Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ОШИБОК ИЛИ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ЦИФРОВОМ УСТРОЙСТВЕ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Настоящее изобретение относится к устройству обнаружения ошибок или неисправностей в цифровом устройстве обработки сигналов согласно ограничительной части главного пункта формулы изобретения.

Уровень техники

Известно, что в устройствах обработки сигналов, выполненных, например, в виде аналоговых интегральных схем (ИС) обработки сигналов, необходимо наличие функций контроля, позволяющих выявлять ошибки или неисправности в работе таких схем, для чего было предложены различные подходы. Так, например, в DE-P 19756081.4 предложен способ контроля и обнаружения ошибок или неисправностей, реализуемый применительно к аналоговой ИС обработки, используемой для распознавания детонационных стуков, возникающих при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В процессе распознавания детонационных стуков характеризующие корпусной шум сигналы, выдаваемые датчиками детонационного сгорания, подаются через мультиплексор в ИС обработки. В состав такой ИС входят по меньшей мере один усилитель, один фильтр, один выпрямитель и один интегратор. Выдаваемое интегратором результирующее значение используется в качестве результата распознавания детонационных стуков при расчете показателя детонации, используемого для регулирования по детонации. Сигналы обрабатываются в этой ИС в аналоговой форме. При этом для контроля за работоспособностью ИС предусмотрены два диагностических или тестовых режима. Такие тестовые режимы называют тестом под нагрузкой с помощью тестового импульса и тестом без нагрузки. Один из таких диагностических методов позволяет проверять исправность всей цепи передачи сигнала вплоть до мультиплексора.

При проведении первого теста, предусматривающего использование тестового импульса, в цепь обработки, расположенную после мультиплексора, подается тестовый сигнал. Этот сигнал за относительно короткий интервал времени приводит к повышению отдаваемой на выходе последующего интегратора мощности до максимального значения независимо от настройки усилительного каскада. Если по истечении относительно короткого промежутка времени не происходит ожидаемой полной отдачи мощности на выходе интегратора, то делается вывод о наличии неисправности в схеме обработки. При проведении второго теста, т.е. теста без нагрузки, расположенная после мультиплексора цепь передачи сигнала отключается от остальной схемы. В этом случае в интеграторе интегрированию подвергаются только возникающие в ИС внутренние шумовые помехи, например шум. Выдаваемый интегратором сигнал несет в этом случае информацию о возможном возникновении неисправностей или о возможном наличии в работе схемы иных ошибок. Необходимость контроля за работоспособностью интегральной схемы обработки характеризующих детонацию сигналов связана с тем, что при выходе этой схемы обработки из строя в систему регулирования по детонации начали бы поступать неверные значения, что, в свою очередь, могло бы привести к некорректной работе этой системы регулирования по детонации и в конечном итоге к поломке ДВС.

В современных устройствах обработки сигналов, применяемых, например, для распознавания возникающих при работе ДВС детонационных стуков, используются цифровые ИС обработки. При этом обработка сигналов практически в полном объеме осуществляется цифровым вычислительным устройством. Подобная ИС обработка, предназначенная для обработки выходных сигналов датчиков детонационного сгорания, описана в заявке DE-P 10004166.3. В процессе такой цифровой обработки сигналов из приведенных к нормированному виду и оцифрованных выходных сигналов датчиков, например датчиков детонационного сгорания, выделяется характеризующая некоторое типичное свойство составляющая, например характерная для детонационного сгорания составляющая, которая в целях распознавания детонационных стуков сравнивается с некоторыми заданными пороговыми значениями. При такой описанной в DE-P 10004166.3 цифровой обработке сигналов проверка или контроль работоспособности или исправности ИС не предусмотрен.

Задача изобретения

В основу изобретения была положена задача разработать надежный и эффективный метод обнаружения ошибок или неисправностей при цифровой обработке сигналов, например при распознавании детонационных стуков с помощью цифровой ИС обработки сигналов, при этом необходимо обеспечить надежное распознавание возможных ошибок или неисправностей во всей цепи обработки сигналов цифровой ИС.

