傳感器自診斷技術(shù)研究報(bào)告

1、-. z.傳感器自診斷技術(shù)研究1自診斷概述所謂自診斷就是利用事先編制好的檢測(cè)程序?qū)x器的主要局部進(jìn)展自動(dòng)檢測(cè)，并對(duì)故障進(jìn)展定位。自診斷功能給儀器的使用和維修帶來(lái)了很大的方便，是提高儀器可靠性的必要手段。一般儀器的自診斷有兩種類型，一種是脫機(jī)自診斷，所謂脫機(jī)自診斷是指在儀器執(zhí)行應(yīng)用程序之前或間隙中進(jìn)展的自診斷。由于這種自診斷是在脫離應(yīng)用程序的情況下進(jìn)展的，故稱為脫機(jī)自檢。儀器加電以后，儀器首先進(jìn)入該自診斷程序，告訴用戶儀器是否處于正常工作狀態(tài)，而且在儀器工作的間隙里，用戶可以隨時(shí)調(diào)用該程序，以檢測(cè)儀器是否處于正常狀態(tài)。另一種是在線自診斷，所謂在線自診斷是指在儀器正常的工作過(guò)程中按照操作人員的要求

2、對(duì)儀器特定模塊的自診斷?，F(xiàn)代儀器的自診斷一般包括兩方面的容：一方面是指儀器壞了時(shí)能出現(xiàn)響應(yīng)，這是比擬初級(jí)的自診斷；另一方面是指儀器有潛在故障或者當(dāng)精度、特性下降時(shí)就能發(fā)現(xiàn)并修復(fù)。儀器的自診斷系統(tǒng)一般是獨(dú)立的軟硬件模塊。要完成自診斷過(guò)程，首先要找出儀器中的關(guān)鍵部位，將其正常測(cè)量狀態(tài)和被鼓勵(lì)狀態(tài)下的各種參數(shù)記錄并保存，需要注意的是歷史記錄也要保存。其次要能隨時(shí)將各個(gè)閉環(huán)回路翻開(kāi)并檢測(cè)，以便在自診斷過(guò)程中根據(jù)不同的需要完成不同的任務(wù)。下列圖就是過(guò)程測(cè)量?jī)x表中自診斷系統(tǒng)的構(gòu)造框圖。圖1 自診斷系統(tǒng)構(gòu)造框圖2 自診斷的常用方法及存在的問(wèn)題在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，無(wú)論是那一種儀器儀表，隨著時(shí)間的推移和環(huán)境的改變，它

3、的各種元器件都會(huì)慢慢老化，特別是*些敏感元件更為明顯，例如一些熱敏電阻等。下面將介紹幾種在工業(yè)分析儀表中常用的自診斷方法，并分析其存在的問(wèn)題。2.1 算法模型自診斷算法模型自診斷的根本原理是首先檢測(cè)主要的被測(cè)參數(shù)，在測(cè)量的過(guò)程中另外測(cè)量多組變量，然后依據(jù)一定的模型和算法進(jìn)展分析、測(cè)量和計(jì)算，從而來(lái)判斷測(cè)量結(jié)果是否正確。所以，這類儀器除了需要輸出測(cè)量結(jié)果以外，還需要輸出一個(gè)狀態(tài)信號(hào)來(lái)判斷測(cè)量的狀態(tài)。如圖 2 所示。圖2 計(jì)算分析自診斷圖2.2 疊加信號(hào)自診斷這種方法的根本原理是在測(cè)量輸入信號(hào)的同時(shí)，連續(xù)或周期性的輸入一組信號(hào)。這些信號(hào)可以是多種類型的信號(hào)，如高頻或脈沖信號(hào)，它與被測(cè)量信號(hào)疊加后經(jīng)

