CN100483278C - 具有扩展的硬件故障识别的过程测量仪表 - Google Patents

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Abstract

一种过程测量仪表，包括：第一处理器(21)，其在第一处理周期中利用算法执行测量值处理；和第二处理器(25)，其负责协调和/或通信任务。第二处理器(25)以大于第一处理周期的时间间隔从第一处理器(21)读出控制数据集，并且基于控制数据集执行该算法，以验证第一处理器的正确运行。

Description

具有扩展的硬件故障识别的过程测量仪表
本发明涉及一种过程测量仪表，特别地，涉及一种具有扩展的硬件故障识别的过程测量仪表。
根据IEC61508；(SIL2)标准的过程测量仪表的认证需要尽可能识别在仪表上可能发生的硬件缺陷并且将该缺陷作为故障状态而在测量值接收器上以信号发出通知。导致在测量值接收器上正确地以信号通知故障状态的故障的统计系数被称为SFF(安全失效系数)
因此，本发明的任务是提供一种过程测量仪表，其在硬件故障的情况中具有高度的识别可能性。
故障频率的统计学分析已经显示，特别是处理器和其它高度集成的半导体元件，例如存储器和ASIC，对于过程测量仪表的统计总故障率具有决定性作用。
这个目的通过一种过程测量仪表实现，其具有：第一处理器，其在第一处理周期中利用算法执行测量值处理；和第二处理器，其主要负责协调和/或通信；另外，其中第二处理器以大于第一处理周期的时间间隔从第一处理器读出控制数据集，并且基于控制数据集执行该算法以及验证第一处理器的正确运行，其中控制数据集包含传感器的原始测量值和状态变量以及由第一处理器根据原始测量值和状态变量计算得到的相关结果值。
第一处理器优选地是具有非常快的处理周期的特殊的数字信号处理器。第二处理器例如是微控制器，其明显比数字信号处理器工作慢。
例如通过将从第一处理器读出的结果与第二处理器执行该算法得到的结果直接比较而进行验证。
第二处理器包括程序存储器。另外，在本发明的进一步发展中，第二处理器可以利用测试总和(Prüfsumme)或CRC(循环冗余码校验)而验证该程序存储器。
第二处理器还包括写/读存储器，在本发明的进一步发展中，第二处理器可以利用测试样式检查该写/读存储器是否有静态故障。
另外，第二处理器还包括运算单元和写/读存储器，在本发明的进一步发展中，第二处理器可以利用测试算法检查该写/读存储器是否有静态故障。
在本发明的进一步发展中，第二处理器可以将第一处理器的程序存储器中的数据与本地镜像的存储器区域中的数据比较并对其进行验证。
在本发明的一个方面中，第二处理器可以通过与本地镜像值比较而验证第一处理器的数据存储器中的已知常量。
在本发明的另一方面中，第二处理器可以通过与本地镜像值比较而验证第一处理器的配置寄存器。
在本发明的一个实施例中，过程测量仪表包括4-20mA两线接口。可选地，看门狗电路可以检查第二处理器和相关时钟的运行，并且在故障的情况中，独立于第一处理器和第二处理器经由4-20mA信号电流用信号通知该故障。
现在根据附图中给出的实施例解释本发明，附图中：
图1是本发明的压力接收机的仪表电子器件的框图；和
图2是自监控的框图。
图1显示的本发明的压力接收机的模块化仪表电子器件包括传感器电子器件1和主电子器件2。主电子器件2处理经由串行接口从传感器电子器件接收的传感器信号。
特别地，传感器电子器件包括传感器ASIC 12，其主要的任务是接收压力测量单元11或初级传感器的压力以及温度信号，并且如果需要还规格化其信号电平。为此，依赖于初级传感器的测量原理，对于电阻传感器可使用电流源并且对于电容压力传感器可使用电容接口，绝对/相对压力测量单元或差压测量单元可以连接至它。在本实施例中，规格化经由可调放大器进行，该放大器即所谓的“可编程增益放大器”(PGA)，在实施例中是差动及绝对放大器。然后，规格化的值被模/数(A/D)转换并经由串行接口转发至主电子器件2。传感器特定的数据，诸如补偿系数等存储在传感器EEPROM 13中。
ASIC 12识别内部放大器和A/D转换器中的超时运行，并同样经由串行接口以故障报文的形式将该超时运行报告给主电子器件2。
主电子器件2主要包括以下部件：压力处理器21(具有集成的数字信号处理器(DSP)的ASIC)，其用作到传感器电子器件1的串行接口，接收传感器电子器件的原始数据并从中计算输出值。依赖于应用类型，输出值可以代表压力、料位或流量。例如提供计算结果作为脉宽调制信号(PWM)。处理器21的另一功能是生成对于整个测量变换器电子器件的时钟信号。
主电子器件还包括通信ASIC 22；这个部件用作测量变换器到外部世界的接口。在其中集成用于整个仪表的电流源的DC/DC转换器以及电流调整器，后者从压力处理器的PWM信号得到在4-20mA电流回路上的相应电流值。另外在其中还集成了用于在现场级通信的HART调制解调器、高精度电压参考和硬件看门狗。
另外，主电子器件包括微控制器25，其是初始化测量处理器所需的。在控制操作中，经由微控制器25利用按钮实现线场操作或者通过HART实现远程操作。为此，还可以提供显示器23。
