Средства автоматизации – основные понятия, диагностика и методы поиска неисправностей

Простейшие виды тестирования ввода-вывода (ВВ): функционирование микросхем ВВ и соответствующих частей МПС проверяют путем подсоединения переключателей ко входному порту и соответствующих регистрирующих устройств (светодиодов, осциллографов, анализаторов) к выходному порту.

Программа для проверки ВВ имеет вид:

I/OTEST XOR A ;СБРОСИТЬ РЕГИСТР А

OUT(OUTPORT), A ;ВЫКЛЮЧИТЬ ВСЕ ПОРТЫ

I/OLOOP IN A, (INPORT) ;ВВЕСТИ СОСТОЯНИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ

OUT(OUTPORT), A ;ВЫВЕСТИ НА ПОРТЫ

CP 81H ;УСТАНОВЛЕНЫ МЛАДШИЙ И СТАРШИЕ

;БИТЫ?

JP NZ, I/OLOOP ;ЕСЛИ НЕТ, ВВЕСТИ НОВЫЙ ВХОДНОЙ НАБОР

Каждый входной и соответствующий выходной бит нужно проверить для обоих логических состояний путем инвертирования состояния каждого бита. Чтобы обеспечить окончание программы, введена проверка, что переключатели в младшем и старшем битах установлены одинаково. При удовлетворении этого условия осуществляется завершение программы. Иногда проверку можно автоматизировать, если имеется возможность подсоединить выходной порт к входному и выполнить программу, которая проверяет каждый бит. Программа контролирует, что выданный двоичный набор совпадает с принятым и индицирует отказ при рассогласовании.

Тестирование периферийных устройств: в общем случае МПС является только частью более большой системы, которая имеет в своем составе различные периферийные устройства. Если сама МПС функционирует нормально, то ее можно использовать для генерации тестов для периферийных устройств. В большинстве устройств периферии имеет место применение простых средств индикации прохождения управляющих сигналов и воздействий по методу «проходит - не проходит». Интерфейсы, обеспечивающие взаимодействие МПС с периферийными устройствами или другой МПС проверять довольно затруднительно. В ряде случаев в МПС автоматизации входят подсистемы аналого-цифрового преобразования. При считывании электрических аналогов параметров процесса, измеряемых с помощью разнообразных датчиков, сигналы обычно через входной мультиплексор подаются в схему АЦП. Для управления пропорциональными исполнительными устройствами необходимы ЦАП. АЦП в отдельности проверяются путем подачи на их входы известного эталонного напряжения и выполнения программы, которая каким-либо образом индицирует его цифровой эквивалент. ЦАП можно проверить с помощью программы, которая посылает в ЦАП определенные двоичные коды, а получившееся выходное напряжение измеряется цифровым вольтметром. Для оценки динамических характеристик ЦАП программа проверки должна синтезировать на выходе пилообразный сигнал, форма которого обычно проверяется осциллографом. Самоконтроль любых периферийных устройств или подсистем почти всегда требует наличия дополнительных схем, которые необходимо предусмотреть при проектировании. С одной стороны, данный избыточный подход оказывается неудовлетворительным, так как дополнительные схемы сами подвержены отказам, а лишние соединения ухудшают надежность всей системы. С другой стороны, тестирование на функциональном уровне связано с незначительным усложнением схем, но позволяет упростить эксплуатацию системы, в которой главной целью является минимизация простоев.

4.3.3 Диагностика интерфейсов микропроцессорных систем

Тестирование последовательных линий связи: обычно информация передается между отдельными частями современной системы автоматизации из-за экономии материалов линий связи и простоты конструкторских решений в последовательном формате. В упрощенной форме последовательная передача требует наличия всего двух физических проводников -- сигнального провода и обратного общего, что, безусловно, уменьшает расходы на создание каналов связи. Данные обрабатываются и хранятся в МПС в параллельной форме и для передач и должны быть преобразованы в последовательную форму.

Принятые после передачи из линии связи данные до обработки обратно преобразуются в параллельную форму. Основой схем преобразования служит регистр сдвига, в который данные загружаются в параллельном коде, а выдаются синхронно с импульсами синхронизации. Регистр сдвига осуществляет и обратное преобразование -- данные вводятся из линии связи в последовательном коде, а считываются параллельно. Наиболее распространен стандарт последовательной связи RS232 [8].

