АВТОНОМНЫЙ МОДУЛЬ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к средствам диагностики цифровых систем, имеющих шинную организацию (микроконтроллеры, небольшие ЭВМ, и цифровые управляющие автоматы).
Известен программно-аппаратный стенд для диагностики цифровых и микропроцессорных блоков (патент РФ №73093 МПК G05B 23/00 и G06F 11/30, 10.05.2008), содержащий блок дискретного ввода-вывода, источник внешнего питания тестируемых блоков, ПЭВМ. Тестируемый (диагностируемый) цифровой блок подключается через переходное устройство к блоку дискретного ввода-вывода, который установлен в системную шину ISA управляющего компьютера.
Известен автоматизированный ремонтный стенд (БАРС) (патент РФ №2421787, МПК G06F 11/22 и G05B 23/02, 20.06.2011), содержащий компьютер с программным обеспечением и аппаратной частью, в состав которой входит интеллектуальный контроллер со встроенным процессором, связанным с ЭВМ и с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), а также арбитр шины, соединенный с адресным портом и портом ввода-вывода интеллектуального контроллера, при этом все внутренние устройства аппаратной части управляются процессором по внутренней локальной шине.
Автономный модуль диагностирования полезной модели представляет собой микропроцессорное устройство, встроенное в объект диагностирования. Он заменяет собой при проведении сравнения с данным аналогом устройство сопряжения и переходное устройство и, в отличие от него, является внешним по отношению к ЭВМ, имеет возможность соединения с ней для начального программирования ПЗУМК по последовательной шине. Автономный модуль является преимуществом, делающим систему диагностирования более гибкой в применении, и обеспечивает возможность программирования его управляющей памяти.
Известен встроенный модуль диагностирования (патент РФ №130105, МПК G06F 11/22 и G01R 31/317, 2006.01), управляемый по последовательной шине от компьютера (блока диагностики), содержащий контроллер последовательной шины, предназначенной для приема из блока диагностики управляющих тест-команд, сохраняемых в ОЗУ модуля диагностирования, считываемых микроконтроллером, предназначенным для расшифровки управляющих тест-команд в последовательность микрокоманд путем обращения к ПЗУ микрокоманд, пересылки их через буферы как элементарных стимулирующих воздействий в объект диагностики (ОД) и считывания ответных реакций модуля диагностирования, выполненный в виде цифрового автомата, встроенного в объект диагностики и подключенного к шине объекта через разъем, при этом применен микроконтроллер с микропрограммным управлением, а в качестве управляющей памяти - ПЗУМК - постоянное запоминающее устройство микрокоманд с возможностью ее перепрограммирования - прототип.
Недостатком данного устройства является необходимость применения внешней ЭВМ (ноутбука или другого вычислительного блока) для проведения самой процедуры тестирования объекта диагностики. Система становится громоздкой, требует дополнительных внешних конструктивов. Как генерацию стимулирующих воздействий, так и прием ответных реакций из блока диагностики выполняет внешняя ЭВМ при участии человека. Время проведения процедуры диагностики также определяет человек.
Таким образом, в результате описания аналогов, можно сделать вывод о том, что, в качестве прототипа может быть использован встроенный модуль диагностирования, которому присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков полезной модели. Важным существенным отличием от всех существующих аналогов, когда автономный модуль подключается к объекту диагностики, является применяемое решение, при котором автономный модуль диагностирования встраивается в объект диагностики и продолжает работу в нем автономно, без участия человека и без подключения к объекту диагностики ЭВМ.
Техническим результатом является повышение надежности функционирования ОД путем оперативного проведения диагностики, снижения аппаратной составляющей системы диагностирования и проведения процедуры диагностики без участия человека (во время рабочего цикла ОД).
Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что автономный модуль диагностирования, выполненный в виде цифрового автомата, встроен в объект диагностирования и подключен к шине объекта диагностирования через разъем системной шины, при этом в основе автомата применен микроконтроллер с микропрограммным управлением, а в качестве управляющей памяти - ПЗУМК - постоянное запоминающее устройство микрокоманд с возможностью ее начального программирования посредством контроллера последовательной шины, в качестве оперативной памяти - ОЗУ для хранения промежуточных результатов, формируемых микроконтроллером, буферы для пересылки стимулирующих воздействий в объект диагностирования и считывания через них ответных реакций модулем диагностирования, причем новым является то, что в него дополнительно введены таймер, формирующий маскируемый сигнал прерывания текущей процедуры объекта диагностирования, по которому автономный модуль диагностирования начинает очередной цикл тестирования, и буфер для подключения устройства индикации к автономному модулю диагностирования.
