CN101907866A - 故障安全系统的故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种故障安全系统的故障诊断方法，包括以下步骤：S1，确定故障安全系统工作周期P、动态信号翻转周期T、接收方判断动态信号翻转次数N、单次判别动态信号判别范围的误差精度
单次判别动态信号的时间窗T’、单个毛刺信号的持续时间门限G等参数的值。S2，产生翻转周期为T的动态信号，所述动态信号为高低电平交替翻转的信号。S3，接收方以连续N次动态信号的翻转为依据判断故障安全系统是否发生故障。本发明通过采用安全编码策略对动态信号进行处理之后将其作为诊断故障安全系统是否发生故障的依据，提高了动态信号使用的可靠性，有利于提高故障安全系统的可用性与安全性。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，特别涉及一种故障安全系统的故障诊断方法。
背景技术
随着大规模集成电路技术的发展，电子元器件被越来越多的用于安全冗余系统的设计中。由于数字电路失效时，会导致电平信号发生固“0”或固“1”的错误，但具体是“0”还是“1”并不固定，出现概率大致相当。因此，不管用“0”或者“1”来表示一个模块故障都可能带来安全隐患。
如果使用高低电平交替翻转的信号即动态信号来代替上述的电平信号(TTL、CMOS等)，就能够和数字电路失效带来的输出信号固“0”或固“1”错误相区分。因此在安全系统的设计中，常将动态信号用来表示系统处理模块等是否工作正常的标志，“0”、“1”交替反转表示工作正常，固“0”或固“1”表示出现故障。
专利号为ZL2007100643059的中国发明专利“三模冗余安全计算机中输出的安全关断方法及装置”提出一种动态信号的识别方法，通过设置电路门限值对动态信号多长时间未翻转进行判断，从而判断动态信号是否有效。
上述专利提出动态信号的识别方法，属于最基本的动态信号判断的方法，对于动态信号是否含有干扰信号是无法进行判断的，而且容易导致错误判断。对于安全系统来说，动态信号的产生与判断的条件应该是很严格的，而不能对动态信号的存在与否进行轻易的判断，进而可能导致故障安全系统错误动作，这是很危险的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是，如何提高动态信号使用的可靠性，从而提高故障安全系统的可用性与安全性。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种故障安全系统的故障诊断方法，包括以下步骤：
S1，确定故障安全系统的工作周期P、动态信号的翻转周期T、动态信号的翻转次数N、单次判别动态信号时判别范围的误差精度
单次判别动态信号的时间窗T’，以及单个毛刺信号的持续时间门限G的值，所述翻转次数N由接收方设置；
S2，产生翻转周期为T的动态信号，所述动态信号为高低电平交替翻转的信号；
S3，接收方以连续N次动态信号的翻转为依据判断故障安全系统是否发生故障，判断过程具体包括步骤：
S301，判断当前动态信号的电平是否发生变化，若发生变化，则判断发生变化的电平是否超过G，否则返回判断下一个动态信号的电平是否发生变化；
S302，若超过G，则认为发生变化的电平不是可忽略的毛刺信号，并进一步判断该发生变化的电平是否在T’范围内，否则认为发生变化的电平为无效动态信号，因此返回判断下一个动态信号的电平是否发生变化；
S303，若发生变化的电平在T’范围内，则进一步判断是否连续N次动态信号的翻转电平都在T’范围内，否则认为该动态信号无效；
S304，若连续N次动态信号的翻转电平都在时间窗T’范围内，则认为动态信号有效，否则也认为该动态信号无效；
S305，最后根据被认为有效的动态信号来判断故障安全系统是否发生故障。
其中，所述步骤S2具体包括：
S201，根据动态信号的编码方式估算故障安全系统应用程序的运行时间，从而设置动态信号的翻转时机；
S202，根据动态信号的编码方式在相应的时间点翻转动态信号。
其中，N≤P/T，同时T＜P，N为自然数，优选为2的整数幂次自然数。
其中，所述单次判别动态信号时判别范围的误差精度
小于50％，优选设置为20％。
其中，所述单次判别动态信号的时间窗
其中，所述持续时间门限G小于时间窗T’，优选设置为时间窗T’下限
T的一半。
其中，产生动态信号的方式有以下三种：
1)对于带串口的通用计算机，通过串口的寄存器对该串口的控制输出信号进行高低电平交替翻转得到动态信号；
2)对于带并口的通用计算机，通过并口直接输出动态信号；
3)通过与通用计算机连接的数据采集卡输出动态信号。
其中，所述控制输出信号为RTS或DTR信号。
其中，所述通用计算机与数据采集卡通过PCI接口或USB接口连接。
(三)有益效果
本发明通过采用安全编码策略对动态信号进行处理之后将其作为诊断故障安全系统是否发生故障的依据，提高了动态信号使用的可靠性，有利于提高故障安全系统的可用性与安全性。