Первоначально он был разработан для передачи данных по телефонным линиям с модемами (модуляторами-демодуляторами). В дальнейшем его адаптировали к использованию в МПС управления как средство последовательной связи отдельных периферийных терминалов. Стандарт RS232 и его разновидности предполагает использование 25-контактного разъема, в котором каждый контакт предназначен для сигнала, функции и направления передачи которого полностью определены стандартом. Также стандартом определяются электрические характеристики сигналов -- уровни напряжения, максимальная длина линии связи и скорость передачи данных.

Максимальная длина линии, м 30

Максимальная скорость передачи, бит/с 20000

Уровень «1»,В +1,5…+36

Уровень «0»,В -1,5… -36

На практике уровень напряжений обычно равен ±12В.

Модему должна соответствовать ответная часть разъема («мама»), а терминалу -- штырьковая. «Пустой» модем состоит из сводного кабеля с одинаковыми разъемами на обоих концах: в данном случае штырьковые части.

Для обеспечения передачи данных подключение сигнальных линий к контактам на одном конце кабеля изменено так, что с другой стороны они воспринимаются как сигнальные линии от оборудования. Применяются следующие мнемоники сигналов:

AB -- сигнальный общий провод (сигнальная земля);

СЕ -- индикатор звонка (из модема);

CD -- готовность терминала DTR (в модем);

СС -- готовность модема DSR (из модема);

ВА -- передаваемые данные (в модем);

ВВ -- принимаемые данные (из модема);

DA -- синхронизация передатчика (в модем);

DB -- синхронизация передатчика (из модема);

DD -- синхронизация приемника (из модема);

СА -- запрос передачи RTS (в модем);

СВ -- сброс передачи CTS (из модема);

СF -- детектор сигнала приемной линии (из модема);

СG -- детектор качества сигнала (из модема);

СН -- селектор скорости передачи данных (в модем);

СI -- селектор скорости передачи данных (из модема);

SBA -- вторичные передаваемые данные;

SBB -- вторичные принимаемые данные;

SCA -- вторичный запрос передачи;

SCB -- вторичный сброс передачи;

SCF -- детектор сигнала вторичной приемной линии.

Часто в связном канале между МПС и терминалом для управления передачей информации применяются только 4 линии квитирования -- RTS, CTS, DTR и DSR. Периферийное оборудование на одном конце линии может требовать управляющего сигнала CTS, который разрешает передавать ему данные. Если этот сигнал не формируется системой на противоположном конце кабеля, то его необходимо аппаратно встроить в устройство, чтобы устройство как бы принимало сигнал квитирования с другого конца. Такое подключение осуществляется в обоих концах кабеля и называется автоответом (рис.4.15). Соединения автоответа можно реализовать и в «пустом» модеме. Они отличаются от приведенных на рисунке тем, что линии, подключенные к контактам 2 и 3 меняются местами на одном конце кабеля, при этом оба разъема одинаковы (оба либо «папа», либо «мама»).

Cигнальный общий провод АВ Передаваемые данные ВА Принимаемые данные ВВ Запрос передачи СА Сброс передачи СВ Готовность терминала CD Готовность модема СС

Рис.4.15 Реализация сигналов автоответа

Прежде чем передавать информацию между двумя системами, обе должны быть запрограммированы на одинаковые формат и скорость передачи данных. Одним из распространенных способов кодирования, который обеспечивает передачу символьных и управляющих кодов между системами, является 7-битный кодASCII (американский стандартный код для обмена информацией). Порядок передачи данных называется протоколом обмена и определяет не только порядок передачи кодов символов, но и порядок работы с управляющими битами, которые необходимы для синхронизации взаимодействующих систем. Приемнику необходимо сообщить о начале и конце передачи символа, кроме того, требуется передать контрольные биты для обнаружения ошибок при передаче. На практике применяются два основных способа передачи: синхронная и асинхронная передачи. Протоколы синхронной передачи намного сложнее протоколов асинхронной передачи и не определяются стандартом RS-232C. При асинхронной передаче требуется, чтобы от передатчика в приемник первым был послан стартовый бит, информирующий о начале передачи символа (рис.4.16). После него передается 7-битный код символа, причем первым передается младший бит, а последним --старший бСиттар Затем передается контрольный бит или бит пар Битиетта.бит мвол паритета

Протокол (от греч. protos -- первый + kollao -- клею) -- первый лист с обозначением даты и фамилии чтеца. Способ реализации бита паритета в разных системах варьируется. Бит паритета может отсутствовать, может применяться четный и нечетный паритет. При четном паритете передатчик подсчитывает количество единиц в передаваемом коде символа и при четном числе устанавливает в бите паритета уровень логического «0». При нечетной сумме бит паритета устанавливается в логическую «1». При этом общее количество единиц между стартовым и стоповым битами всегда является четным. Нечетный паритет используется аналогичным образом. Единственный контролный бит паритета позволяет обнаруживать все однобитные ошибки передачи, но может не зафиксировать многобитные ошибки. Приемник подсчитывает число принятых «1» и фиксирует ошибку, если результат не совпадает с используемым типом паритета. После передачи бита паритета до начала передачи следующего символа, линия передачи остается незадействованной в течении одного, полутора или двух периодов синхронизации. Эти стоповые биты сохранились с того времени, когда периферийные устройства в своем большинстве были электромеханического типа и не могли быть готовыми сразу к приему следующего символа из-за своей инерционности.

Контроль приборной шины IEEE-488: скорость передачи данных между системами резко увеличивается при переходе от последовательного формата к параллельному [7]. Однако по мере увеличения линий в шине быстро растут сложность схем интерфейса и расходы на соединительные кабели. Компромиссный вариант заключается в том, чтобы зарезервировать для шины данных, например, 8 линий и ввести несколько линий для управления передачами по шине. Такой подход был предпочтен фирмой Hewlett-Packard для соединения испытательного оборудования. Шина получила широкое распространение и имеет несколько разных названий: универсальная интерфейсная шина (GPIB); стандарт IEEE-488 (1975г) (1978г); шина ANSI (стандарт МС1.1 -- 1975г Американского национального института стандартов); шина IEC 625-1 (стандарт международной электротехнической комиссии). Этот стандарт на параллельную передачу данных устанавливает спецификации на электрические и механические параметры шины; уровни сигналов ТТЛ совместимы, но требования по току превышают возможности стандартных ТТЛ микросхем. Скорость передачи данных составляет до 1 Мбит/сек и к шине одновременно можно подключить до 15 основных устройств. Внутри каждого основного устройства возможны обращения еще к 32 вторичным адресам. Физически подключенные к шине устройства должны размещаться на удалении не более 4 м при максимальном удалении (длине шины) равном 20 м. Длина шины передачи определяется как удвоенное число устройств на шине, представленное в метрах. 24-х контактные разъемы позволяют реализовать звездную или радиальную конфигурацию системы связи устройств. Евростандарт имеет 25-контактный разъем.

Шина предназначена для программируемых приборов и функционирует под управлением контроллера шины, который управляет всеми передачами данных. Передаваемые данные не проходят через контроллер, но могут быть выданы на шину одним прибором и восприняты несколькими другими под общим управлением контроллера. В шину входят 16 линий: 8 для передаваемых данных и еще 8 для сигналов управления. 16 линий можно объединить в три группы: линии ввода-вывода данных (8 линий), линии управления передачами (3 линии) и линии управления интерфейсом (5 линий).

DI/O(1) - DI/O(8) -- линии передачи данных;

DAV -- данные действительны; \ линии

NRFD -- неготовность данных; | управления

NDAC -- данные не восприняты; | передачами

EOI -- конец или идентификация; |

IFC -- сброс интерфейса; /

SRQ -- запрос обслуживания; \ линии

ATN -- внимание; | управления

REN -- дистанционное разрешение. /

Система может иметь только один контроллер, который управляет передачей данных из одного в один или в несколько других приборов. Любой прибор в каждый момент времени может быть только передатчиком или только приемником, но контроллер может перепрограммировать прибор и изменить его функцию. Линии данных используются также для передачи адресной информации. Скоростью передачи данных от передатчика к приемнику управляют три линии квитирования DAV, NRFD и NDAC. Линии управления интерфейсом осуществляют передачу управляющей информации, которая может быть инициирована контроллером или передатчиком путем выдачи сообщения на шину данных.

EOI -- конец или идентификация. На этой линии контроллер или передатчик формирует истинный низкий уровень, когда по шине передан последний байт сообщения, т.е. этот сигнал означает конец передачи. Совместно с линией ATN применяется для инициирования последовательности опроса с целью определения наличия запроса на обслуживание от устройств, подключенных к шине.

IFC -- сброс интерфейса. При логическом «0», который может сформировать только контроллер, все устройства переводятся в нерабочее состояние. Сигнал общего сброса.

SRQ -- запрос обслуживания от контроллера любого устройства. Фактически действует как сигнал прерывания программы контроллера. По сигналу SRQ контроллер с помощью сигналов на линиях EOT и ATN переходит в режим опроса, чтобы определить, какое устройство запрашивает обслуживание.

ATN -- внимание. Выдается на линию только контроллером. «0» информирует все устройства о том, что на шине DI/O находится адресная или управляющая информация. Когда сигнал на линии ATN «1», взаимодействие с шиной разрешается только тем устройствам, которые ранее были определены как передатчики или приемники. REN - дистанционное разрешение, «0» выдает только контроллер.

Если на линии «1», то все устройства переводятся в режим локального управления.

Во всех передачах данных участвуют три линии управления передачами DAV, NRFD и NDAC. Реализуемый ими протокол квитирования обеспечивает режим передачи, при котором данные не снимаются с шины до тех пор, пока их не воспримут и не запомнят все устройства, запрограммированные на получение этих данных. Все передачи данных осуществляются со скоростью, определяемой самым медленным устройством, подключенным к шине. Линией DAV управляет передатчик, а линиями NRFD и NDAC -- активизированные приемники на шине.

Сигнал DAV показывает наличие на шине действительных сигналов данных, сигнал NRDF указывает на готовность приемников к приему данных и сигнал NDAC идентифицирует окончание приема данных приемниками. Анализ неисправностей универсальной интерфейсной шины можно проводить с помощью логического анализатора по заднему или переднему фронту сигнала на линии DAV; по заднему фронту NRFD или переднему NDAC. Синхронизация данных по заднему фронту сигналов DAV или NRFD вызывает регистрацию данных до их передачи, а передний фронт сигналов DAV и NDAC обеспечивает фиксацию и прослеживание данных только после того, как они восприняты всеми приемниками.

Параллельный интерфейс МПС представляет собой специальные аппаратные средства, в которые или из которых можно осуществлять пересылку данных с помощью команд чтения/записи ввода-вывода. Также для задания режима работы интерфейсного устройства используются команды, задающие направление передачи данных и другие параметры пересылки.

Наиболее простое параллельное устройство ввода-вывода состоит из управляющего регистра и единственного порта (рис.4.17).

Рис.4.17.Схема устройства параллельного ввода-вывода

Данные, загруженные в управляющий регистр, определяют для каждого внешнего контакта порта, используется этот контакт для ввода или для вывода. С помощью специального входного сигнала указывается, будет ли передача осуществляться между микропроцессором и портом или между процессором и управляющим регистром. Выбор устройства передачи осуществляется выходными сигналами дешифратора, подключенного к адресной шине или к шине адресов ввода-вывода, причем одновременно не может быть выбрано более одного устройства. При более сложных вариантах пересылки данных в схеме ввода-вывода обычно используются сигналы, характерные для режимов обмена с квитированием: сигнал готовности данных (ДГ) и сигнал -- квитанция (КВ), служащий для подтверждения приема (рис.4.18)

Рис.4.18.Сигналы параллельного интерфейса

Источник передачи изменяет значение данных на выходных линиях и после небольшой задержки, в течении которой происходит установка этих значений, информирует приемник с помощью сигнала ДГ о том, что данные для пересылки готовы. Приемник воспринимает данные и сообщает об этом посредством короткого сигнала положительной полярности КВ. Этот сигнал может быть использован в источнике передачи для сброса сигнала ДГ, а в некоторых случаях и для выработки сигнала прерывания, сообщающего процессору о возможности ввода очередного элемента данных.

Простейшая разновидность параллельного интерфейса «Centronics» (ИРПР-М) содержит восемь линий данных и две линии квитирования: стробирования (STR) и подтверждения приема (ACK). Каждая сигнальная линия имеет собственный обратный провод и подключается к определенному контакту стандартного разъема, обычно с помощью скрученных пар для повышения помехоустойчивости. Сигналам D0 - D7 соответствуют обратные провода 20-27, а сигналам STR и ACK соответствуют номера 19 и 28.

Последовательность передачи данных следующая (рис.4.19):

источник устанавливает данные на линиях D0…D7;

после установки стабильных значений данных выдается сигнал STR;

положительный фронт сигнала STR инициирует передачу данных в приемник (через логические схемы приемника);

когда приемник готов к получению новых данных, он выдает сигнал АСК, после положительного фронта которого может быть подан новый сигнал STR.

Рис.4.19.Сигналы интерфейса “Centronics”

Также в интерфейсе «Centronics» могут быть дополнительно следующие сигналы:BUSY (занятость) -- сигнал (активная «1»), указывающий, что данные не могут быть приняты. Обычно сигнал указывает на заполнение буфера. Контакт N11.

PRIME (начало) -- сигнал (активный «0»), служащий для инициализации логических схем приемника. Контакт N31.

3. PAPER END (конец бумаги) -- сигнал (активная «1»), информирующий, что кончилась бумага или выключатель принтера находится в положении «OFF»(выключено). Контакт N12.

SELECT (DESEL) (готовность приемника) -- сигнал (активная «1»), указывающий, что разомкнуты аварийные выключатели. Контакт N13.

FAULT (неисправность) -- сигнал (активный «0») указывающий, что разомкнуты аварийные выключатели. Контакт N22. Обратные провода сигналов принтера обычно присоединены к контактам 14, 16 и 33, а напряжение питания +5В на 18. Выводы 34, 35 и 36 обычно не задействованы но могут быть использованы для передачи нетиповых сигналов.

INIT (сброс) -- логическая «1» не вызывает установку приемника в исходное состояние. «0» вызывает установку в исходное состояние. Продолжительность не менее 2,5мкс. Контакт N16.

ERROR (ошибка) -- логические «1»/«0», означает, что в приемнике нет/есть состояние ошибки. Этот сигнал ошибки является асинхронным. Контакт N15.

SLCTIN (выбор) -- логические «1»/«0» означает, что приемник не выбран/выбран и не будет/будет принимать информацию с линии данных. Контакт N17.

AVTOFD (автоматический перевод строки) -- логические «1»/«0» означают, что приемник не выполняет/выполняет самостоятельный перевод бумаги на одну строку по окончании печати. Сигнал асинхронный.

Последовательные интерфейсы с токовой петлей: при этом способе передачи линия связи представляет собой пару проводов, которые образуют цепь, содержащую переключаемый источник тока и приемник (рис.4.20).

Рис.4.20 Последовательный интерфейс с токовой петлей

Токи, превышающие 17 мА служат в такой схеме представлением логической 1, а токи меньше 2 мА -- 0. Такие интерфейсы стандартизированы в меньшей степени, чем интерфейсы,, соответствующие RS-232, но они более широко распространены в промышленности, так как более помехозащищены и позволяют осуществлять связь на большие расстояния без применения модемов. Системы с токовой петлей могут быть построены так, что линия передачи в них оказывается развязанной как с источниками питания, так и, за счет применения оптронов, с передатчиком и приемником (рис.4.21). Передатчики и приемники могут быть активными и пассивными.

Дифференциальные системы передачи (RS-422 и RS-485): использование дифференциального принципа передачи (рис.4.22) повышает помехоустойчивость и позволяет существенно увеличить длину линий связи и скорость передачи. Стандарт RS-485 ориентирован на совместную работу нескольких источников и нескольких приемников.

