CN107422254B - 一种面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，在集成微系统内设置电压采集电路、电流采集电路、实时时钟电路；集成微系统包括处理器、状态显示电路、通信电路、存储电路；将采集的电源电压、工作电流进行健康分析，如果数据在正确的阈值范围内，则在状态标记数组中进行正确信息记录，记录运行时间；如果数据不在正确的阈值范围内，表明错误发生，在状态标记数组中进行错误信息记录；驱动状态显示电路进行显示。本发明在集成微系统内部，构建了健康状态自检测方法，使得集成微系统在装机后，仍然能够对电特性的检测，实现对自身健康状态的分析和预测，解决了集成微系统在应用后，工作电流无法精确测试的问题。

Description

一种面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法

技术领域

本发明涉及一种面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，属于在线监测技术领域。

背景技术

采用异构集成技术将数字电路、MEMS、光电子等器件集成在芯片级大小的体积内形成的系统，即为芯片级集成微系统，简称集成微系统。

随着卫星、运载火箭整机的小型化快速发展，对其电子系统的微小型化、低功耗的需求日趋明显。集成微系统作为扁平化设计的新模式，将信息感知、数据处理、驱动控制等功能单元，采用MCM、SIP、TSV等封装技术，集成在一个芯片大小的封装体内，极大地提升了系统的集成度。

在面向航天应用的国产集成微系统的设计和应用中，可靠性设计是影响微系统设计的关键技术之一，也是面临的核心问题。一方面，对于用于集成微系统，需要保证长达8000小时或更长时间的常温工作状态下的稳定性；特别是当多个微系统模块集成在一个芯片级尺寸的体积内时，更增加了集成微系统的复杂性，因此，对系统稳定运行的可靠性监测机制提出了更加严苛的需求；另一方面，集成微系统封装后，内部互联信号因设计考虑，无法全部或部分引出到芯片外部，因而无法对关键信号进行监测，给系统的监测途径提出了更加严苛的问题；最后，集成微系统的主要用于小型化、特性化的武器装备，因此，集成微系统的体积受到严格限制，如何在小体积约束下，对系统的可靠性进行评估，是面临的主要问题。

对集成微系统自身健康状态的监测，是预测系统能否长时间稳定工作的前提，是提高可靠性途径之一。因此，如何对集成微系统的健康状态进行监控，进而提前对故障进行预警和预判，是集成微系统设计的关键问题，也是急需突破的瓶颈技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，在小型化约束下，针对集成微系统无法对自身健康状态进行监测问题，实现对集成微系统各功能模块健康状态的检测。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，包括如下步骤：

(1)在集成微系统内设置电压采集电路、电流采集电路、实时时钟电路；集成微系统包括处理器、状态显示电路、通信电路、存储电路；存储电路包括SRAM芯片和FLASH芯片；处理器具有AD采集电路；

(2)集成微系统上电，对处理器进行初始化，处理器通过启动代码，将监测程序由FLASH中读取，并写入到SRAM中进行运行；

(3)初始化处理器的AD采集电路，设置AD采集电路采样精度；初始化处理器定时器寄存器，对AD采集电路电源电压和工作电流的采集端口的采样时间间隔进行设置；初始化处理器中断寄存器，使能定时中断，通过中断控制采样时间间隔；

(4)电压采集电路实时采集集成微系统所需提供的电源电压，并利用AD采集电路进行采集后发送给处理器；电流采集电路实时采集集成微系统所需要的工作电流，并利用AD采集电路进行采集后发送给处理器；

(5)当发生定时中断时，处理器依次读取AD采集电路采集的电源电压和工作电流的采样值，并读取实时时钟，将采集到的数据和实时时钟，存储到数据采集数组，数据采集数组的将数据写入到FLASH中，并清空数据采集数组；

(6)将采集的电源电压、工作电流进行健康分析，即判断是否在阈值范围内，如果数据在正确的阈值范围内，则在状态标记数组中进行正确信息记录，记录运行时间；如果数据不在正确的阈值范围内，表明错误发生，在状态标记数组中进行错误信息记录；驱动状态显示电路进行显示。

优选的，所述状态标标记数组包括如下信息：异常状态、运行时间、异常类型、异常值、参考值。

优选的，数据采集数组包括如下信息：运行时间、采集的电源电压值、采集的工作电流值。

优选的，当有错误发生时，开启通信电路中断处理功能，并实时监测来自通信电路接口的上位机指令，当处理器识别到来自上位机指令的数据传输指令后，将FLASH中存储的数据采集数组和状态标记数组通过通信电路传输到上位机。