微控制器25的其它功能可以例如是故障处理、将测量数据转换为用户设置的单位、触发通信ASIC中的看门狗、记录最小/最大值以及超测量范围、对于“流量”模式的总和计数以及非易失性数据保持。
压力处理器21是具有集成的信号处理器的ASIC。其强度在于快速且非常节能地计算测量值。在全负荷状态，压力处理器的电流消耗达到约600μA。
尽管微控制器25在原理上也能够执行这些计算；然而，在相等的计算速度情况下它将消耗更多能量，即，对于由4-20mA电流回路供电的设备过多的能量。微控制器用于对时间要求不高的计算。以这种方式，可以以显著减少的时钟频率操作元件，以将电流消耗降低到容许的水平。
在设备初始化中要注意以下特征。由于有多个不同传感器组件和主电子器件变型，对于传感器和电子器件的每种可能组合都提供合适的软件解决方案将非常复杂。这通过将软件分割为两部分，即，分割为传感器特定的部分和应用特定的部分，而得以避免。
传感器特定的部分存储在传感器EEPROM 13中的传感器电子器件中。当传感器电子器件接收来自主电子器件的第一时钟信号时，它从EEPROM读出其程序部分并经由串行连接将该程序部分发送至主电子器件。在那里，传感器程序被微控制器25从DSP 21读出并与从主电子器件的程序存储器接收的应用特定的程序相连。于是，两个程序部分彼此连接，即，存储器中的地址偏移如此改变，使得不同的变量不使用相同的存储器区域。在完成这个过程之后，现在完整的程序被写回DSP。然后，仅有测量变换器的配置参数需要被载入DSP的数据存储器。然后测量变换器准备就绪并且从随后到达的原始数据计算测量值。
本发明的压力接收机优选地满足根据IEC 61508的SIL 2级别的功能安全性要求。这个标准对于在仪表上保持与安全相关的参数的最小值设置了定量要求，其中的参数是例如安全失效系数(SFF)。通常，为了满足定量要求(例如SFF>90％)，仪表中需要有附加的诊断措施和监控功能。经由部件级的电子器件的FMEDA(故障模式、效果和诊断分析)以及随后的优化，自监控有利于满足SIL 2标准，下面将描述自监控的设计。
自监控由软件包组成，其中实现对于微控制器的RAM和ROM以及EEPROM的CRC(循环冗余码校验)和测试总和。
另外，自监控包括通过在微控制器中的控制计算而对DSP的运行进行随机采样式的控制。为此，如图2所示，从DSP 21中读出输入值和状态变量以及输出值。从输入值和状态变量计算DSP将输出的输出值。然后，将测量的输出值与计算的输出值比较。如果这里存在不同，则将不同报告给测量变换器的软件中的上位控制实例，然后所述实例令通信ASIC 22发出故障信号(HART)。基于这个信号，连接至测量变换器的分析设备识别仪表故障并启动必需的措施，诸如请求替换故障仪表的报告。
主电子器件中的DSP 21非常迅速地执行计算。现在，为了能够监控这个部件，需要一个组件，其能够至少同样快地执行计算或能够至少从DSP读出数据。在当前实施例中，选择通过微控制器25进行自监控。这个解决方案包括由微控制器25完成控制计算。这意味着不需要额外的硬件，并且在这种情况中甚至对于多种硬件可以具有扩展的安全性。然而，微控制器25较低的速度防止了实时执行DSP的计算。这值得考虑。
于是，微控制器25仅执行随机采样。在这种情况中，仅有的对时间要求严格的过程是读入传感器电子器件的状态变量(最后的测量周期的中间存储值)和压力、温度原始数据以及DSP 21的计算输出值。随后的在微控制器中计算输出值基本与时间无关；因而正如通常所期望的，它可以被其它程序部分中断。
自监控主要由三个程序部分组成：主例程、测量值的检测、和具有随后的比较的独立计算。完整的自监控以状态机的形式实现，其中，为了检测和计算，特意使用两个分离的过程。这使得两个过程在中断级的不同优先级成为可能。测量值检测需要高优先级，以能够在给出的时间读入完整的有效数据集。如果这个过程以较低级运行，则自监控无法运行，因为由于中断而不能获得完整数据集。与此相反，计算不需要具有高优先级，因为它没有任何时间压力。
在传感器和应用特定的程序中，存在包含先前测量的值(衰减值、噪声滤波器)的变量。在这种情况中，应当注意，这些值非常迅速地改变，因为DSP中完整的程序运行持续短于10ms。对于控制计算，需要相关时间点处的数字值，因为否则不可能进行比特精度的比较。这是通过使用“内嵌代码”快速读入相关变量而实现的，其中代码在编译级被优化，这省略了寄存器调用以及冗长的堆栈操作。
到达DSP的每个新的数据包触发中断，中断也可以用于同步自监控。在中断例程中，在每次调用时自动将计数器(帧计数器)加1。作为附加功能，集成在帧计数器的确定状态读入状态变量。
测量值检测包括读入传感器ASIC的压力和温度值、先前计算的中间存储结果、以及DSP的计算输出值。在读入这些值之后，要检查读入的值是否确实代表相同的测量时间点。
然后，微控制器25执行DSP程序，以基于读入的数据执行控制计算。在控制计算结束之后，比较计算值和测量值。如果微控制器确定在计算值和测量值之间的差过大，则指示通信ASIC经由HART输出故障电流，并且如果需要还输出故障报告。

