Практическое занятие №6.

Тема занятия:Диагностика, ремонт и модернизация средств автоматики на основе микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров.

Цель занятия: Ознакомление с современными средствами диагностики и ремонта средств автоматики

Предварительный анализ.

Итак, у Вас в руках плата (модуль) микропроцессорного (микроконтроллерного) устройства входящего в состав одного из судовых средств автоматики. Будем надеяться Вы впервые взяли её в руки, когда она ещё исправна. Как мы увидим дальше, большинство методов диагностики и ремонта требуют не только теоретической подготовки и изучения соответствующих схем и особенностей комплектующих изделий, но и навыков работы со специальным оборудованием и заполнения пробелов в эксплуатационной документации. Последнее, как правило, невозможно при отсутствии годного экземпляра точно такой же (а не аналогичной) платы.

На плате обычно можно выделить следующие разновидности узлов:

Ø узлы питания;

Ø узлы согласования электрических параметров на входе и выходе;

Ø микропроцессорное ядро;

Ø узлы дополнительной обработки сигнала и расширения функций ядра.

Диагностику следует начинать с узлов питания, которых в современных устройствах обычно несколько. Каждый из них следует проверить сначала осциллографом (функционирование и отсутствие пульсаций), а затем тестером на точность выходного напряжения. На данном этапе можно обойтись без осциллографа, оценив пульсации тестером в режиме измерения переменного напряжения (включать через конденсатор).

К узлам согласования относятся полупроводниковые ключи (транзисторы, тиристоры), реле, оптроны, схемы согласования уровней сигнала (например: интерфейсов RS232, RS422 и RS485). Для их проверки, как правило, достаточно тестера и простейших схем подпитки входов и выходов. После подачи соответствующего сигнала на вход платы выход узла согласования (вход микроконтроллера) проверяется тестером. На вход выходного узла согласования сигнал, как правило, подаётся с порта, работающего в режиме открытого коллектора (проверить по схеме). В этом случае запустив в микропроцессорном ядре холостую программу (смотри ниже) можно имитировать сигнал замыканием вывода ядра перемычкой на землю, и проверять работу узлов согласования тестером, обеспечив подпитку выходов. Если на вход узла согласования работает вывод ядра с активной единицей (через резистор на базу транзистора), сигнал с него можно имитировать, включая такой же резистор между базой транзистора и плюсом источника питания процессора.

Наиболее вероятная причина отказа микропроцессорного ядра разрушение информации в ПЗУ. Следует заранее считать и сохранить на надёжном носителе кодировку всех ПЗУ имеющихся в системе, если она не приведена в доступной документации. Только такая мера позволит восстановить или заменить на новую отказавшую микросхему. Признаком отказа микросхемы является повышение её температуры. Современные микроконтроллеры обычно не нагреваются, полезно заранее определить температуру всех микросхем на исправно работающей плате (в крайнем случае пальцем) и записать эти данные для справки. Наконец остаётся проверить все доступные сигналы осциллографом, обращая внимание на уровни логического нуля и единицы и крутизну фронтов.

Узлы последней группы тем многочисленнее, чем старее система, а на современных платах обычно отсутствуют вовсе. Дать точные рекомендации довольно трудно, но предварительную оценку можно провести, как описано в предыдущем случае.

Измерительные приборы.

В наше время тестер стоит от $5 и есть у каждого уважающего себя электрика. Для измерения при диагностике удобнее применять миниатюрные цифровые приборы (можно неповеренные), в отличии от официальных замеров, результаты которых заносятся в судовую документацию. Нельзя надеяться обойтись без осциллографа, причём последний должен быть гальванически развязан от питающей сети. Подойдут ноутбук питающийся от собственной батареи с USB осциллографической приставкой (виртуальный осциллограф), или автономный карманный осциллограф. Стоимость этих приборов ~100$, а внешний вид и краткие технические характеристики приведены ниже.

Oscill - это семейство недорогих эффективных осциллографов с возможностями, перекрывающими большинство потребностей профессиональной и любительской деятельности в электронике, микроконтроллерной технике, связи, электропитании, измерениях...