优选的，电流检测电路包括阻值的电阻R1、电阻R2、电阻R3，运算放大器U1，电阻R1的一端连接外部提供的电源电压，另一端连接微系统的工作电压输入端，电阻R2的一端连接电阻R1的一端，另一端连接运算放大器U1的负输入端，运算放大器U1的正输入端连接微系统的工作电压输入端，运算放大器U1的负输入端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接运算放大器U1的输出端，运算放大器U1的输出端连接AD采集电路的采集端口。

优选的，电阻R1根据工作电流确定，工作电流在电阻R1上产生电压小于对应工作电压的1％。

优选的，电阻R1选择10～50mΩ之间的电阻。

优选的，对AD采集电路电源电压和工作电流的采集端口的采样时间间隔进行设置，采样时间间隔大于其他采集端口采样时间间隔的10⁷倍。

优选的，实时时钟电路包括外部设置的电池。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明在集成微系统内部，构建了健康状态自检测方法，使得集成微系统在装机后，仍然能够对电特性的检测，实现对自身健康状态的分析和预测，解决了集成微系统在应用后，工作电流无法精确测试的问题。

(2)本发明采用在内部建立健康状态监测的电路，而不是在集成微系统外部再进行专用测试电路的设计，提高了系统集成度和独立性，减小了集成微系统应用中，外部配套电路的体积和功耗，降低了系统设的复杂性；

(3)本发明具有通用性，相比其他使用专用测试基台，专用测试电路的方法，本发明不需要定制特殊的ASIC电路和专用测试向量，而是提出了具有通用性的自监测机制系统架构，所设计的自监测电路可应用到各类不同集成微系统设计中。

(4)本方法通过控制AD转化器的定时采集，具有更低的系统功耗。通过软件控制AD转换器的使能，实现对健康状态监测电路采集端的控制。在需要进行健康监测时，启动AD转化器进行工作，而在普通工作模式下，AD转化器不工作，实现了低功耗控制。

(5)本发明具有精确电流检测功能，微系统工作电流的动态范围大，本实施方案中动态范围有300mA。微系统明确测试电流时刻的工作状态和该状态下的工作电流值。该电流值精确范围在3至5mA。该精确的电流数值，对集成微系统的稳定性检测、长时间寿命检测提供基础保障，对集成微系统的故障分析提供依据。

附图说明

图1为本发明面向集成微系统的内建芯片健康状态监测框架c示意图；

图2为处理器时钟电路；

图3为AD时钟电路；

图4为实时时钟电路；

图5为1.8V电源电流检测原理图；

图6为3.3V电源电流检测原理图；

图7为电源电压检测电路；

图8为健康状态监测流程图。

具体实施方式

集成微系统通常具有时钟电路部分(包括AD时钟电路，处理器时钟电路)、3101处理器、状态显示(GPIO电路)及通信电路(UART芯片)、存储电路(包括SRAM芯片、SDRAM芯片、FLASH芯片)；3101处理器包括SRAM控制器、SDRAM控制器、FLASH控制器、FLASH控制器、AD采集电路。

本发明在集成微系统现有框架的基础上增加电压采集电路部分、电流采集部分、实时时钟电路，在3101处理器中嵌入健康处理子模块处理健康状态信息。电压采集部分，对集成系统运行态电压状态进行采集。对系统的3.3V和1.8V电压进行采集，并将相应的输出端连接到SPARC V8处理器的AD_IN_3，AD_IN_4端；电流采集部分，对集成系统运行态电压状态进行采集。对系统的3.3V和1.8V的电流进行采集，并将相应的输出端连接到SPARC V8处理器的AD_IN_1，AD_IN_2端；处理器进行健康状态信息处理，对采集电路所采集到的数据与建立的电流、电压模型进行比较，并对结果进行判断，将判断结果通过状态显示及通信部分进行输出。

通过电压采集电路部分、电流采集部分检测集成微系统的工作电压和电流情况，利用健康处理子模块进行健康状态监测，利用存储部分进行整个生命周期内的电流、电压数据存储。对实际工作状态进行监控，为事后排故提供数据依据，并为以后的集成微系统的设计和应用提供参考。

面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，包括如下步骤：

(1)在集成微系统内设置电压采集电路、电流采集电路、实时时钟电路；处理器内部构建健康处理子模块；

(2)集成微系统上电，对处理器进行初始化，对实时时钟电路进行初始化，处理器通过启动代码，将监测程序由FLASH中读取，并写入到SRAM中进行运行；

(3)初始化处理器的AD采集电路，根据FLASH的容量和采样记录频率设置AD采集电路采样精度参数；初始化处理器定时器寄存器，对AD采集电路电源电压和工作电流的采集端口的采样时间间隔进行设置，通常设置为60s采集一次，避免采集速率过快造成的数据量过大，同时不干扰AD采集电路的正常工作；