д
Модуль диагностирования (М) функционирует по принципу микропрограммного автомата, что позволяет ускорить процесс диагностирования и реализует метод внутрисхемной эмуляции при тестировании объекта диагностики. Применяемый метод внутрисхемной эмуляции ориентирован на использование в микропроцессорных системах. При поиске неисправности методом внутрисхемной эмуляции необходимо отключить микропроцессор от системной шины (аналогично режиму ПДП), смоделировав его сигналы средствами диагностирования. Способ предполагает, что сигналы для стимуляции проверяемых схем формируются микроконтроллером модуля и результаты анализа пересылаются на индикатор, выведенный на панель через разъем проверяемого устройства или по радиоканалу.
Введение модуля диагностирования в ОД позволяет существенно сократить время на диагностику за счет выполнения процесса диагностирования за короткий интервал времени, исключить ЭВМ из системы диагностирования, проводить процедуру диагностики без участия человека, что повысит надежность функционирования ОД. При использовании метода внутрисхемной эмуляции, реализуемого модулем диагностирования нет необходимости в применении устройств «доопределения» мест неисправности, поскольку сам метод позволяет непосредственно выявить отказавший функциональный узел (например, ОЗУ) в объекте. Также интеграция модуля позволяет уменьшить блоки диагностики.
На фиг. 1 представлена система диагностирования в режиме программирования микрокомандной памяти (ПЗУМК) и отладки, до включения объекта диагностики в рабочий цикл, на фиг. 2 - структурная схема автономного модуля диагностирования.
Автономный модуль диагностирования включает: управляющую ЭВМ 1; последовательную шину 2; модуль диагностирования 3; объект диагностики 4; системную шину 5; контакты разъема 6; сигнал запроса маскируемого прерывания 7; выходные сигналы индикации 8; контроллер последовательной шины 9; микроконтроллер с микропрограммным управлением 10; постоянное запоминающее устройство микрокоманд (ПЗУМК) 11; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 12; буферы 13 сигналов адреса; таймер 14; буфер сигналов индикации 15.
Перед началом работы автономного модуля диагностирования следует запрограммировать согласно разработанной модели функционирования модуля его постоянное запоминающее устройство микрокоманд. Для этой цели автономный модуль диагностирования 3 устанавливаем в разъем системной шины 5 объекта диагностики 4 и подключаем к его внешнему разъему управляющую ЭВМ 1 (например, ноутбук), по последовательной шине 2 (фиг. 1). Автономный модуль через контакты разъема 6 подключается к шинам объекта диагностики, формирует сигнал запроса маскируемого прерывания 7 в объект диагностики и выходные сигналы индикации 8 (фиг. 1). Для каждого типа объектов диагностики управляющая последовательность микрокоманд может отличаться. ЭВМ в таком подключении играет роль программатора. После завершения процедуры программирования последовательную шину 2 с ЭВМ 1 отключают от модуля диагностирования 3 и модуль диагностирования переходит в автономный режим работы.
Функциональные блоки автономного модуля диагностирования (фиг. 2): последовательная шина 2 и контроллер последовательной шины 9, микроконтроллер с микропрограммным управлением 10, постоянное запоминающее устройство микрокоманд (ПЗУМК) 11, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 12, буферы 13 сигналов адреса, данных и управления, объединены по правилам внутреннего системного интерфейса, системная шина 5, таймер 14, формирующий сигнал запроса маскируемого прерывания 7 и буфер сигналов индикации 15 с выходными сигналами индикации 8.