附图说明
图1是掺杂毛刺的动态信号波形图；
图2是通过设置持续时间门限G滤除单次信号中的毛刺信号的过程示例1；
图3是通过设置持续时间门限G滤除单次信号中的毛刺信号的过程示例2；
图4本发明实施例的方法中动态信号产生流程原理框图。
图5是本发明实施例的方法中判别动态信号是否为有效信号的流程图；
图6是码值为十六进制AAH或十六进制55H的两种动态信号示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明中，为了实现故障安全系统的故障诊断，就需要产生适用于对故障安全系统进行故障诊断的动态信号，因此采用安全编码策略对动态信号进行处理。对于动态信号，不是直接判断该动态信号的电平在一定时间内是否翻转，而是通过一定的编码和解码策略来产生与识别动态信号。如果对动态信号直接进行判断的话，对于常见的计算机I/O接口而言，上电过程中软件(例如BIOS(Basic Input/OutputSystem，基本输入输出系统))对其进行配置会产生一些抖动的信号，这样会造成动态信号判断的误动作；而且如果动态信号中存在干扰信号等，可以参考图1，也会对动态信号的判断与识别造成干扰，对于故障安全系统而言，直接使用这样的动态信号本身就存在一定的安全漏洞。
在动态信号编码时，首先需要考虑故障安全系统的工作周期，进而考虑接收方对于动态信号的解码时间，从而能够在处理器的一个工作周期内计算出判断结果。因此，需要综合考虑动态信号的翻转周期和编码位数。
设故障安全系统工作周期为P，故障安全系统正常工作时产生翻转周期为T的动态信号，接收方以连续N次动态信号的翻转为依据判断故障安全系统是否发生故障，这样可以避免干扰信号造成对于动态信号的误判断。
其中接收方设置的动态信号翻转次数N≤故障安全系统工作周期P/动态信号翻转周期T，同时T＜P，N为自然数，优选为2的整数幂次自然数。
接收方判断时首先设置单次判别动态信号时的判别范围的误差精度
根据翻转周期T和误差精度
计算得到单次判别动态信号的时间窗T’，并根据该时间窗T’设置单次判别动态信号时单个毛刺信号的持续时间门限G，设置G起到了滤除单次信号中的毛刺信号的作用。
其中单次判别动态信号判别范围的误差精度
应小于50％，优选设置为20％。单次判别动态信号的时间窗
持续时间门限G应小于时间窗T’，优选设置为时间窗T’下限
T的一半。
例如，一个故障安全系统的工作周期P为100ms，则可将动态信号的翻转周期定义T为10ms，考虑时钟误差等精度问题对每次判别动态信号判断的范围可以设置
为20％的误差精度，则判断动态信号的时间窗T’为8～12ms。此时，G可以设置为电平持续时间为最短时间8ms的一半，G为4ms。N取为8，因此在动态信号的解码时，以连续8次的动态信号的翻转作为判断依据，8次的判断时间为80ms。通过设置持续时间门限G滤除单次信号中的毛刺信号的过程如图2、图3所示。
因此，故障安全系统的故障诊断方法包括以下步骤：
S1，确定故障安全系统工作周期P、动态信号翻转周期T、接收方判断动态信号翻转次数N、单次判别动态信号判别范围的误差精度单次判别动态信号的时间窗T’、单个毛刺信号的持续时间门限G等参数的值。
S2，产生翻转周期为T的动态信号，所述动态信号为高低电平交替翻转的信号；发送方编码的具体流程参考图4，具体包括如下步骤：
S201，根据编码方式结合估算应用程序的运行时间，设置动态信号翻转时机；
S202，根据编码方式在相应的时间点进行翻转动态信号。
S3，接收方以连续N次动态信号的翻转为依据判断故障安全系统是否发生故障；接收方判断的具体流程参考图5，具体包括如下步骤：
S301，判断当前动态信号的电平是否发生变化，若发生变化，则判断发生变化的电平是否超过持续时间门限G，否则返回判断下一个动态信号的电平是否发生变化；
S302，若超过持续时间门限G，则认为发生变化的电平不是可忽略的毛刺信号，并进一步判断该发生变化的电平是否在时间窗T’范围内，否则认为发生变化的电平为可以忽略的毛刺信号，因此返回判断下一个动态信号的电平是否发生变化；
S303，若发生变化的电平在时间窗T’范围内，则进一步判断是否连续N次动态信号的翻转电平都在时间窗T’范围内，否则认为该动态信号无效；
S304，若连续N次动态信号的翻转电平都在时间窗T’范围内，则认为动态信号有效，否则也认为该动态信号无效；
S305，最后根据被认为有效的动态信号来判断故障安全系统是否发生故障。
上述的方法中“连续8次的动态信号的翻转作为判断依据”实际上实现了动态信号的特定编码，即十六进制AAH(二进制为10101010B，这种编码如图6中(1)所示)或十六进制55H(二进制为01010101B，这种编码如图6中(2)所示)两种编码，这样，解码时通过对编码码值判断提高了动态信号判断的可靠性。
需要注意的是：利用处理器的看门狗来产生动态信号的方式是不合理的，因为实际应用中发现处理器的应用软件已经“跑飞”时，看门狗程序却仍然在执行，所以动态信号这个条件已经不能说明处理器的是否发生了错误，所以这种产生动态信号的方式存在很大的安全隐患。