初始化处理器中断寄存器，使能定时中断，通过中断控制采样时间间隔。

(4)电压采集电路实时采集集成微系统所需提供的电源电压(3.3V电压值、1.8V电压值)，并利用AD采集电路进行采集后发送给处理器；电流采集电路实时采集集成微系统所需要的工作电流(3.3V电压对应的电流值、1.8V电压对应的电流值)，并利用AD采集电路进行采集后发送给处理器；

(5)当发生定时中断时，处理器依次读取AD_IN_1、AD_IN_2、AD_IN_3、AD_IN_4的采样值，并读取实时时钟，将采集到的数据和实时时钟，存储到数据采集数组，数据采集数组的将数据写入到FLASH中，并清空数据采集数组。数据采集数组主要包括信息：运行时间、3.3V电压值、3.3V电流值、1.8V电压值、1.8V电流值的信息。

(6)将采集的电压、工作电流进行健康分析，即判断是否在阈值范围内，如果数据在正确的阈值范围内，则在状态标记数组中进行正确信息记录，记录运行时间；

当有错误发生时，在状态标记数组中进行错误信息记录；驱动GPIO控制器模块产生一个外部高电平，进行显示；或者当有错误发生时，开启UART中断处理功能，并实时监测来自UART接口的PC端指令，当处理器识别到来自PC端的数据传输指令后，将FLASH中存储的数据采集数组和状态标记数组通过UART，传输到PC端，供分析功耗和电流、电压的变化趋势。

状态标标记数组包括如下信息：异常状态、运行时间、异常类型、异常值、参考值。

当FLASH存储满时，如果状态标记数组中没有异常记录时，并对FLASH中原有的数据采集数组进行覆盖。如果状态标标记数组中记录异常状态，则不再进行电流、电压的采集，等待用户指令。

微系统本身的时钟电路包括处理器时钟和AD时钟电路两部分，处理器时钟采用20MHz有源晶振电路，如图2，AD时钟采用16MHz有源晶振电路，如图3。

本发明额外添加实时时钟电路，外部设置实时时钟的时钟电路和电源电路。时钟电路采用32.768KHz的晶体和2个12pF电容；电源电路采用3V的纽扣电池，保证在掉电的情况下，依然能够计时。实时时钟电路与处理器采用I2C总线连接。实时时钟电路可以提供微系统准确的实时的时钟信息。为系统数据记录提供时间基准。实时时钟电路如图4。

电流检测电路是多路电流检测，用于检测微系统需要的各种工作电流。

在本实施例中，国产SPARC V8微处理器是3.3V和1.8V的双电源器件。电流检测电路也分为1.8V电源电流检测电路，如图5，3.3V电源电流检测电路，如图6。

1.8V电源电流检测电路包括微小阻值的电阻R1、电阻R2、电阻R3，运算放大器U1，电阻R1的一端连接外部提供的1.8V电源电压VCC_1V8，另一端连接微系统的工作电压V8_1V8，电阻R2的一端连接电阻R1的一端，另一端连接运算放大器U1的负输入端，运算放大器U1的正输入端连接微系统的工作电压V8_1V8，运算放大器U1的负输入端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接运算放大器U1的输出端，运算放大器U1的输出端连接AD采集电路的采集端口AD_IN_4。

3.3V电源电流检测电路包括微小阻值的电阻R4、电阻R5、电阻R6，运算放大器U2，电阻R4的一端连接外部提供的3.3V电源电压VCC_3V3，另一端连接微系统的工作电压V8_3V3，电阻R5的一端连接电阻R4的一端，另一端连接运算放大器U2的负输入端，运算放大器U2的正输入端连接微系统的工作电压V8_3V3，运算放大器U2的负输入端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U2的输出端连接AD采集电路的采集端口AD_IN_3。

1.8V电源电流检测电路和3.3V电源电流检测电路原理相同，是通过在电源线中串接一个微小阻值的电阻(R1，R4)，电流通过电阻产生微小的电压差(△V)，该电压差经过放大电路后输入给AD，AD采集到的电压信号经转换后换算成电流数值，从而实现电流检测。同时串接的电阻足够小，例如在本实施例中R1为22mΩ，R4为33mΩ，电流变化产生的电压差，并不影响整个电路稳定工作。