Преимущества изобретения

Преимущество предлагаемого в изобретении устройства обнаружения ошибок или неисправностей при цифровой обработке сигналов с отличительными признаками п.1 формулы состоит в возможности надежного распознавания неисправностей, соответственно ошибок в работе схемы обработки сигналов, а также в сохранении возможностей по гибкой адаптации устройства обработки сигналов к различным системам за счет его реализации в виде цифрового устройства. Предлагаемые в изобретении методы диагностики позволяют контролировать работоспособность и цифровой, и аналоговой частей всего устройства обработки сигналов, прежде всего интегральной схемы обработки сигналов.

Достичь указанных преимуществ позволяет устройство обнаружения ошибок или неисправностей при цифровой обработке сигналов, отличительные признаки которого указаны в п.1 формулы изобретения и в котором для обнаружения ошибок или неисправностей предусмотрено выполнение двух функций контроля и проверка реакции устройства обработки сигналов на эти функции контроля.

Другие преимущества изобретения достигаются с помощью предпочтительных вариантов его выполнения, представленных в зависимых пунктах формулы. При этом особое преимущество предлагаемого в изобретении устройства, которое наиболее предпочтительно использовать применительно к системе распознавания возникающих при работе ДВС детонационных стуков, состоит в том, что управляющая логика, необходимая для осуществления предлагаемого в изобретении подхода, реализована в процессоре блока управления ДВС.

Чертежи

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемый чертеж.

Описание варианта выполнения изобретения

В показанном на чертеже в качестве примера варианте выполнения изобретения обработке подвергаются выходные сигналы двух датчиков 10 и 11 детонационного сгорания, каждый из которых относится, например, соответственно к одному из цилиндров не показанного на чертеже двигателя 9 внутреннего сгорания (ДВС). Каждый из выходных сигналов S1 и S2 этих датчиков 10 и 11 детонационного сгорания поступает сначала в соответствующую схему 12, 13 согласования сигналов, где эти выходные сигналы преобразуются к нормированному виду, пригодному для их последующей передачи мультиплексором 14 в соответствии с заданными условиями на дальнейшую обработку.

Этот мультиплексор 14, а также фильтр 15, например фильтр устранения помех дискретизации, последующий усилитель 16 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 17 образуют аналоговую часть 18 схемы обработки сигналов. Собственно обработка сигналов осуществляется в цифровой части 19, подключенной к аналоговой части. С этой целью в цифровую часть 19 подается выдаваемый АЦП 17 сигнал, который является цифровым сигналом и обозначен на чертеже как SD.

На чертеже показаны три возможных варианта выполнения устройства обработки сигналов, соответственно его цифровой части 19. В соответствии с первым из этих вариантов цифровая часть 19 может иметь фильтр 20, выпрямитель 21 и интегратор 22, согласно второму варианту она может иметь средства 23 для осуществления дискретного преобразования Фурье (ДПФ), а в соответствии с третьим вариантом она может иметь средства 24 для осуществления быстрого преобразования Фурье (БПФ). Выбор того или иного метода обработки сигналов зависит от заданных условий и может быть согласован с конкретным типом сигналов SD или может определяться спецификой конкретно разрабатываемого устройства. С выхода цифровой части 19 схемы обработки сигналов выдается обработанный сигнал SA, содержащий показатели детонации. Затем на основании этих показателей детонации в блоке 25, например компараторе, распознается наличие детонационных стуков. Такой блок 25 может также представлять собой контроллер, входящий в состав блока управления ДВС, в котором (блоке управления) необходима информация о наличии детонационных стуков для воздействия на определенные рабочие параметры ДВС, например на параметры зажигания. В принципе же все устройство распознавания детонационных стуков может быть выполнено в виде компонента блока управления ДВС.

В схеме обработки сигналов, один из вариантов выполнения которой показан на чертеже, к мультиплексору 14 через симметричные входные контуры может быть подключено несколько датчиков 10, 11 детонационного сгорания. При этом мультиплексор всегда выдает на дальнейшую обработку сигнал только того датчика детонационного сгорания, который наиболее четко регистрирует шумы, сопровождающие текущий процесс сгорания. Затем выходной сигнал мультиплексора 14 через фильтр 15, например фильтр устранения помех дискретизации, и при необходимости дополнительно через усилитель 16 подается в АЦП 17.

После появления на выходе АЦП 17 представленного в цифровой форме сигнала SD может начинаться собственно цифровая его обработка. Подобная цифровая обработка сигналов, происходящая в цифровой части 19, обычно заключается в анализе интенсивности или энергии сигнала. Вместо подобного анализа энергии сигнала такая обработка для последующего распознавания детонационных стуков может заключаться в определении пиковых значений сигнала.