4、過(guò)測(cè)量通道在信號(hào)處理單元進(jìn)展處理，最后經(jīng)過(guò)特定的算法處理后，輸出測(cè)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，其根本流程圖如下。圖3 疊加信號(hào)自診斷2.3 周期性自診斷周期自診斷的流程如圖4所示，可以看出，一個(gè)自動(dòng)開(kāi)關(guān)周期性地將測(cè)量信號(hào)和一些變量輸入通道，經(jīng)過(guò)測(cè)量通道到達(dá)信號(hào)處理單元，同樣經(jīng)過(guò)特定的算法和計(jì)算后，最后輸出測(cè)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。這個(gè)方法比擬有效，但它的缺點(diǎn)是使測(cè)量信號(hào)離散，從而可能產(chǎn)生失真和誤差。圖4 自動(dòng)周期自診斷3 自診斷軟件對(duì)儀器各個(gè)模塊的自診斷一般情況下應(yīng)該分別寫(xiě)出子程序，以便需要時(shí)調(diào)用。各段子程序的入口地址為T(mén)STi(i =0,1,2),對(duì)應(yīng)的故障代號(hào)為T(mén)NUM(0,1,2)。編程時(shí)，由序號(hào)通過(guò)表

5、1所示的測(cè)試指針表TSTPT來(lái)尋找*一自診斷子程序入口，假設(shè)檢測(cè)出有故障發(fā)生，便顯示其故障代號(hào)TNUM。對(duì)于周期性自診斷，由于它是在測(cè)量間隙進(jìn)展，為了不影響儀器的正常工作，有些周期性自診斷工程就不需要安排，例如，顯示器周期性自診斷、鍵盤(pán)周期性自診斷、破壞性RAM周期性自診斷等。而對(duì)開(kāi)機(jī)自診斷和鍵盤(pán)自診斷則不存在這個(gè)問(wèn)題。表1 測(cè)試指針表一個(gè)典型的含有自診斷功能的智能儀器的操作流程如圖5所示。圖 5 含自診斷的儀器操作流程圖 在圖5中，其中開(kāi)機(jī)自診斷被安排在儀器初始化之前進(jìn)展，檢測(cè)工程盡量多項(xiàng)選擇。周期性自檢 STEST 被安排在兩次測(cè)量之間進(jìn)展，由于允許兩次測(cè)量之間的時(shí)間間隙有限，所以一般每次

6、只插入一項(xiàng)自診斷容，屢次測(cè)量之后才能完成儀器的全部自診斷工程。圖6給出了能完成上述任務(wù)的周期性自診斷子程序的操作流程。圖6周期性自診斷子程序的操作流程圖在圖6中，根據(jù)指針 TNUM 進(jìn)入 TSTPT 表取得子程序 TSTi 并執(zhí)行之。如果發(fā)現(xiàn)有故障，就進(jìn)入故障顯示操作。故障顯示操作一般首先熄滅全部顯示器，然后顯示故障代號(hào) TNUM，提醒操作人員儀器有故障。當(dāng)操作人員按下任意鍵后，儀器就退出故障顯示有些儀器在故障顯示一定時(shí)間后自動(dòng)退出。無(wú)論故障發(fā)生與否，每進(jìn)展一項(xiàng)自診斷，就使 TNUM 加 1，以便在下一次測(cè)量間隙中進(jìn)展另一工程自診斷。上述自診斷軟件的設(shè)計(jì)方法具有一般性，由于各類儀器功能及性能差

7、異很大，一臺(tái)儀器具體的自診斷算法的制定要結(jié)合各自的特點(diǎn)來(lái)考慮。4 自診斷在現(xiàn)代智能儀表中的應(yīng)用自診斷是現(xiàn)代儀表的一個(gè)顯著特點(diǎn)。在現(xiàn)代儀器儀表中,自診斷不僅在儀表壞了才出現(xiàn)響應(yīng),而且還會(huì)在發(fā)現(xiàn)儀表潛在性故障時(shí)或在精度、特性下降時(shí),利用冗余硬件自動(dòng)進(jìn)展修復(fù)。儀器儀表的自診斷系統(tǒng)一般是獨(dú)立的硬、軟件功能塊。它是以微處理器為根底的處理單元,在邏輯上不同于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、采樣和處理系統(tǒng)。其信息的傳遞和轉(zhuǎn)換可在系統(tǒng)部快速完成,它采用鼓勵(lì))響應(yīng)/回送(loop-back)技術(shù)。為了滿足自診斷過(guò)程的要求，首先要找出儀表電路中的關(guān)鍵點(diǎn),存儲(chǔ)各種被鼓勵(lì)狀態(tài)和正常測(cè)量狀態(tài)的電參數(shù)(歷史記錄也應(yīng)存儲(chǔ));其次要隨時(shí)能將各個(gè)閉