对于通用计算机利用接口产生动态信号的方式，可以有如下几种方案：
1)对于带串口的通用计算机，通过串口的寄存器对该串口的控制输出信号(例如发送请求(Request To Send，RTS)信号或数据终端就绪(Data Terminal Ready，DTR)信号)进行高低电平交替翻转得到动态信号；
2)对于带并口的通用计算机，通过并口直接输出动态信号；
3)通过与通用计算机连接(例如通过PCI接口或USB接口连接)的数据采集卡输出动态信号。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (11)
1.一种故障安全系统的故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，确定故障安全系统的工作周期P、动态信号的翻转周期T、动态信号的翻转次数N、单次判别动态信号时判别范围的误差精度
单次判别动态信号的时间窗T’，以及单个毛刺信号的持续时间门限G的值，所述翻转次数N由接收方设置；
S2，发送方产生翻转周期为T的动态信号，所述动态信号为高低电平交替翻转的信号；
S3，接收方以连续N次动态信号的翻转为依据判断故障安全系统是否发生故障，判断过程具体包括步骤：
S301，判断当前动态信号的电平是否发生变化，若发生变化，则判断发生变化的电平是否超过G，否则返回判断下一个动态信号的电平是否发生变化；
S302，若超过G，则认为发生变化的电平不是可忽略的毛刺信号，并进一步判断该发生变化的电平是否在T’范围内，否则认为发生变化的电平为无效动态信号，因此返回判断下一个动态信号的电平是否发生变化；
S303，若发生变化的电平在T’范围内，则进一步判断是否连续N次动态信号的翻转电平都在T’范围内，否则认为该动态信号无效；
S304，若连续N次动态信号的翻转电平都在时间窗T’范围内，则认为动态信号有效，否则也认为该动态信号无效；
S305，最后根据被认为有效的动态信号来判断故障安全系统是否发生故障。
2.如权利要求1所述的故障安全系统的故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S201，发送方根据动态信号的编码方式估算故障安全系统应用程序的运行时间，从而设置动态信号的翻转时机；
S202，发送方根据动态信号的编码方式在相应的时间点翻转动态信号。
3.如权利要求1所述的故障安全系统的故障诊断方法，其特征在于，N≤P/T，同时T＜P，N为自然数。
4.如权利要求3所述的故障安全系统的故障诊断方法，其特征在于，N为2的整数幂次自然数。
5.如权利要求1所述的故障安全系统的故障诊断方法，其特征在于，所述单次判别动态信号时判别范围的误差精度
小于50％。
6.如权利要求1所述的故障安全系统的故障诊断方法，其特征在于，所述单次判别动态信号的时间窗
7.如权利要求1所述的故障安全系统的故障诊断方法，其特征在于，所述持续时间门限G小于时间窗T’。
8.如权利要求7所述的故障安全系统的故障诊断方法，其特征在于，持续时间门限G设置为时间窗T’下限
T的一半。
9.如权利要求1～8任一项所述的故障安全系统的故障诊断方法，其特征在于，产生动态信号的方式有以下三种：
1)对于带串口的通用计算机，通过串口的寄存器对该串口的控制输出信号进行高低电平交替翻转得到动态信号；
2)对于带并口的通用计算机，通过并口直接输出动态信号；
3)通过与通用计算机连接的数据采集卡输出动态信号。
10.如权利要求9所述的故障安全系统的故障诊断方法，其特征在于，所述控制输出信号为RTS或DTR信号。
11.如权利要求9所述的故障安全系统的故障诊断方法，其特征在于，所述通用计算机与数据采集卡通过PCI接口或USB接口连接。
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| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Patentee after: TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Patentee before: Beijing Traffic Control Technology Co., Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Seahawks Hospital No. 6 2, No. 3 (Park) Patentee after: TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Patentee before: TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |