Техническая реализация систем диагностики с программной и аппаратной избыточностью

3.1 Техническая реализация систем диагностики с программной и аппаратной избыточностью

         Развитие современных средств микроэлектроники позволило использовать в системах технической диагностики принципиально новые технические решения. К их числу относятся реконфигурируемые пользователем цифровые и аналоговые системы [65] на кристалле производства фирм ATMEL, ALTERA и Lattice Semiconductor. Новые технические средства эффективны только при реализации с их помощью специально разработанных, ориентированных под эти технические средства методов измерений и программных алгоритмов. Их особенностями являются:

- возможность параллельного во времени выполнения алгоритмических потоков;

- возможность разделения функций на программно и аппаратно реализуемые;

- возможность пространственно-временного разделения аналоговых каналов.

         Аппаратная избыточность, реализуемая на базе «систем на кристалле», дает следующие преимущества по сравнению с системами построенными без таковой по традиционным принципам:

- улучшение критерия «стоимость-эффективность»;

- возможность изменения аппаратной части схемы программным путем при реализации различных методов измерения;

- инвариантность по способу обмена информационными потоками с периферийными устройствами;

- возможность поддержки различных интерфейсов без изменения структуры системы;

Рекомендуемые материалы

- удаленное конфигурирование и администрирование как программной, так и аппаратной частей СТД;

- изменение функциональных возможностей системы без выполнения монтажных работ;

- адаптация параметров аналоговых трактов под изменяющиеся, вследствие развития технических средств, требования к решению задач диагностирования.

         Перечисленные возможности могут быть реализованы как в мобильных, так и в стационарных системах технической диагностики и контроля СЖАТ [4].

Для построения мобильных СТД необходимо выполнение следующих требований:

- автономность и экономичность;

- поддержка максимального количества внешних интерфейсов для передачи информации;

- малые габариты и вес;

- возможность работы под управлением систем более высокого уровня.

Отвечающие этим требованиям комплексы могут работать и на стационарных объектах ж.д. транспорта.

Ядром мобильной СТД является реконфигурируемая пользователем «система на кристалле» FPSLIC. Она обеспечивает возможность получать такие параметры измерительного тракта, которые позволяют эффективно решать задачу диагностики конкретного объекта. Переконфигурируемая цифровая часть позволяет объединить несколько измерительных каналов в единый программно-аппаратный комплекс. Также она позволяет реализовать модель диагностируемого устройства на программно-аппаратном уровне и, тем самым, снизить требования к каналам передачи данных при высокой достоверности результатов определения технического состояния устройств ЖАТ.

Программная реконфигурация аппаратных средств позволяет изменять параметры интерфейса связи [66], внутренние сигналы управления и алгоритмы не только на программном, но и на аппаратном уровне (рис.3.3).

Программная модель цифровой ПЛИС

Рис.3.3

         Процесс реконфигурирования может происходить по команде извне, когда внешний контроллер, выполняющий функции интерфейсного модуля, принимает данные, содержащие конфигурационную информацию и осуществляет перепрограммирование  микросхемы. Этот режим предпочтительно использовать в случаях, когда система на базе FPSLIC является подчиненной и управляется внешними устройствами.

         Наличие такого режима позволяет изменять конфигурацию FPGA в системе алгоритмически по ходу выполнения рабочей программы микроконтроллера. Это повышает надежность системы и ее быстродействие, дает возможность реконфигурации, если того потребует состояние объекта диагноза или пользователь. Часть функций диагностики может выполняться без участия центрального процессорного ядра FPSLIC, что снижает требования к надежности аппаратного [67] и программного обеспечения. К выходам FPSLIC применяется оптоэлектронная гальваническая развязка, что требуется для безопасного подключения к устройствам СЦБ.

Система контроля параметров устройств СЦБ на базе переносного измерительного комплекса (рис.3.4) работает следующим образом. Входной аналоговый сигнал с объекта диагноза через ССЗ поступает на аналоговую матрицу ispPAC с программно изменяемой внутренней схемой и параметрами входящих в нее узлов (рис.3.5, 3.6). Она содержит в себе активные элементы и позволяет получить заданные параметры измерительного тракта (АЧХ, ФЧХ, суммирование сигналов входных цепей и т.д.) без изменения принципиальных схем и перепайки [68]. Различные конфигурации ее внутренних элементов позволяют реализовать прямой, компенсационный и итерационный методы измерения.

С одного из выходов ispPAC аналоговый сигнал подается на программируемый усилитель (УПКУ), а затем в АЦП. Цифровой эквивалент результата измерений поступает в FPSLIC, куда собирается информация и со всех остальных каналов. Идентификация состояния объекта диагноза в случае распределенной сети передачи данных [69,70] осуществляется либо в пункте концентрации информации, либо в переносном ПК типа Notebook, находящемся на незначительном удалении (до 100м) от ОД. Возможно подключение измерительного контроллера к компьютеру при помощи интерфейса USB [71].

Важной особенностью является то, что система диагностики получает данные непрерывно в реальном масштабе времени и, вместе с этим, ведет их обработку и передачу по радиоканалу [72]. Это принципиальное отличие от систем сбора и обработки информации, которые работают по принципу «измерил пакет - обработал - передал».  Основной их недостаток заключается в том, что ЭВМ получает данные обрывками, в промежутках между которыми состояние проверяемого объекта оценивается лишь вероятностными показателями. Данный факт недопустим при отслеживании быстро протекающих переходных процессов, имеющих место в тональных рельсовых цепях.

Функциональная схема ПЛИСа

Рис.3.5

Функциональная схема реконфигурируемого пользователем

аналогового модуля

Рис.3.6

Примером реализации принципов построения СТД является АСК «Тест». Она предназначена для выполнения тестовой диагностики релейной и электронной аппаратуры ж.д. автоматики и телемеханики [2,73]. Основными требованиями, предъявляемыми к стационарным системам диагностики следующие:

- количество выходных каналов от 44 до 200;

- изменение числа каналов без изменения структуры самой системы;

- возможность каждого канала оказывать как управляющее воздействие на объект диагноза, так и выполнять измерительные процедуры;

Вместе с этой лекцией читают "4 Структура философского знания".

- удаленный мониторинг и конфигурирование системы.

Структурная схема одного из каналов представлена на рис.3.7. В целях самодиагностики и обеспечения высокой точности измерений при выходе из нормы параметров передаточных характеристик измерительных каналов, введен тракт обратной связи. Это позволяет определить неисправность в измерительном канале и многократно сократить погрешность измерений при искажениях его передаточной характеристики вследствие нагрева, изменениях параметров элементов и т.п. Таким образом, значительно снижаются требования ко всему измерительному тракту и, как следствие, его стоимость при тех же показателях точности канала в целом.

Функциональная схема измерительно-управляющего канала АСК «Тест»

Управление объектом происходит по цепочке FPSLIC-ЦАП-СС-УМ-(выходной узел)-объект диагноза. Для процесса измерений: (выходной узел)-мультиплексор -ПУ-АЦП-FPSLIC. Назначение матрицы FPSLIC здесь такое же, как и в переносном варианте. Входной узел обеспечивает защиту цепей от импульсных помех, возникающих вследствие переходных процессов в обмотках проверяемых реле, а также согласования уровней сигналов.

Результаты тестовых воздействий затем передаются в ЭВМ, где в реальном масштабе времени идет определение состояния ОД. Подобный режим работы осуществлен при помощи нескольких параллельно протекающих алгоритмических потоков [74,75]. Работать программа может под управлением многозадачных операционных систем Windows9x/Me, Windows2000 или WindowsXP. При разработке программного обеспечения одним из главных требований являлась возможность добавления математических моделей новых устройств без модернизации основной программы. Это позволяет на местах  обновлять программное обеспечение с целью его усовершенствования и добавления новых устройств СЦБ в перечень проверяемых. Таким образом, вносится полезное дополнение в существующие способы организации обслуживания устройств СЦБ [76,77,78].