Рис.4.21 Последовательный интерфейс с токовой петлей с источником тока в передатчике

Рис.4.22 Последовательный интерфейс RS-422 и RS-485

Поиск неисправностей в последовательных интерфейсах осложнен тем обстоятельством, что имеет место мультиплексирование данных и команд и использование уровней напряжения, которые отличаются от стандартных логических уровней. Внешнее проявление обычно фиксируется в приемной части, хотя может быть вызвано нарушениями в последовательно-параллельном или параллельно-последовательном преобразовании. Источником ошибок при передаче данных могут быть помехи, влияющие на работу линий передачи и источников питания интерфейсных схем. Обычно в процессе поиска неисправностей в таких системах первоначально проверяют:

скорость передачи;

число битов данных;

вид контроля на четность;

количество стоповых битов.

Эти четыре характеристики в общем случае должны быть заданы одинаковыми на обоих концах линии связи. В системах передачи с односторонним размещением источника питания линия должна иметь отрицательный потенциал по отношению к земле во время отсутствия передачи данных. Это напряжение проверяется с помощью вольтметра или осциллографа и если оно не соответствует норме, значит, имеют место неисправности либо заземления, либо в интерфейсной схеме передатчика или в его схеме питания. В системах с токовой петлей неисправность определяют с помощью миллиамперметра, включенного в петлю (в отсутствии передачи в ней течет ток 20 мА). Для быстрой упрощенной проверки достаточно несколько раз замкнуть и разомкнуть цепь линии, при этом произойдет генерация случайных произвольных (символов) кодов [3]. В более сложных случаях используют анализаторы последовательных данных АПД, специализированные генераторы данных и программы контроля с возвратом данных. АПД по принципам работы аналогичны логическим анализаторам. АПД обычно снабжены пробником, обеспечивающим возможность работы с самыми разнообразными уровнями сигналов и с различными способами кодирования сигналов (положительная или отрицательная логики и т.д.). Последовательные данные обычно преобразуются в параллельную форму и заносятся в память, причем сигнал окончания преобразования каждого полученного блока данных используется в качестве синхросигнала для анализирующей части прибора. Данные обычно непрерывно заносятся в память до тех пор, пока не появится заданное запускающее слово, после чего, происходит запоминание еще некоторого определенного количества данных и запись прекращается. Специализированные генераторы данных (СГД) служат для снижения доли определенности и генерируют известные потоки данных с управляемой скоростью и форматом передачи. Такие генераторы символов удобно использовать для проверки связей с периферийными устройствами, так как они позволяют установить, где имеет место неисправность; либо в канале связи, либо в самом периферийном устройстве, либо в МПС. С помощью генератора можно подать на вход системы определенные последовательности данных и проверить ее реакцию на заранее известные входные воздействия. К числу типовых тестов относ1я.тсПя:ередача и отображение известной таблицы кодов ASCII.

2. Тест типа UU. Эти два символа кода ASCII имеют дополнительные коды, причем значения соседних битов в этих кодах чередуется. При попеременной последовательной передаче двух этих символов образуется последовательный набор данных, в котором количество изменений значений передаваемых битов больше, чем при использовании любых других печатных символов. Такой набор символов позволяет хорошо проверять работу как аппаратных, так и программных средств, в которых имеют место неисправности, связанные с синхронизацией. Аналогично применяются тесты из слов АА(16) 55(16).

Циклическая передача конкретных символов или двоичных наборов. Удобна для работы с осциллографом.

В системах передачи с входными буферами и линией квитирования, по которой передают сообщение о заполнении буфера применяют специально подобранные тесты для быстрого заполнения буфера без существенного увеличения времени на отработку управляющего символа (кода). Например, код перевода строки принтера.

При поиске неисправностей с помощью программных средств тестирования с возвратом данных различные наборы данных сначала выводятся, а затем принимаются и проверяются с помощью одних и тех же аппаратных средств. Этот метод применим лишь для контроля систем, в которых возможна одновременная передача-прием информации; и не применим для систем с программной реализацией последовательно-параллельных преобразований. Основной целью тестов этого типа является пересылка таких последовательностей данных, которые либо с наибольшей вероятностью приводят к возникновению ошибок передачи и приема, либо позволяют локализовать неисправность с точностью до конкретного участка ввода вывода.

Размещено на Allbest.ru