根据微系统对工作电流的阈值要求，1.8V电源的最大电流(I_max)不超过500mA，选择R1为22mΩ(毫欧姆)电阻，R1上产生的最大压降ΔV：

ΔV＝R₁×I_max＝0.5A×22mΩ＝11.0mV

国产SPARC V8微处理器的1.8V电源电压范围为1.62V～1.98V。电阻R1上产生的最大压降是11.0mV，在实际电源电压为1.7V～1.9V时，电阻上产生的电压差不影响SPARC V8稳定工作。该电压差经AD8041运算放大器放大100倍后，输入给AD电路。AD输入信号的电压变化范围V_AD：

V_AD＝ΔV×100＝11.0mV×100＝1100mV＝1.1V

设计AD的电压输入范围是0.5V～2.7V，采样频率为1MHz，采样精度为12Bit。1.8V电源电流检测精度ΔI_min：

ΔI_min×0.022Ω×100＝2200mV÷4096

ΔI_min＝0.24mA

1.8V电源上的电流可以实现0.24mA的检测精度。

3.3V电源的最大电流(I_max)不超过300mA实际情况，电阻R4上产生的压降不影响SPARC V8的电路稳定工作。选择R4为33mΩ(毫欧姆)电阻，R4上产生的最大压将为0.99mV。在实际3.3V电源电压为3.2V～3.4V时，电阻上产生的电压差不影响SPARC V8稳定工作。3.3V电源电流的检测与1.8V相同，经计算3.3V电源电流的检测精度为0.16mA。

电源电压检测电路采用电阻分压的方式，AD的电压输入范围是0.5V～2.7V，采集精度为12Bit。电压信号的检测采用电阻分压的方式，电压检测中AD的输入为1.5V左右。对地的电阻采用4.7K，满足AD输入阻抗要求。电源电压检测电路如图7所示。

电压检测精度：2200mV÷4096＝0.54mV

经计算1.8V和3.3V电源电压检测精度均为0.54mV。

存储部分包括：SPARC V8处理器SRAM控制器与SRAM芯片的互连，SPARC V8处理器SDRAM控制器与SDRAM芯片的互连，SPARC V8处理器PROM控制器与FLASH芯片的互连。

(1)处理器与FLASH的互连

实现SPARC V8处理器FLASH控制器，与FLASH存储芯片SM29LV320的硬件连接，用于运行程序的存储，以及系统健康状态实时数据的存储。数据总线宽度是16位。连接关系如表1所示：

表1SPARC V8与FLASH互连关系表

(2)处理器与SDRAM互连

实现SPARC V8处理器SDRAM控制器，与2片SDRAM存储芯片HY57V641620HG的硬件连接，用于运行时的系统健康状态实时数据存储。该SDRAM是16位宽的，2片连接成32位数据总线。连接关系如表2所示：

表2SPARC V8与SDRAM互连关系表

(3)处理器与SRAM互连

实现SPARC V8处理器SRAM控制器，与SRAM存储芯片B8CR512K32RH的硬件连接，用于运行时的系统健康状态实时数据存储。该SRAM是32位总线宽度。连接关系如表3所示：

表3SPARC V8与SRAM互连关系表

如图8所示，健康处理子模块工作流程如下：

步骤1：系统上电后，SPARC V8处理器进行初始化，包括处理器本身的状态初始化，SRAM、SDRAM、FLASH存储器控制器初始化，GPIO控制器、UART控制器初始化。初始化完成后，将监测程序由FLASH从读取，并写入到SRAM中进行运行。

步骤2：SPARC V8处理器初始化AD采集电路，设置AD采集电路采样精度参数，根据FLASH的容量和采样记录频率；初始化SPARC V8处理器定时器寄存器设置，设置健康状态监测的采样时间精度参数；初始化SPARC V8处理器的中断寄存器，使能定时中断。初始化实时时钟电路，该电路初始化需要接收上位机设置参数，没有上位机参数输入参数时，不进行初始化。

步骤3：启动自监测系统的监测程序。实时监测系统的中断状态，当有定时器中断到来时，依次读取AD_IN_1、AD_IN_2、AD_IN_3、AD_IN_4的采样值，并将采集到的数据，暂存到SDRAM中，当数据填满数据采集数组后，将数据采集数组的数据写入到FLASH中，并清空数据采集数组。数据采集数组主要包括信息：运行时间、3.3V电压值、3.3V电流值、1.8V电压值、1.8V电流值的信息。