Один из возможных способов анализа энергии, который уже известен по его применению в отношении описанной в DE-P 19756081.4 аналоговой схемы, состоит в фильтрации выдаваемого датчиком детонационного сгорания сигнала, в выпрямлении или квадрировании подвергнутого фильтрации сигнала и в последующем интегрировании этого сигнала. В другом варианте для этой же цели можно использовать дискретное преобразование Фурье (ДПФ) или быстрое преобразование Фурье (БПФ). Каждый из трех указанных методов обработки позволяет анализировать несколько частотных диапазонов, а также подавлять паразитные частоты. В результате подобной обработки получают один или несколько показателей детонации для каждого процесса сгорания, происходящего в определенном цилиндре ДВС. На наличие детонационного стука указывает превышение этим показателем или показателями детонации определенных задаваемых и при необходимости соответствующим образом согласуемых пороговых значений. При таком сравнении с пороговыми значениями может также учитываться, например, некоторое опорное значение, характерное для бездетонационной работы ДВС. Подобное опорное значение можно определить с помощью того же самого устройства обработки сигналов во всех тех случаях, когда ДВС гарантированно работает в бездетонационном режиме. При этом ДВС работает в таком бездетонационном режиме при наличии известных рабочих условий. Поскольку предлагаемый в изобретении подход по выявлению детонационных стуков используется применительно к блоку управления ДВС, который (блок управления) распознает наличие таких рабочих условий, существует возможность определять на основании сигналов SA и характеризующие детонацию значения ikr, и опорные значения rkr.

На наличие детонационного сгорания указывает выполнение следующего условия:

ikr/rkr>ke,

где переменные имеют в соответствии с принятыми обозначениями следующие значения:

ikr - характеризующее детонацию значение,

rkr - опорное значение,

ke - порог распознавания детонационных стуков.

Рассмотренное выше условие, на основании которого выявляется наличие детонационных стуков и соблюдение которого проверяется, например, в блоке 25, используется также в обычных системах распознавания детонационных стуков, однако в отличие от обычных систем обработка сигналов и существенная часть их преобразования к нормированному виду осуществляется согласно предлагаемому в изобретении решению путем их цифровой обработки. При этом характеризующее детонацию значение, опорное значение и порог распознавания детонационных стуков являются цифровыми величинами, и поэтому необходимость в преобразовании сигнала SA в цифровую форму отпадает.

Обработка сигналов осуществляется в различных частотных диапазонах, которые выбираются таким образом, чтобы подвергать обработке преимущественно те частотные диапазоны, основной составляющей которых является полезный сигнал, т.е. характеризующий детонационный стук сигнал, и подавлять те частотные диапазоны, основной составляющей которых являются помехи (паразитные частоты). Характеризующие детонацию значения, определенные для отдельных частот, представляют собой показатели детонации, которые в конечном итоге и подвергаются обработке для распознавания детонационных стуков.

Для имеющего рассмотренную выше структуру и работающего описанным выше образом цифрового устройства обработки, соответственно цифровой ИС обработки, согласно изобретению предусмотрено использование функции контроля, позволяющей проводить два различных теста или две различных проверки. При этом контроль может осуществляться во время заданных фаз контроля. Такие фазы контроля можно, например, задать таким образом, чтобы функция контроля активизировалась сразу же после запуска ДВС. Существует также возможность задавать эти фазы контроля таким образом, чтобы функция контроля была активизирована при наличии таких рабочих условий, в которых возникновение детонации практически полностью исключено.

ИС для проверки ее работоспособности может переключаться в два тестовых режима. В первом тестовом режиме, называемом также тестовым режимом под нагрузкой с помощью тестового импульса, в мультиплексор 14 подается тестовый сигнал. При этом такой тестовый сигнал можно подавать на штатный вход мультиплексора 14 либо на специальный вход, предусмотренный только для проведения проверки. В качестве фильтра выдаваемого мультиплексором 14 сигнала можно использовать фильтр из запоминающего устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ) или фильтр из тестового постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Параметры тестового сигнала подбирают с таким расчетом, чтобы при наибольшем усилении обеспечить максимально полную отдачу мощности на выходе интегратора. Отдача мощности на выходе интегратора 22 зависит также от используемого фильтра и от длительности цикла измерений. Длительность цикла измерений соответствует, например, длительности тестового сигнала.

