蓄电池巡回检测装置的可靠性改进研究.pdf

2 0 1 3 年2 月宇航计测技术F e b ，2 0 1 3 第3 3 卷第1 期 J o u r n a lo fA s t r o n a u t i cM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n tV 0 1 3 3 ，N o 1 文章编号：1 0 0 0 7 2 0 2 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 7 5 0 4 中图分类号：T P 2 1 6 1 蓄电池巡回检测装置的可靠性改进研究 张浩周小萍肖艺 ( 武汉船用电力推进装置研究所，武汉4 3 0 0 6 4 ) 文献标识码：A 摘要针对蓄电池巡回检测装置在可靠性试验中出现的故障，从三个方面提出了可靠性改进措施。通过 采用看门狗和软件抗干扰技术提高巡回检测装置的可靠性，并对提高巡回检测装置可靠性的其他方法进行了探 讨。 关键词蓄电池检测可靠性 R e s e a r c ho nt h eI m p r o v e m e n to ft h eS t o r a g eB a t t e r yL o o p b a c k D e t e c t i o nE q u i p m e n tR e l i a b i l i t y Z H A N GH a oZ H O UX i a o - p i n gX I A OY i ( W u h a nI n s t i t u t eo fM a r i n eE l e c t r i cP r o p u l s i o n ，C S I C ，W u h a n ，H u b e i4 3 0 0 6 4 ) A b s t r a c tA i m e da tt h ef a i l u r ew h i c hh a p p e n n e di nt h er e l i a b i l i t ye x p e r i m e n to ft h es t o r a g eb a t t e r y c i r c u i td e t e c t i o ne q u i p m e n t ，t h i sa r t i c l eb r i n gf o r w a r dt h r e er e l i a b i l i t yi m p r o v e m e n tm e a s u r eo nt h ee x p e r - i m e n t A c t u a l l y ，b yt h em e t h o do fw a t c h i n gt i m e ra n ds o f ta n t i - j a m m i n g ，t h er e l i a b i l i t yo ft h es t o r a g eb a t - t e r yc i r c u i td e t e c t i o ne q u i p m e n th a sb e e ne n h a n c e d I na d d i t i o n ，t h i sa r t i c l ed i s c u s so t h e rm e t h o dw h i c h c a nb eu s e dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n t K e yw o r d sB a t t e r y D e t e c t i o n R e l i a b i l i t y 1 引言 蓄电池巡回检测装置用于对铅酸蓄电池及蓄电 池组的参数进行在线式巡回检测、显示与报警，并通 过人机界面向操作人员提供实时监控信息，是某型 舰船电力推进系统的重要组成部分。该装置结构框 图如图1 所示。 巡回检测的可靠性指标为平均故障间隔时间 M T B F l 20 0 0 h 。本文介绍了如何模拟实际使用环 境，通过试验对可靠性进行摸底、评价，并对试验中 出现的问题进行分析和设计改进，从而提高其可靠 性。 图1 装置结构框图 万方数据 7 6 宇航计测技术 2 0 1 3 正 2 工作原理 巡回检测可对蓄电池组电压值，蓄电池组的充、 放电电流值，电池电解液温度、密度进行巡回检测和 数据处理，并对电池液面高度设置上、下限报警。智 能模块是巡回检测的重要部件，是整套装置的核心， 被直接安装在被测蓄电池上，检测蓄电池的密度、电 压、温度、液位，将以上数据通过C A N 总线发送给上 一级处理单元，提供可信、稳定的原始数据。智能模 块原理框图如图2 所示。 图2 智能模块原理框图 3 可靠性试验 3 1 试验内容 在对巡回检测进行可靠性试验前，开展F M E A 分析工作，通过F M E A 对试验过程中可能发生的 故障进行分析。经F M E A 分析，最可能出现的故 障模式主要有：步进电机不能正常动作、智能模块 不能正常采集检测参数、检测到的参数超出精度 要求。试验中，将三个智能模块安装在蓄电池上， 每间隔1 h 由软件自动控制步进电机提升一次，每 间隔4 h 用相应检测工具检测电池状态，并与信息 处理机显示的数据进行对比，观察智能模块在电 池的充放电循环中，能否连续正常工作，信息处理 机能否准确显示电压、密度、温度、液位信号，并控 制步进电机正常动作。只要出现以下情况就判定 巡回检测失效。 1 ) 步进电机不能正常提升； 2 ) 检测参数不满足精度要求； 3 ) 信息处理机不能显示被测参数。 3 2 试验过程及故障分析 巡回检测进行了共计20 1 0 h 可靠性摸底试验， 试验过程中，1 撑、2 # 、3 # - - 个智能模块均出现信息处 理机不能显示被测参数故障，经检查，发现C A N 总 线无数据传输，但经手动复位，上述故障现象消失。 