Claims (9)

1.过程测量仪表，包括：第一处理器(21)，其在第一处理周期中利用算法执行测量值处理；和第二处理器(25)，其负责协调和/或通信任务，其中第二处理器(25)以大于第一处理周期的时间间隔从第一处理器(21)读出控制数据集，并且基于控制数据集执行所述算法，以验证第一处理器的正确运行，其中控制数据集包含传感器的原始测量值和状态变量以及第一处理器根据原始测量值和状态变量计算得到的相关结果值。
2.根据权利要求1的过程测量仪表，其中通过将从第一处理器(21)读出的结果与第二处理器(25)执行所述算法得到的结果直接比较而进行验证。
3.根据权利要求1的过程测量仪表，其中第二处理器包括程序存储器，并且该程序存储器可利用测试总和或CRC进行验证。
4.根据权利要求1的过程测量仪表，其中第二处理器还包括写/读存储器，第二处理器可以利用测试样式检查该写/读存储器的静态故障。
5.根据权利要求1的过程测量仪表，其中第二处理器包括写/读存储器，第二处理器可以利用测试算法检查该写/读存储器的静态故障。
6.根据权利要求1的过程测量仪表，其中第二处理器将第一处理器的程序存储器中的数据与本地镜像的存储器区域中的数据比较并对其进行验证。
7.根据权利要求6的过程测量仪表，其中第二处理器通过与本地镜像值比较而验证第一处理器的数据存储器中的已知常量。
8.根据权利要求6的过程测量仪表，其中第二处理器通过与本地镜像值比较而验证第一处理器的配置寄存器。
9.根据权利要求1-8中任一项的过程测量仪表，其中过程测量仪表包括4-20mA两线接口，并且其中看门狗电路检查第二处理器和相关时钟的运行，并且在出现故障的情况下，独立于第一处理器(21)和第二处理器(25)经由4-20mA信号电流用信号通知该故障。
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