронной части, то она считывает свою программную часть из электрически стираемого программируемого ПЗУ и через последовательное соединение посылает его в главную электронную часть. Здесь сенсорная программа считывается микроконтроллером 25 из цифрового процессора 21 обработки сигналов и объединяется со специализированной программой, которую он получает из памяти программ главной электронной части. После этого обе программные части объединяются между собой, т.е. смещения адресов в памяти изменяют таким образом, чтобы для разных переменных величин не использовались одинаковые области памяти. По окончании этого процесса ставшая цельной программа снова записывается в цифровом процессоре обработки сигналов. После этого требуется лишь загрузить параметры конфигурации измерительного преобразования в память данных цифрового процессора обработки сигналов, после чего измерительный преобразователь будет готов к использованию и может рассчитывать измеренные величины на основе поступающих необработанных данных.
Датчики давления согласно изобретению обеспечивают преимущественно соблюдение требований, предъявляемых к эксплуатационной надежности вплоть до SIL 2 согласно стандарту IEC 61508. Стандартом предусматриваются количественные требования в отношении соблюдения минимальных значений характеристик технической безопасности приборов, таких как доля достоверных отказов (SFF). Для соблюдения количественных требований (например, доля достоверных отказов > 90%) требуется выполнение в приборе, как правило, дополнительных диагностических мероприятий и контрольных функций. Анализы характера отказов, последствий и диагностики (FMEDA -Failure Mode, Effects and Diagnostics Analysis) электроники на уровне компонентов самоконтроля, о котором речь пойдет ниже, способствовали соблюдению стандарта SIL2.
Для самоконтроля предусмотрен программный пакет, с помощью которого в числе прочего обеспечивается циклический избыточный код и контрольные суммы RAM и ROM микроконтроллера и электрически стираемого программируемого ПЗУ.
Самоконтроль включает в себя, кроме того, выборочный контроль функции цифрового процессора обработки сигналов путем контрольного расчета микроконтроллером. Для этого, как показано на фиг.2, необходимо считать из цифрового процессора 21 обработки сигналов входные величины, переменные величины состояния и выходную величину. На основании входных величин и переменных величин состояния рассчитывается выходная величина, которую должен выдать цифровой процессор обработки сигналов. Затем происходит сравнивание замеренной величины с расчетной выходной величиной. Если при этом обнаружатся расхождения, то сообщение об этом поступит в высшие контрольные инстанции программного обеспечения измерительного преобразователя, которые в свою очередь способствуют тому, чтобы специализированная ИС связи 22 выдала сигнал об ошибке (HART). На основе этого сигнала блок обработки результатов, к которому подключен измерительный преобразователь, обнаруживает отказ прибора и обеспечивает необходимые меры, например направляет сообщение о замене вышедшего из строя прибора.
Цифровой процессор 21 обработки сигналов основной электронной части выполняет расчеты очень быстро. Для контроля за этой микросхемой требуется наличие блока, способного, по меньшей мере, столь же быстро производить расчеты или обрабатывать данные с цифрового процессора обработки сигналов. В данном примере выполнения для проведения самоконтроля выбран микроконтроллер 25. Такое решение предусматривает выполнение контрольного расчета микроконтроллером 25. При этом ему не требуется дополнительного аппаратного обеспечения и имеющимися разными аппаратными средствами он гарантирует повышенную надежность. Однако следует иметь в виду, что более низкая скорость работы микроконтроллера 25 не позволяет выполнение расчетов цифровым процессором обработки сигналов в масштабе реального времени.
Зато микроконтроллер 25 проводит только выборочные пробы. Единственным критическим по времени процессом является запись переменных величин состояния (временно сохраняемые величины, полученные при последнем измерительном цикле), необработанных данных о давлении и температуре сенсорной электронной части и рассчитанной выходной величины цифрового процессора 21 обработки сигналов. Последующий расчет выходной величины в мкК практически не зависит от времени, он может прерываться с любой частотой другими блоками программы.
Самоконтроль состоит в основном из трех блоков программы: главной программы, блока учета измеренных величин и блока самостоятельного расчета с последующим сравнением. Полный самоконтроль проводится наподобие машин состояния, причем для учета и расчета специально используются два раздельных процесса. Этим достигается разная степень приоритета обоих процессов на уровне прерывания. Учет измеренных величин требует высокого приоритета, необходимого для полной, действующей записи данных в заданное время. Если бы этот процесс протекал на более низком уровне, то самоконтроль не происходил бы, так как вследствие прерывания полная запись данных никогда не была бы произведена. В противоположность этому для расчета не требуется высокого приоритета, так как он не ограничен временем.