8、環(huán)回路翻開(kāi)進(jìn)展/回送檢查,其時(shí)鐘能隨時(shí)自動(dòng)調(diào)整,以便在自診斷過(guò)程中完成不同的作業(yè)。圖7是過(guò)程測(cè)量?jī)x表自診斷系統(tǒng)的框圖。圖7 自診斷系統(tǒng)框圖4.1 智能儀表中的構(gòu)造功能診斷法微機(jī)系統(tǒng)上電后,首先進(jìn)入開(kāi)機(jī)自診斷狀態(tài),全面地檢查重要的單元或器件(如8031、EPROM、RAM等)是否正常。假設(shè)正常則系統(tǒng)進(jìn)入常規(guī)工作狀態(tài),否則,在顯示器上顯示出故障的類型和位置。在進(jìn)展常規(guī)工作過(guò)程中,還對(duì)*些重要單元進(jìn)展動(dòng)態(tài)自診斷,一旦發(fā)現(xiàn)故障,也立即自動(dòng)顯示故障類型及位置。因此,自診斷包含兩個(gè)方面的容:一是確定線路中是否存在*些類型的故障,這稱故障檢測(cè);二是指示出故障確實(shí)切位置,以便維修或采用容錯(cuò)手段將其排除或屏蔽,

9、這稱故障定位。自1959年Eldred首先提出一維通路敏化的方法解決組合電路的局部診斷問(wèn)題以來(lái),已有多維敏化法、布爾差分法、布爾微分法、因果函數(shù)法等構(gòu)造診斷法相繼問(wèn)世。但是,這類方法對(duì)于大規(guī)模集成電路已不能滿足實(shí)際要求。因此,又先后出現(xiàn)了功能診斷法和構(gòu)造功能診斷法。微機(jī)系統(tǒng)常采用的器件,如8031、EPROM、ADC0804、DAC0832等不同于一般的數(shù)字電路,它們不是邏輯門(mén)的簡(jiǎn)單集合,不允許也不必要深入到芯片部去檢測(cè)它是否存在故障,以及故障所在的部位。因此,只需通過(guò)檢測(cè)其功能來(lái)進(jìn)展故障診斷。根本思想是:將系統(tǒng)按功能分成假設(shè)干大模塊,再將每個(gè)大模塊分成假設(shè)干小功能模塊。從一個(gè)最根本的,易于診

10、斷的,且為以后診斷其它功能模塊所經(jīng)常用到的功能模塊開(kāi)場(chǎng)診斷,確定它無(wú)故障后,便以它為根底,/從小啟動(dòng)0,依次對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的功能模塊進(jìn)展故障診斷,這就是構(gòu)造功能診斷法。4.1.1 EPROM的自診斷EPROM中存放著微機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控程序和重要數(shù)據(jù),它的任一存儲(chǔ)單元的失效,都將導(dǎo)致整個(gè)控制軟件的失靈。必須保證在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中不出故障。其診斷要:第一,是否能正確讀出其容;第二,它的容是否已被破壞。采用開(kāi)機(jī)自診斷和動(dòng)態(tài)自診斷兩種方法進(jìn)展。為了診斷方便,采用了模塊構(gòu)造形式。在每一模塊的最后一個(gè)字節(jié),增加一個(gè)八位的奇偶校驗(yàn)字,用它來(lái)使該模塊中的每列數(shù)據(jù)位的奇偶性為1。即系統(tǒng)開(kāi)機(jī)上電后,先檢測(cè)8031無(wú)故障后

11、,再檢測(cè)E-PROM。逐個(gè)讀出每個(gè)模塊中的每個(gè)字節(jié),與前一個(gè)字節(jié)進(jìn)展/異或0操作,在完成對(duì)每一模塊的這一檢測(cè)后,累加器的容應(yīng)是#FFH,否則,提示該模塊有故障。EPROM的動(dòng)態(tài)自診斷是借助8031的定時(shí)器,在程序運(yùn)行到每一模塊時(shí),先對(duì)定時(shí)器預(yù)置本模塊運(yùn)行所需時(shí)間(留余地),正常運(yùn)行時(shí),每一模塊完畢,立即對(duì)定時(shí)器清零。假設(shè)該模塊出現(xiàn)故障,規(guī)定的計(jì)數(shù)時(shí)間到達(dá),并未被清零,定時(shí)器將發(fā)出脈沖信號(hào),一方面顯示故障模塊的代號(hào),另一方面使系統(tǒng)復(fù)位,重新啟動(dòng)運(yùn)行。假設(shè)恢復(fù)正常運(yùn)行,則說(shuō)明該模塊發(fā)生了暫時(shí)故障,且自動(dòng)排除。否則,為固定故障,必須更換或重寫(xiě)。4.1.2 RAM的自診斷RAM是微機(jī)中的重要部件,主要

