传感器自诊断技术研究

传感器自诊断技术研究1 自诊断概述所谓自诊断就是利用事先编制好的检测程序对仪器的主要部分进行自动检测，并对故障进行定位。自诊断功能给仪器的使用和维修带来了很大的方便，是提高仪器可靠性的必要手段。一般仪器的自诊断有两种类型，一种是脱机自诊断，所谓脱机自诊断是指在仪器执行应用程序之前或间隙中进行的自诊断。由于这种自诊断是在脱离应用程序的情况下进行的，故称为脱机自检。仪器加电以后，仪器首先进入该自诊断程序，告诉用户仪器是否处于正常工作状态，而且在仪器工作的间隙里，用户可以随时调用该程序，以检测仪器是否处于正常状态。另一种是在线自诊断，所谓在线自诊断是指在仪器正常的工作过程中按照操作人员的要求对仪器特定模块的自诊断。现代仪器的自诊断一般包括两方面的内容：一方面是指仪器坏了时能出现响应，这是比较初级的自诊断；另一方面是指仪器有潜在故障或者当精度、特性下降时就能发现并修复。仪器的自诊断系统一般是独立的软硬件模块。要完成自诊断过程，首先要找出仪器中的关键部位，将其正常测量状态和被激励状态下的各种参数记录并保存，需要注意的是历史记录也要保存。其次要能随时将各个闭环回路打开并检测，以便在自诊断过程中根据不同的需要完成不同的任务。下图就是过程测量仪表中自诊断系统的结构框图。图 1 自诊断系统结构框图2 自诊断的常用方法及存在的问题在现实环境中，无论是那一种仪器仪表，随着时间的推移和环境的改变，它的各种元器件都会慢慢老化，特别是某些敏感元件更为明显，例如一些热敏电阻等。下面将介绍几种在工业分析仪表中常用的自诊断方法，并分析其存在的问题。2.1 算法模型自诊断算法模型自诊断的基本原理是首先检测主要的被测参数，在测量的过程中另外测量多组变量，然后依据一定的模型和算法进行分析、测量和计算，从而来判断测量结果是否正确。所以，这类仪器除了需要输出测量结果以外，还需要输出一个状态信号来判断测量的状态。如图 2 所示。图 2 计算分析自诊断图2.2 叠加信号自诊断这种方法的基本原理是在测量输入信号的同时，连续或周期性的输入一组信号。这些信号可以是多种类型的信号，如高频或脉冲信号，它与被测量信号叠加后经过测量通道在信号处理单元进行处理，最后经过特定的算法处理后，输出测量数据和状态数据，其基本流程图如下。图 3 叠加信号自诊断2.3 周期性自诊断周期自诊断的流程如图 4 所示，可以看出，一个自动开关周期性地将测量信号和一些已知变量输入通道，经过测量通道到达信号处理单元，同样经过特定的算法和计算后，最后输出测量数据和状态信息。这个方法比较有效，但它的缺点是使测量信号离散，从而可能产生失真和误差。图 4 自动周期自诊断3 自诊断软件对仪器各个模块的自诊断一般情况下应该分别写出子程序，以便需要时调用。各段子程序的入口地址为 TSTi(i =0,1,2),对应的故障代号为 TNUM(0,1,2)。编程时，由序号通过表 1 所示的测试指针表（TSTPT ）来寻找某一自诊断子程序入口，若检测出有故障发生，便显示其故障代号 TNUM。对于周期性自诊断，由于它是在测量间隙进行，为了不影响仪器的正常工作，有些周期性自诊断项目就不需要安排，例如，显示器周期性自诊断、键盘周期性自诊断、破坏性RAM 周期性自诊断等。而对开机自诊断和键盘自诊断则不存在这个问题。表 1 测试指针表一个典型的含有自诊断功能的智能仪器的操作流程如图 5 所示。图 5 含自诊断的仪器操作流程图在图 5 中，其中开机自诊断被安排在仪器初始化之前进行，检测项目尽量多选。周期性自检 STEST 被安排在两次测量之间进行，由于允许两次测量之间的时间间隙有限，所以一般每次只插入一项自诊断内容，多次测量之后才能完成仪器的全部自诊断项目。图 6 给出了能完成上述任务的周期性自诊断子程序的操作流程。图 6 周期性自诊断子程序的操作流程图在图 6 中，根据指针 TNUM 进入 TSTPT 表取得子程序 TSTi 并执行之。如果发现有故障，就进入故障显示操作。故障显示操作一般首先熄灭全部显示器，然后显示故障代号 TNUM，提醒操作人员仪器有故障。当操作人员按下任意键后，仪器就退出故障显示（有些仪器在故障显示一定时间后自动退出） 。无论故障发生与否，每进行一项自诊断，就使 TNUM 加 1，以便在下一次测量间隙中进行另一项目自诊断。上述自诊断软件的设计方法具有一般性，由于各类仪器功能及性能差别很大，一台仪器具体的自诊断算法的制定要结合各自的特点来考虑。4 自诊断在现代智能仪表中的应用自诊断是现代仪表的一个显著特点。在现代仪器仪表中,自诊断不仅在仪表坏了才出现响应, 而且还会在发现仪表潜在性故障时或在精度、特性下降时 ,利用冗余硬件自动进行修复。仪器仪表的自诊断系统一般是独立的硬、软件功能块。它是以微处理器为基础的处理单元,在逻辑上不同于数据转换、采样和处理系统。其信息的传递和转换可在系统内部快速完成,它采用激励 )响应/回送(loop-back)技术。为了满足自诊断过程的要求，首先要找出仪表电路中的关键点,存储各种被激励状态和正常测量状态的电参数(历史记录也应存储);其次要随时能将各个闭环回路打开进行/回送检查 ,其时钟能随时自动调整, 以便在自诊断过程中完成不同的作业。图 7 是过程测量仪表自诊断系统的框图。图 7 自诊断系统框图4.1 智能仪表中的结构功能诊断法微机系统上电后,首先进入开机自诊断状态,全面地检查重要的单元或器件(如 8031、EPROM、RAM 等) 是否正常。若正常则系统进入常规工作状态,否则,在显示器上显示出故障的类型和位置。在进行常规工作过程中,还对某些重要单元进行动态自诊断,一旦发现故障,也立即自动显示故障类型及位置。因此,自诊断包含两个方面的内容:一是确定线路中是否存在某些类型的故障 ,这称故障检测;二是指示出故障的确切位置,以便维修或采用容错手段将其排除或屏蔽, 这称故障定位。自 1959 年 Eldred 首先提出一维通路敏化的方法解决组合电路的部分诊断问题以来,已有多维敏化法、布尔差分法、布尔微分法、因果函数法等结构诊断法相继问世。但是,这类方法对于大规模集成电路已不能满足实际要求。因此 ,又先后出现了功能诊断法和结构功能诊断法。微机系统常采用的器件,如 8031、EPROM 、ADC0804、DAC0832 等不同于一般的数字电路, 它们不是逻辑门的简单集合,不允许也不必要深入到芯片内部去检测它是否存在故障,以及故障所在的部位。因此,只需通过检测其功能来进行故障诊断。基本思想是:将系统按功能分成若干大模块, 再将每个大模块分成若干小功能模块。从一个最基本的,易于诊断的,且为以后诊断其它功能模块所经常用到的功能模块开始诊断,确定它无故障后,便以它为基础,/从小启动 0,依次对越来越复杂的功能模块进行故障诊断,这就是结构功能诊断法。4.1.1 EPROM 的自诊断EPROM 中存放着微机系统的监控程序和重要数据 ,它的任一存储单元的失效,都将导致整个控制软件的失灵。必须保证在整个测量过程中不出故障。其诊断要求是: 第一 ,是否能正确读出其内容;第二,它的内容是否已被破坏。采用开机自诊断和动态自诊断两种方法进行。为了诊断方便,采用了模块结构形式。在每一模块的最后一个字节 ,增加一个八位的奇偶校验字,用它来使该模块中的每列数据位的奇偶性为 1。即系统开机上电后,先检测 8031 无故障后 ,再检测 E-PROM。逐个读出每个模块中的每个字节, 与前一个字节进行/ 异或 0 操作,在完成对每一模块的这一检测后 ,累加器的内容应是#FFH,否则,提示该模块有故障。EPROM 的动态自诊断是借助 8031 的定时器,在程序运行到每一模块时,先对定时器预置本模块运行所需时间(留余地),正常运行时, 每一模块结束, 立即对定时器清零。若该模块出现故障,规定的计数时间到达,并未被清零,定时器将发出脉冲信号,一方面显示故障模块的代号,另一方面使系统复位,重新启动运行。若恢复正常运行,则表明该模块发生了暂时故障,且自动排除。否则,为固定故障, 必须更换或重写。4.1.2 RAM 的自诊断RAM 是微机中的重要部件,主要用它存取现场的各种输入/ 输出数据和中间计算结果,或用它来与外存储器交换信息和作为堆栈。它的存储单元中的内容既可读出,也可写入。其诊断方法很多,如列条法、棋盘法、散步法、地址极端法等。这里我们介绍跃步模式法。若将#55H 写入所有的单元,然后, 读第 i 单元是否正确, 以检验该单元的读写功能;再将该单元改写成反码 #AAH,之所以改写为反码,是因为此时地址寄存器和译码器的每一位都要发生变化, 属于一种极端情况。再读出, 以检验该单元的写入恢复功能及取数时间是否存在故障;最后, 再检测其它单元是否仍为#55H,以检验这些单元是否因第 i 单元的改写而写了任何东西。至此,第 i 个单元诊断完毕,再转入第 i+1 单元,重复上述过程直至 RAM 的所有单元诊断完毕。以地址为#7F00H7FFFH 的 8155 为例, 测试程序如下:MOV DPTR,#7F00H ;8155RAM 起始地址MOV R1,#00HCLR 00H ;出错标志位置 0TEST1: MOVX DPTR,#55H ;全部写入#55HINC DPTRDJNZ R1,TEST1MOV DPTR,#7F00HTEST2: MOVX A,TPTR ;读出一单元内容CJNE A,#55H,ERR ;若不等于#55H,出错CPLA ;求反MOVX DPTR,A ;再写入MOVX A,DPTR ;再读出CJNEA,#0AAH,ERR;若不等于#0AAH,出错MOV A,#55H ;再写入#55HMOVX DPTR,APUSHDHL ;保存数据指针低八位MOV DPTR,#7F00HMOV R1,#0FFHTEST3: MOVX A,DPTR ;循环检查其它寄存单元是否被改写CJNE A,#55H,ERRINC DPTRDJNZ R1,TEST3POP DHL ;恢复数据指针低八位INC DPTR ;检查下一单元MOV A,DHLCJNE A,#0FFH,TEST2RETERR: SETB 00H ;出错标志位置 1RET4.1.3 A/D 转换模块的自诊断微机系统中 A/D 转换通道往往不止一路,在某一路模拟输入端接地 ,启动 A/D转换后读取结果, 如果等于预定值,则 A/D 通道正常。如 ADC0809,当模拟输入端接地时,转换结果应为 80H,转换时间一般为 100Ls,同时转换结束以后,EOC 引脚应出现高电平。因此,在启动转换的同时,也启动定时器, 定时值略大于 100Ls,EOC 引脚接 8031 的 INT0 脚,若在定时范围内,INT0 收到 EOC 脚的上跳信号, 则 A/D 通道正常, 定时器复位 ,且关闭定时器;否则, 定时器计数溢出, 并提示该 A/D 转换通道发生故障。若在定时范围内,INT0 收到 EOC 脚的上跳信号, 但转换结果不等于 80H,则说明产生零漂, 若零漂过大,