Конспект содержит материалы, излагаемые в лекционном курсе, с необходимыми рисунками и схемами

Дополнение 1. Часы реального времени

На рис. 103 показана схема включения микросхемы RTC (Real Time Clock, часы реального времени) MK41T56. Микросхема предназначена для измерения текущего времени и даты. Результат измерения передается в микроконтроллер или на устройство индикации по интерфейсу I²C (выводы SCA и SCL).

Рис. 103. Микросхема RTC

Микросхема питается от общего источника 5 В (Vсс), а при его отключении для исключения обнуления показаний – от собственной батареи, которая подключается к выводу Vbat.

Дополнение 2. Системы самотестирования и самодиагностики

Как известно, электронная аппаратура имеет свойство выходить из строя в самый нужный момент. Причем, как утверждает теория надежности, чем сложнее устройство, тем выше вероятность его выхода из строя. Чтобы избежать досадных неожиданностей при работе применяют различные способы повышения надежности, например, резервирование наиболее ответственных блоков, дополнительные индикаторы и сигнализаторы. В советском радиоэлектронном оборудовании военного назначения выпуска 50 – 70-х гг. широко применялись такие средства, как, например, лампы для сигнализации о перегоревшем предохранителе. При большом количестве предохранителей это очень облегчает работу пользователей оборудования. Практически в любой ламповой технике имелся специальный индикатор с переключателем для контроля ламп основных каскадов. С его помощью легко было найти неисправную лампу или блок. В более сложных устройствах предусматривалась так называемая "диагностическая вилка" – разъем, на который выводились все контрольные точки схемы. Это значительно сокращало время поиска неисправности.

Все упомянутые устройства предусматривают проверку работы электрических цепей человеком (пользователем или ремонтником). В случае невозможности вмешательства человека (например, для систем, работающих в автоматическом режиме) или для особо ответственных устройств с очень сложной схемотехникой применялись автоматизированные средства диагностики. Это предусматривало наличие специальных контрольных цепей, которые формировали сигнал об отклонении какого-либо параметра схемы от номинала и, в случае выхода этого сигнала за установленные пределы, выполняли операции по устранению неисправности. Операции могли быть следующими: автоматическая регулировка параметров, подключение резервных блоков взамен вышедших из строя, передача выполняемых неисправным блоком функций другим блокам. Примеры структурных схем таких систем приведены на рис. 104.
В настоящее время в электронной аппаратуре различного назначения, в том числе и в медицинской (а правильнее сказать – особенно в медицинской) широко используются микропроцессоры и ЭВМ. Это, помимо всего прочего, дает возможность сравнительно легко автоматизировать операции тестирования и диагностики аппаратуры за счет ресурсов процессора. Обычно системы самотестирования выполняют следующие операции:
– тест основных узлов аппаратуры перед началом работы (при включении питания) или по команде пользователя;
– определение неисправностей при сбоях в работе аппаратуры;
– индикацию неисправности (кода ошибки);
– операции по восстановлению работоспособности устройства.

а

б

1 – основной (неисправный) блок; 2 – резервный блок; 3 – датчик; 4 – схема обработки; 5 – схема регулирования; 6 –схема управления; 7 – ключ.
Рис. 104. Схемы контрольных цепей: а – с регулировкой параметров; б – с заменой блоков.

Системы, выполняющие операции по восстановлению работоспособности, как правило, применяются в случаях крайней необходимости. Для медицинской техники это относится к устройствам, от которых зависит жизнь людей: различные системы поддержания жизнедеятельности и тому подобное оборудование. Восстановление работоспособности аппаратуры производится путем автоматической регулировки параметров или подключения резервных блоков взамен вышедших из строя. Для этого в схему устройства вводятся специальные цепи, функциями которых является сбор информации о работе основных узлов аппаратуры и, в случае выхода параметров за установленные пределы, формирование аппаратного прерывания (то есть указания для микропроцессора на то, что срочно требуется его внимание). При получении этого прерывания микропроцессор загружает для выполнения специальные подпрограммы, управляющие процессом устранения неисправности.

Способ, заключающийся в подключении резервных блоков, в теории надежности называется резервированием. Различают постоянное резервирование, при котором запасной элемент подсоединен к основному и находится в таком же рабочем режиме, и резервирование замещением, когда запасной элемент включается в работу только при отказе основного. Достоинствами постоянного резервирования являются простота логической структуры и отсутствие перерывов в работе системы. При резервировании замещением в работе системы возникают перерывы в связи с необходимостью локализации неисправности и замены отказавшего элемента, но в то же время данный метод не требует коррекции работы системы, согласования электрических параметров, которые необходимы при отключении и подключении параллельно работающих устройств. В микропроцессорных системах часто используется мажоритарное резервирование. Его суть заключается в том, что основной и некоторое количество резервных элементов работают одновременно и подключены к схеме сопряжения, которая представляет собой логический элемент, осуществляющий функцию "голосования по большинству" (рис. 105). Сигнал на выходе такого элемента совпадает с тем, который в данный момент имеется на большинстве его входов.



1 – основной элемент; 2 – 6 – резервные элементы;
7 – мажоритарный элемент
Рис. 105. Мажоритарное резервирование

Системы, определяющие неисправности при сбоях в работе аппаратуры, работают примерно так же: при обнаружении выхода контролируемых параметров за установленные пределы формируется аппаратное прерывание для микропроцессора, и загружаются подпрограммы, вызывающие остановку работы системы и индикацию кода ошибки. Код ошибки может представлять собой число, соответствующее неисправному устройству, или наименование этого устройства. Наиболее дешевые и простые системы не выводят код ошибки, а просто ограничиваются выводом надписи "Err" или "Error", иногда по-русски – "Ошибка". Выбор английской надписи в отечественных приборах обусловлен, как правило, не огромными успехами нашей аппаратуры за рубежом, а простотой формирования этой надписи из сегментов светодиодных индикаторов (рис. 106).

Рис. 106. Индикация сообщения об ошибке

Некоторые микропроцессорные устройства производят тестирование основных узлов сразу после включения питания. Пользователи персональных компьютеров, вероятно, обращали внимание на изменяющиеся цифры слева в верхней части экрана сразу после включения ЭВМ, иногда они сопровождаются надписью "Memory". Это означает, что работает одна из стартовых программ, выполняющая тест оперативной памяти. Стартовые программы, включая и тесты работоспособности, находятся в ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство, часто используется английская аббревиатура ROM, Read Only Memory – память только для чтения). В тест работоспособности (POST, Power On Self Test – самотестирование при включении питания) входят несколько небольших программ, осуществляющих проверку работоспособности основных систем компьютера – ПЗУ (ROM), оперативной памяти (ОЗУ – Оперативное Запоминающее Устройство, по-английски RAM, Random Access Memory – память произвольного доступа), клавиатуры и т. д. При обнаружении неисправности на экран выводится код ошибки. Такие системы устанавливаются не только в персональных ЭВМ, но и в некоторых приборах (в том числе и медицинских) на основе микропроцессоров. В таких приборах тестовая последовательность запускается автоматически при включении питания, но при желании ее можно прервать, задать выборочное тестирование, циклический тест, можно также запустить программу самотестирования во время работы. Тест при включении питания часто длится довольно значительное время. Это, конечно, утомляет и вызывает вполне понятное раздражение, но такое тестирование повышает надежность работы устройства и снижает риск получения ошибочных результатов измерений.