Начало процедуры тестирования объекта диагностики инициируется таймером 14, посылающим сигнал маскируемого прерывания 7 в процессор объекта диагностики, контроллер последовательной шины 9 с последовательной шиной 2 при этом отключается от внутренней шины модуля диагностирования (фиг. 2). Поскольку сигнал прерывания маскируемый, процессор объекта диагностики начинает реагировать на него только после завершения текущей процедуры обработки данных (во время пауз по обработке основных сигналов). При этом процессор объекта диагностики переводит свои выходные разряды в пассивное состояние (отключается от системной шины) и по типовой последовательности обработки прерывания переходит в режим ожидания (блокируется).
После получения сигнала подтверждения прерывания по системной шине 5 микроконтроллер 10 (фиг. 2) считывает из ПЗУМК 11 последовательность микрокоманд (микропрограммы). При выполнении микропрограмм микроконтроллер 10 формирует стимулирующие воздействия, которые посредством буферов 13 (фиг. 2), пересылаются по шине 5 в ОД 4 (фиг. 1). Буферы соединяются двусторонней связью с микроконтроллером 10 и ОЗУ 12 (фиг. 2). Ответные реакции объекта диагностирования (фиг. 1) 4 на стимулирующие воздействия считываются автономным модулем диагностирования. В результате выполнения всех тест-команд в ОЗУ 12 модуля диагностирования формируется файл результатов сравнения, цифровой код которого 8 микроконтроллером 10 через буфер индикатора 15 пересылается на внешнюю индикацию, где полученный цифровой код анализируют и делаются выводы о работоспособности объекта диагностики в целом и каждого из его функциональных устройств.
Особенность применяемой системы диагностики состоит в подаче на объект специально организуемых тестовых воздействий от средств диагностики (этап стимуляции) и получении оценки реакции.
Разработанное устройство найдет применение в системах: управления и контроля технологическим процессом, связи, учета параметров, и в других системах на предприятиях, что эксплуатируются непрерывно и длительное отключение которых приведет к нарушению техпроцесса или сбою в работе. При этом во время функционирования объекта автономный модуль диагностирования, по сигналам встроенного таймера периодически, на короткие промежутки времени берет на себя управление шиной процессора объекта диагностирования и диагностирует его блоки (ОЗУ, ПЗУ, порты ввода-вывода).
Введение автономного модуля диагностирования в объект диагностирования позволяет исключить из процедур диагностики внешнюю управляющую ЭВМ, проводить диагностику без участия человека, увеличить частоту проведения процедур диагностики, сократив интервал между ними и повысить оперативность вынесения решения по исправности объекта диагностирования, свести к минимальному время выполнения процесса диагностирования, что повысит надежность функционирования объекта диагностирования.
При использовании метода внутрисхемной эмуляции, реализуемого модулем диагностирования нет необходимости в применении устройств «доопределения» мест неисправности, поскольку сам метод позволяет непосредственно выявить отказавший функциональный узел (например, ОЗУ) в объекте. Также интеграция модуля позволяет уменьшить блоки диагностики.
Сведением, подтверждающим возможность выполнения модулем диагностирования предписываемой ему в составе данной системы функции, является разработанная математическая модель его функционирования (фиг. 3)
д
д
Tj
код
1
T2
Tj
Tj
д
эт
д
Ti
T1
1
T2
2
Ti
i
i+1
i+1
i+2
i+2
i+k
i+k
д
эт
эт
эт1
эт2
этi
1
2
i
этi
i+k
Математическая модель (ММ) строится для модуля диагностирования (М), использующего принцип микропрограммного управления. БД в режиме программирования памяти автономного модуля посылает в М набор тест-команд K в виде кода V={KT,K…K}, команды записываются (программируются) в ПЗУМК. Из каждой тест-команды K модуль М формирует последовательность микрокоманд, имеющих необходимые адреса (адреса элементарных стимулирующих воздействий - AmSV), данные (элементарные стимулирующие воздействия) и управляющие сигналы (U) для проверки ОД. Эталонные реакции - mSV(D) записываются в память вместе с тест-командами. При этом тест-команда задает проверку какого-либо узла ОД, а микрокомандой будет служить элементарная проверка (ЭП) этого узла ОД (например, ОЗУ). Формирование из тест-команды каждого воздействия для ОД, состоящего из управляющих сигналов (U), адреса элементарного стимулирующего воздействия (AmSV) и элементарного стимулирующего воздействия (mSV) характеризует новое состояние М-q. На последовательность воздействий - S={q(t),q(t),…q(t)} (последовательность микрокоманд), читается ответ из ОД - R={r(t),r(t),…r(t)}, который по сути является набором данных. Эти полученные данные (R) в М сравниваются с теми данными, что были заранее записаны в память модуля - mSV(D)-R={D,D…D}, т.е. выполняются операции сравнения (проверки) P={p,p…p} эталонных данных D с реакциями ОД на элементарные проверки r. Результат сравнения формируется в некий файл , который после прекращения работы текущей команды передается в оперативную память модуля и, далее, - на индикатор в виде цифрового кода.