В сенсорной и специализированной программе присутствуют соответственно переменные величины, содержащие величину предыдущего измерения (величины затухания, шумовые фильтры). При этом следует иметь в виду, что эти величины очень быстро меняются, так как полное прохождение программы в цифровом процессоре обработки сигналов занимает менее 10 мс. Для контрольного расчета требуются цифровые данные о релевантном моменте, так как в противном случае будет невозможно сравнение с точностью до бита. Это обеспечивается быстрой записью соответствующих переменных с использованием «внутреннего кода», т.е. оптимального кода на уровне ассемблера, для которого не требуется вызова регистров и длительные многоуровневые операции.
Каждый новый пакет данных, поступающий в цифровой процессор обработки сигналов, вызывает прерывание, которое может использоваться и для синхронизации самоконтроля. При каждом обращении в программе обработки прерывания происходит автоматическое инкрементирование счетчика (Framecounter). При определенном состоянии счетчика в качестве дополнительной функциональности интегрируется запись статуса переменных.
Учет измеренных величин включает в себя запись данных давления и температуры сенсорной специализированной ИС, временно сохраняемые результаты предшествующего расчета и рассчитанную выходную величину цифрового процессора обработки сигналов. После записи величин необходимо убедиться, что записанные значения действительно соответствуют одинаковому временному моменту измерения.
После этого микроконтроллером 25 выполняется программа цифрового процессора обработки сигналов для контрольного расчета на основе записанных данных. По окончании контрольного расчета производится сравнение между расчетной и измеренной величинами. Если микроконтроллером обнаруживается слишком большая разница между расчетной и измеренной величинами, то на специализированную ИС связи подается команда на выдачу тока ошибки и при необходимости сообщения об ошибке через HART.
1. Электронный измерительный прибор, содержащий первый процессор 21, который представляет собой специализированный цифровой процессор обработки сигналов, выполненный с возможностью выполнения обработки измеренных величин во время первых циклов обработки с применением первого алгоритма, и второй процессор 25, который представляет собой микроконтроллер, который имеет существенно меньшее быстродействие по сравнению с цифровым процессором обработки сигналов, выполненный с возможностью осуществления координации задач, которые включают инициализацию первого процессора, причем дополнительно второй процессор 25 в интервалы времени, превышающие первый цикл обработки, считывает из первого процессора 21 контрольную запись данных и на основе этой записи выполняет первый алгоритм для проверки правильности функции первого процессора, в котором контрольная запись данных содержит необработанные данные датчика, переменные величины состояния и соответствующие итоговые величины, рассчитанные первым процессором.
2. Электронный измерительный прибор по п.1, отличающийся тем, что проводится проверка прямым сравнением считанного из первого процессора 21 результата с результатом, полученном при выполнении первого алгоритма вторым процессором 25.
3. Электронный измерительный прибор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что второй процессор содержит память программ и регулярно проверяет ее с помощью контрольной суммы или циклического избыточного кода (CRC).
4. Электронный измерительный прибор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что второй процессор дополнительно содержит память для записи - считывания, которую этот процессор может регулярно проверять на статические ошибки с помощью тестовой структуры.
5. Электронный измерительный прибор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что второй процессор содержит память для записи - считывания, которую этот процессор может регулярно проверять на статические ошибки с помощью контрольного алгоритма.
6. Электронный измерительный прибор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что второй процессор сравнивает и проверяет данные в памяти программ первого процессора с локально отраженной областью памяти.
7. Электронный измерительный прибор по п.6, отличающийся тем, что второй процессор проверяет известные постоянные в памяти данных первого процессора путем сравнения с локально отраженными значениями.
8. Электронный измерительный прибор по п.6, отличающийся тем, что второй процессор регулярно проверяет регистры конфигурации первого процессора путем сравнения с локально отраженными значениями.
9. Электронный измерительный прибор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что электронный измерительный прибор содержит двухпроводной интерфейс 4-20 мА, и контрольную схему, выполненную с возможностью проверки функции второго процессора и его тактового генератора и в случае отказа выдачи сигнала независимо от первого 21 и второго 25 процессоров об отказе через ток сигнала 4-20 мА.