经分析，引起故障的原因可能存在于两个方面：内 因，巡回检测装置自身软硬件问题；外因，外部存在 干扰信号。从外因看，由于智能模块的L P C 2 11 9 芯 片集成度很高，只需要外部晶振、复位信号、电源即 可正常工作，用示波器观察晶振，有稳定规则的正弦 波信号；观测复位端信号，该引脚波形干净，未观测 到十扰信号，因此判断故障不是外部原因导致；再判 断C P U 是否正常工作，观测1 2 C 总线的数据线、时 钟均无信号。根据原理图，如果C P U 工作，则该信 号线有密集的信号，用示波器观察C P U 外围运行的 模块，仅有正常的脉冲信号，据此判断C P U 的确停 止了工作。因此故障原因可能为：由于C P U 在长期 通电运行过程中，程序指针P C 发生错误，误将非操 作码当作操作码执行，造成程序执行混乱或进入死 循环，使智能模块无法正常运行。 4 可靠性改进 提高可靠性的方法很多，一般来说，应根据所面 临的具体问题，针对引起系统不可靠因素采取不同 的处理措施。对于巡回检测可靠性试验中出现的故 障，其可靠性改进应尽量从提高自身抗干扰能力及 降低自身运行的不稳定性着手。针对该故障，可对 其自身采用看门狗电路、软件抗干扰技术、备份技术 等以提高巡回检测装置的可靠性，这些措施也往往 在高可靠性要求的系统设计中广泛使用。 4 1 用看门狗提高可靠性 看门狗( w a t c h d o g ) 技术o 现在使用的非常广 泛，技术已较为成熟，支持手段也很多。目前，各处 理器生产厂几乎都在生产内置有看门狗定时器的 单片机产品，市场上还有许多独立的看门狗定时器 芯片可选择。采用监视定时器，一旦程序“跑飞”， 系统立即会被监视定时器复位，重新启动系统，从 而退出不正常的运行状态，但是这样使用时必须注 意系统的可重人性。所谓系统的可重人性可这样 定义：当一个微处理器系统在重新复位启动后，系 万方数据 第1 期蓄电池巡回检测装置的可靠性改进研究 7 7 。 统对外的执行操作不因重新启动而改变，从而保证 整个系统对外操作的连续性和顺序性，也就是系统 最终的安全性和可靠性。对一个系统，如果它对外 的控制操作只与系统当前的输入状态有关，那么这 个系统就几乎具有完全的重人性能；相反，如一个 系统对外的输出操作不仅与系统当前的输入有关， 而且与系统的历史状态有关，那么如果系统重人时 系统的历史状态没有保留或者历史状态被破坏，那 么此时系统对外的操作就可能完全是错误的，这样 的系统虽然在看门狗定时器的作用下退出了不正 常的运行状态，但重入的状态也不正常。因此，对 于采用了看门狗电路来提高可靠性的系统，必须严 格保证系统的可重人性。对于与历史状态相关的 系统，为保证其重人性，可以把其历史状态保存在 系统的R A M 中，即在单片机系统的内存或其扩展 的外部存储器中，开辟出专用于保存历史状态的缓 冲区。在确保系统不掉电的情况下，这些历史数据 在系统重入时可以被重新使用。如果不能保证系 统的电源稳定，还必须考虑采用备用电池供电，以 保证R A M 数据的安全稳定；对于时间不是太敏感 的系统，还可以采用E 2 P R O M 或F L A s HR O M 来保 存历史数据。 根据试验故障情况，对增加看门狗功能的智能 模块进行调试，并进行试验验证。为验证不同厂家 看门狗芯片的工作情况，选用了两种芯片M A X 7 0 6 和T P S 3 7 0 5 ，其中1 # 智能模块状态不变，将2 智能 模块的复位芯片M A X 7 0 8 更换为带看门狗功能的复 位芯片M A X 7 0 6 ，将3 # 智能模块的复位芯片 M A X 7 0 8 更换为带看门狗功能的复位芯片 T P S 3 7 0 5 ，重新校准密度后，巡回检测装置经过 1 3 4 4 h 连续运行，2 # 、3 释智能模块工作正常，这就证 明了采用监视定时器技术提高巡回检测装置的可靠 性是可行的。 4 。2 用软件抗干扰技术提高可靠性 采用监视定时器技术提高巡回检测装置的可靠 性虽然可行，但没有彻底解决可靠性问题，也可能由 于存在各种干扰及不稳定因素导致巡回检测出现运 行故障。针对巡回检测试验表现的故障现象，也可 以从软件程序设计方面采取些措旌。例如：为了 抑制系统的干扰信号而经常采用的软件滤波技术、 软件冗余设计技术、软件锁设计技术、程序陷阱设计 技术等。当巡回检测在干扰信号的作用下发生程序 跑飞时，程序指针可能指向两个区域：一种是正好转 到程序区的其他地址进行执行操作，一种是转移到 程序空间的盲区进行执行操作。 当程序指针转到程序区其他地址进行执行时， 可以采用软件锁加以抑制。例如在巡回检测装置软 件设计中，可以采用软件锁，程序如下 S U B P R O l ：P U S HA C C M O V EA 帮S C O D E l C J N EA ，S A F E - - C O D E ，E R R l P O PA C C ；块处理部分 M O V ES A F E C O D E # S - - C O D E 2 S J M PS U B P R 0 2 E R R l ： P O PA C C ；错误处理部分 软件锁的原理为：为保证对外操作的安全，在软 件锁设计中，对于每一个相对独立的程序块在其执 行以前或执行过程中会对一个预先设定好的密码进 行校验，只有当这一密码相符时执行才真正有效，也 只有程序是通过正常的转移途径转移过来时，才会 由上一级的程序设定正确的密码；否则，会根据校验 错误而使程序强制发生转移，错误状态得到处理，并 恢复程序的正常运行状态。 为了防止程序跑飞到程序盲区进行执行，可以 采用程序陷阱设计技术。一般情况下，对于程序代 码空问以外的R O M 空间的处理是采用空置的方 法。固化程序时，这些空置空间被全写为1 或全写 为0 ，这样程序跳入这一区域将不可控。为了捕获 跳人此区的程序，采用程序陷阱予以实现。在巡回 检测装置中，可以在程序空间未被使用的区域放置 下面的陷阱程序 C A P - - P R O ：N O P N O P N O