步骤4：在进行数据采集过程中，实时与存储在SRAM中参考值进行比较，如果数据在正确的参考范围内，则在状态标记数组中进行正确信息记录，否则，在标记数组中进行错误信息记录；当有错误发生时，驱动GPIO控制器模块产生一个外部高电平，进行显示。数据采集数组填满时，状态标记数组与数据采集数组一同，写入到FLASH中。状态标标记数组包括如下信息：异常状态、运行时间、异常类型、异常值、参考值。

步骤5：在出现错误后，开启UART中断处理功能，并实时监测来自UART接口的PC端指令，当健康信息处理单元识别到来自PC端的数据传输指令后，将FLASH中存储的数据采集数组和状态标记数组通过UART，传输到PC端，供分析功耗和电流、电压的变化趋势。

步骤6：当FLASH存储满时，如果状态标记数组中没有异常记录时，则继续执行步骤1-5，并对FLASH中原有的数据进行覆盖。否则，不再进行电流、电压的采集，等待用户指令。

本发明能够实现精确电流检测，状态稳定，可靠性高。微系统电路的工作电流是动态变化的，不同工作模式下工作电流变化大于200mA。传统电流测试时，200mA至300mA的电流变化都是必须接受的。在本发明中，微处理器在读取检测电流数据时，微处理器明确电路工作状态和该工作状态下的工作电流，该方案检测电流精确到3至5mA。该精确的电流数值，对集成微系统的稳定性检测、长时间寿命检测提供基础保障，对集成微系统的故障分析提供依据。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在集成微系统内设置电压采集电路、电流采集电路、实时时钟电路；集成微系统包括处理器、状态显示电路、通信电路、存储电路；存储电路包括SRAM芯片和FLASH芯片；处理器具有AD采集电路；

(2)集成微系统上电，对处理器进行初始化，处理器通过启动代码，将监测程序由FLASH中读取，并写入到SRAM中进行运行；

(3)初始化处理器的AD采集电路，设置AD采集电路采样精度；初始化处理器定时器寄存器，对采集电路电源电压和工作电流的AD端口的采样时间间隔进行设置；初始化处理器中断寄存器，使能定时中断，通过中断控制采样时间间隔；

(4)电压采集电路实时采集集成微系统所需提供的电源电压，并利用AD采集电路进行采集后发送给处理器；电流采集电路实时采集集成微系统所需要的工作电流，并利用AD采集电路进行采集后发送给处理器；

(5)当发生定时中断时，处理器依次读取AD采集电路采集的电源电压和工作电流的采样值，并读取实时时钟，将采集到的数据和实时时钟，存储到数据采集数组，数据采集数组的将数据写入到FLASH中，并清空数据采集数组；

(6)将采集的电源电压、工作电流进行健康分析，即判断是否在阈值范围内，如果数据在正确的阈值范围内，则在状态标记数组中进行正确信息记录，记录运行时间；如果数据不在正确的阈值范围内，表明错误发生，在状态标记数组中进行错误信息记录；驱动状态显示电路进行显示；

电流采集电路包括阻值的电阻R1、电阻R2、电阻R3，运算放大器U1，电阻R1的一端连接外部提供的电源电压，另一端连接微系统的工作电压输入端，电阻R2的一端连接电阻R1的一端，另一端连接运算放大器U1的负输入端，运算放大器U1的正输入端连接微系统的工作电压输入端，运算放大器U1的负输入端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接运算放大器U1的输出端，运算放大器U1的输出端连接AD采集电路的采集端口；

对AD采集电路电源电压和工作电流的采集端口的采样时间间隔进行设置，采样时间间隔大于其他采集端口采样时间间隔的10⁷倍。

2.如权利要求1所述的面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，其特征在于，所述状态标标记数组包括如下信息：异常状态、运行时间、异常类型、异常值、参考值。

3.如权利要求1或2所述的面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，其特征在于，数据采集数组包括如下信息：运行时间、采集的电源电压值、采集的工作电流值。

4.如权利要求1或2所述的面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，其特征在于，当有错误发生时，开启通信电路中断处理功能，并实时监测来自通信电路接口的上位机指令，当处理器识别到来自上位机指令的数据传输指令后，将FLASH中存储的数据采集数组和状态标记数组通过通信电路传输到上位机。

5.如权利要求1或2所述的面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，其特征在于，电阻R1根据工作电流确定，工作电流在电阻R1上产生电压小于对应工作电压的1％。

6.如权利要求5所述的面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，其特征在于，电阻R1选择10～50mΩ之间的电阻。

7.如权利要求1或2所述的面向集成微系统的内建芯片健康状态自监测方法，其特征在于，实时时钟电路包括外部设置的电池。