Полоса пропускания КВО 15МГц

максимальная чувствительность 20мВ/дел

минимальная чувствительность 10В/дел

интерфейс связи с ПК USB/UART

разрядность АЦП 8 бит

объем ОЗУ 2104 байт

в стробоскопическом режиме 800Mвыб/с

частота дискретизации 32Mвыб/с

гальваническая изоляция от ПК 2500 В

скорость соединения с ПК 921кбод

Рис.6.1. Виртуальный осциллограф.

Карманный осциллограф:

Дисплей 2.8″ цветной TFT LCD

Разрешение дисплея 320×240

Количество цветов 65 000

Полоса пропускания 0 — 1МГц

Максимальная частота сэмплирования 2Msps 12бит

Память измерений 4096 точек

Чувствительность по горизонтали 1мкс/дел — 10с/дел (1-2-5 шаг)

Позиция по горизонтали - регулируемая с подвижным маркером

Чувствительность по вертикали 10мВ/дел — 10В/дел (с ×1 щупом)

0,5В/дел — 100В/дел (с ×10 щупом) (переключается)

Позиция по вертикали - регулируемая с индикатором положения

Входное сопротивление >500KΩ

Максимальное входное напряжение 80В (с ×1 щупом)

Режимы триггера - Auto, Norma, Single, None and Scan

Рис.6.2. Карманный

Осциллограф.

Функциональность:

Автозамеры: частоты, периода, скважности. Действующее, амплитудное, среднеквадратичное напряжение.
Точное измерение по вертикали (маркеры)
Точное измерение по горизонтали (маркеры)
Фронт/спад триггер
Уровень триггера - регулируемый с индикатором
Чувствительность триггера - регулируемая с индикатором
Удержание/запуск измеренной осциллограммы.

Пробный сигнал встроенный 10Гц — 1МГц (1-2-5 шаг)

Хранение формы кривой - карты памяти SD

Подключение к USB как SD картридер

Обновление прошивки через bootloader по USB

Источник питания 3,7В литиевая батарея 700мАч, или USB-порт.

Габариты (без щупов) 105 X 53 X 8 мм

Если предварительный анализ не дал результата, следует использовать описанные далее более сложные методы анализа. Среди них наименьшей квалификации оператора требует сигнатурный анализ.

Сигнатурный анализ.

К созданию сигнатурного анализа привела, возникшая более тридцати лет назад, практическая потребность диагностирования сложной цифровой вычислительной техники и измерительных систем. Так выяснилось, что для безошибочного контроля и диагностики появившихся микропроцессорных систем как раз не хватало (!) существовавших ранее классов контрольно-измерительных приборов (вольтметров, частотомеров и т.д.), которые в принципе не годились для контроля сложных цифровых схем.

Аналоговые схемы проверяются путем подачи известных входных сигналов и контроля каждого узла в тракте распространения сигнала с помощью тестера, а при необходимости, и осциллографа. При обнаружении нестандартного сигнала подозрение падает на ту часть схемы, которая управляет узлом, и именно она исследуется более тщательно. В принципе таким же образом можно проверять и цифровые схемы: подавать известные тест-наборы и контролировать каждый узел в тракте распространения сигнала. Однако цифровые системы радикально отличаются от аналоговых систем не только самой природой сигналов, но и наличием гораздо большего числа сигнальных входов. Если бы цифровой системой можно было управлять таким образом, что на всех ее входах действовал четко определенный тест-набор, то каждый узел можно было бы проверить на фиксированный набор событий. В любом узле при каждом выполнении стимулирующей программы возникает один и тот же набор, и его можно использовать для проверки правильной работы узла. Если измеряемый набор отличается от ожидаемого, следует подозревать наличие отказа между данным узлом и стимулируемыми точками системы. При заданном фиксированном тест-наборе измеряемый набор в любом узле оказывается уникальным, и его можно использовать для контроля по принципу “проходит/не проходит”. Измеряемая реакция узла на известные тест-набор называется “сигнатурой” (т.е. подписью) по аналогии с уникальностью рукописных подписей у людей. Рассмотренный принцип лежит в основе целой области цифрового тестирования, называемой сигнатурным анализом.

Этот подход основан на получении меток, которые представляют собой сжатые отображения обычно достаточно длинных последовательностей данных. Устройство, осуществляющее это отображение, должно быть таким, чтобы полученные с помощью него метки, показания и т.п., были бы достаточно информативными и содержали бы по возможности всю информацию. Наиболее целесообразно метку называть сигнатурой только в том случае, если измерительный прибор, с помощью которого получается эта метка, обладает "перемешивающим" свойством. Оно состоит в том, что при фиксированном начальном состоянии этого прибора “сколь угодно мало” отлучающимся входным процессам будут соответствовать “сильно отличные” финальные состояния (показания прибора после окончании анализа). Свойствами перемешивания обладают те дискретные динамические системы, которые при нулевом входном сигнале могут вести себя подобно генератору псевдослучайных последовательностей сложной формы с очень большим конечным периодом существенно превышающим (!) время эксперимента. Оператору в этом случае, достаточно лишь знать, что совпадает ли замеренная сигнатура с опорной, указанной в документации и в какой точке контролируемой схемы проверять следующую сигнатуру.

В циклическом избыточном контроле входной двоичный набор подается в линейную схему, которая осуществляет деление двоичного потока на некоторый характеристический полином, и в регистре сдвига образуется остаток от деления. Обычно остаток добавляется к передаваемому двоичному потоку в качестве кода, обнаруживающего ошибки. Если же вместо добавления остатка к двоичному потоку вывести его на индикацию, это значение будет уникальным для входного двоичного набора. Имея запоминающие элементы, схема учитывает все прошлые и текущие события и может обрабатывать очень длинные потоки данных. Уникальный остаток для конкретного входа служит как бы “отпечатками пальцев” этого набора и может использоваться для его идентификации. Зависимость остатка от входного двоичного потока привела к термину “сигнатура” (т.е. подпись). Фактическое значение сигнатуры несущественно, но оно должно быть одним и тем же для данного узла, когда он стимулируется одним и тем же тест-набором и когда применяется те же самые сигналы пуска, останова и синхронизации.

Для получения наилучших результатов при применении способа регистра сдвига требуется последовательность максимальной длины, что приводит к широкому классу схем, называемых генераторами псевдослучайной последовательности. В 16-разрядном регистре сдвига имеется 2048 способов реализации отводов обратной связи, удовлетворяющих данному критерию. Фирма Hewlett-Packard (родоначальник этого метода) остановилась на нечетном числе входов, применив неприводимое выражение обратной связи X¹⁶+ X¹²+ X⁹+ X⁷+ 1, которое соответствует характеристическому полиному X¹⁶+ X⁹+ X⁷+ X⁴+ 1.

По существу, получается портативный прибор, содержащий 16-разрядный регистр сдвига с сумматором по mod 2 на входе. С помощью сигналов пуска и останова входной сигнал подается в схему, а сигнал синхронизации от проверяемой системы сдвигает данные в регистре. По окончании интервала измерения осуществляется индикация содержимого регистра как характеристической сигнатуры проверяемого узла.

Как правило, в изделия, при эксплуатации которых предполагается использовать сигнатурный анализ, в процессе разработки вносят следующие средства, позволяющие производить этот анализ наиболее простыми и дешевыми приборами и повысить эффективность контроля:

1. Средства, позволяющие разрывать в режиме контроля цепи обратной связи в контролируемой схеме. Когда выходит из строя один из элементов, входящих в контур с обратной связью, локализовать неисправности внутри этого контура с помощью сигнатурного анализа не удается. Что же касается МПС в целом, то она целиком охвачена обратной связью по контуру программного управления. Поэтому для применения сигнатурного анализа необходимо иметь возможность разрывать цепи обратной связи в режиме тестирования МПС. Для однокристального микропроцессора это условие реализуется отключением шины данных от входа МП. Разрыв обратной связи по шине данных можно реализовать с помощью механических переключателей или электронных ключей.

2. Схемы, вырабатывающие сигналы Пуск и Стоп, необходимые сигнатурному анализатору для формирования измерительного “окна”, т.е. интервала времени, в течении которого накапливается сигнатура.

3. Тестовая программа, либо специально разработанная, либо определенная рабочая программа, если она, по мнению разработчика, в достаточной мере использует все устройства МПС.

Увеличение объема аппаратуры и стоимости разработки МПС с учетом требований применимости сигнатурного анализа по сравнению с объемом и стоимостью обычной МПС не превышает в среднем 1%.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 Следующая ⇒