12、用它存取現(xiàn)場(chǎng)的各種輸入/輸出數(shù)據(jù)和中間計(jì)算結(jié)果,或用它來(lái)與外存儲(chǔ)器交換信息和作為堆棧。它的存儲(chǔ)單元中的容既可讀出,也可寫(xiě)入。其診斷方法很多,如列條法、棋盤(pán)法、散步法、地址極端法等。這里我們介紹躍步模式法。假設(shè)將#55H寫(xiě)入所有的單元,然后,讀第i單元是否正確,以檢驗(yàn)該單元的讀寫(xiě)功能;再將該單元改寫(xiě)成反碼#AAH,之所以改寫(xiě)為反碼,是因?yàn)榇藭r(shí)地址存放器和譯碼器的每一位都要發(fā)生變化,屬于一種極端情況。再讀出,以檢驗(yàn)該單元的寫(xiě)入恢復(fù)功能及取數(shù)時(shí)間是否存在故障;最后,再檢測(cè)其它單元是否仍為#55H,以檢驗(yàn)這些單元是否因第i單元的改寫(xiě)而寫(xiě)了任何東西。至此,第i個(gè)單元診斷完畢,再轉(zhuǎn)入第i+1單元,重復(fù)上述

13、過(guò)程直至RAM的所有單元診斷完畢。以地址為#7F00H7FFFH的8155為例,測(cè)試程序如下:MOV DPTR,#7F00H ;8155RAM起始地址MOV R1,#00HCLR 00H ;出錯(cuò)標(biāo)志位置0TEST1: MOV* DPTR,#55H ;全部寫(xiě)入#55HINC DPTRDJNZ R1,TEST1MOV DPTR,#7F00HTEST2: MOV* A,TPTR ;讀出一單元容CJNE A,#55H,ERR ;假設(shè)不等于#55H,出錯(cuò)CPLA ;求反MOV* DPTR,A ;再寫(xiě)入MOV* A,DPTR ;再讀出CJNEA,#0AAH,ERR;假設(shè)不等于#0AAH,出錯(cuò)MOV A,#

14、55H ;再寫(xiě)入#55HMOV* DPTR,APUSHDHL ;保存數(shù)據(jù)指針低八位MOV DPTR,#7F00HMOV R1,#0FFHTEST3: MOV* A,DPTR ;循環(huán)檢查其它存放單元是否被改寫(xiě)CJNE A,#55H,ERRINC DPTRDJNZ R1,TEST3POP DHL ;恢復(fù)數(shù)據(jù)指針低八位INC DPTR ;檢查下一單元MOV A,DHLCJNE A,#0FFH,TEST2RETERR: SETB 00H ;出錯(cuò)標(biāo)志位置1RET4.1.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊的自診斷微機(jī)系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換通道往往不止一路,在*一路模擬輸入端接地,啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后讀取結(jié)果,如果等于預(yù)定值,則A/D通道正常。如ADC0809,當(dāng)模擬輸入端接地時(shí),轉(zhuǎn)換結(jié)果應(yīng)為80H,轉(zhuǎn)換時(shí)間一般為100Ls,同時(shí)轉(zhuǎn)換完畢以后,EOC引腳應(yīng)出現(xiàn)高電平。因此,在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的同時(shí),也啟動(dòng)定時(shí)器,定時(shí)值略大于100Ls,EOC引腳接8031的INT0腳,假設(shè)在定時(shí)圍,INT0收到EOC腳的上跳信號(hào),則A/D通道正常,定時(shí)器復(fù)位,且關(guān)閉定時(shí)器;否則,定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出,并提示該A/D轉(zhuǎn)換通道發(fā)生故障。假設(shè)在定時(shí)圍,INT0收到EOC腳的上跳信號(hào),但轉(zhuǎn)換結(jié)果不等于80H,則說(shuō)明產(chǎn)生零漂