д
Математическая модель автономного модуля диагностирования (МММ) представлена ниже.
д
код.
od
эт
0
2
М=(VQ,Q,S,R,R,Z,P,φ,γ,q,t),
д
где М - результирующее множество, формируемое подмножествами переменных, описывающих состояние модуля;
код
T1
T2
Tj
V={K,K…K}, - подмножество тест-команд (форматы команд);
1
2
i
P={p,p…p} - подмножество данных, полученных при проверке на совпадение с эталонами;
код
д
Ti
Q=φ(V,t) - подмножество состояний М или, подмножество выделенных программно тестовых воздействий Q;
od
od i+1
od i+2
od i+k
od i+k
Ti
д
Q={q,q…q} - совокупность состояний ОД (q) как реакций на тестовые воздействия q от М;
Tj
1. K→Q - процедура формирования стимулирующих кодов для ОД от тест-команд;
T1
1
Tj
1
1
1
эт1
q(t)=φ(K)=U∨AmSV∨mSV(D) - подмножество результатов тестирования в первый временной интервал;
T2
2
Tj
2
2
2
эт2
q(t)=φ(K)=U∨AmSV∨mSV(D) - подмножество результатов тестирования во второй временной интервал;
Ti
i
Tj
i
i
i
этi
q(t)=φ(K)=U∨AmSV∨mSV(D) - подмножество результатов тестирования в i-й временной интервал.
эт
эт1
эт2
этi
2. R={D,D…D} - набор эталонов для сравнения;
T1
1
T2
2
Ti
i
д
3. S={q(t),q(t),…q(t)} - состояния выходного стимулирующего пакета М для ОД;
i+1
i+1
i+2
i+2
i+k
i+k
д
4. R={r(t),r(t),…r(t)} - подмножество входных сигналов для М, являющийся реакцией ОД на стимулирующие воздействия S;
T1
1
od i+1
1+1
1+1
5. ri+1(ti+1)=γ(q(t),q(t)) - элементы множества на следующем шаге ((t);
i+2
i+2
T2
2
od i+2
1+2
r(t)=γ(q(t),q(t));
i+k
i+k
Ti
i
od i+k
1+k
r(t)=γ(q(t),q(t));
д
д
1
2
j
6. процедура проверки (сравнения) соответствия состояний стимулирующих воздействий (которые являются так же внутренними состояниями М) с ответными реакциями М., P={p,p,…p};
д
7.  - подмножество состояний выходного пакета М - результат сравнения стимулирующего воздействия «S» и реакции ОД «R» на него. Степень «2» означает следующее: для каждой проверки существует 2 исхода: «совпадение», «несовпадение». В первом случае  принимает значение «1», во втором - прописывается адрес неисправности;
код
- φ - функция трансформации входных сигналов от БД в множество внутренних состояний φ(V,t);
Ti
od i+k
- γ - зависимость ответной реакции ОД от тестового воздействия q и состояния ОД q;
0
д
- q - начальное состояние (включение М сигнал маскируемого прерывания от модуля диагностики);
1
2
i
1
2
i
- t - дискретные значения времени t, t, …t. Поскольку элементарные тесты проводятся в определенной последовательности, выделяем для них дискретные промежутки времени (t, t, …t).
Разработанное устройство найдет применение в системах: управления технологическим процессом, связи, учета параметров, и в других системах на предприятиях, что эксплуатируются непрерывно и длительное отключение которых приведет к нарушению техпроцесса или сбою в работе.
Полезная модель разработана на уровне технического предложения и математической модели. Результаты математической модели показали возможность технической реализации изобретения и достижение заявленного технического результата.