Тестовый сигнал, соответственно тестовый импульс ТР может формироваться самой схемой обработки, однако в другом возможном варианте может также подаваться извне. ИС работает без сбоев, если выходной сигнал интегратора превышает некоторое заданное значение. Соблюдение подобного условия, указывающего на отсутствие сбоев или неисправностей в работе ИС, можно проверить, сравнивая выдаваемое интегратором значение, например, через заданные интервалы времени с некоторым пороговым значением, при этом такое сравнение можно осуществлять с помощью компаратора или с помощью соответствующей функции сравнения, предусмотренной в процессоре. Если выдаваемое интегратором значение превышает пороговое значение, то ИС классифицируется как исправная, а если выдаваемое интегратором значение не превышает указанного порогового значения, то этот факт свидетельствует о неисправности ИС, и в качестве ответной меры можно выдавать соответствующие сообщение о неисправности и/или воздействовать на систему регулирования по детонации и при необходимости переключать ее на работу в аварийном режиме.

Во втором тестовом режиме, называемом тестом без нагрузки, подача в мультиплексор 14 входного сигнала отключается, т.е. в схему обработки перестает поступать сигнал. Дополнительно к отключению подачи входного сигнала пары входных линий, подведенных к соответствующим входам Е1 и Е2 мультиплексора 14, можно замкнуть накоротко. При этом, таким образом, накоротко замыкаются две входные линии, к которым подсоединен один из датчиков. В качестве фильтра для выдаваемого в этом случае мультиплексором сигнала также можно использовать фильтр из ЗУПВ или из тестового ПЗУ. При замкнутых накоротко двух входных линиях, подведенных к одному из входов E1, E2, к которому подсоединен один из датчиков, на исправную работу ИС указывает тот факт, если выдаваемый интегратором результат не превышает некоторого заданного порогового значения. Сравнение выдаваемого интегратором значения с этим вторым пороговым значением осуществляется компаратором (реализованным на аппаратном уровне в виде отдельного устройства или на программном уровне в виде соответствующей функции, выполняемой процессором). При обнаружении сбоя или неисправности в работе ИС в этом случае также можно выдавать соответствующее сообщение и/или воздействовать на систему регулирования по детонации. Вышеуказанные пороговые значения можно выбирать исходя из ожидаемых выходных значений интегратора и при необходимости эти пороговые значения можно варьировать.

Тест без нагрузки можно также использовать для коррекции смещения нуля при наличии слишком больших наводок прежде всего в цепи передачи аналогового сигнала. В этом случае полученное в результате теста без нагрузки выходное значение, соответственно содержимое интегратора учитывается при установке нуля цифровой схемы обработки.

Оба рассмотренных выше возможных режима диагностики позволяют проверять обе части устройства обработки сигналов - цифровую и аналоговую. При этом подобная диагностика позволяет контролировать корректность работы ИС устройства обработки сигналов. Хотя при такой диагностике и невозможно установить точное местонахождение неисправности (мультиплексор 14, усилитель 16 и т.д.), тем не менее это и не требуется, поскольку информации о том, является ли ИС полностью работоспособной или нет, вполне достаточно для надежного распознавания детонационных стуков и тем самым для надежного и эффективного регулирования по детонации.

Выполнением отдельных функций контроля управляют средства, например процессор блока управления, которые позволяют активизировать эти функции контроля только в заданные моменты времени и/или при наличии заданных условий. При этом контроль за работоспособностью устройства обработки сигналов может осуществляться в непрерывном режиме, при наличии заданных рабочих условий или в фазе инициализации и/или в последующий за ней период. При выявлении ошибок или неисправностей выдается соответствующее сообщение и/или информация о таких ошибках или неисправностях сохраняется в соответствующей памяти.

Следует отметить, что хотя вышепредлагаемое в изобретении решение и рассмотрено на примере обнаружения ошибок или неисправностей в цифровой ИС обработки сигналов, используемой для распознавания детонационных стуков, тем не менее оно с равным успехом может использоваться и применительно к другим цифровым ИС. Равным образом предлагаемое в изобретении решение может найти применение и в тех цифровых системах обработки сигналов, которые выполнены не в виде отдельной ИС, а используются (реализованы) непосредственно в процессоре блока управления, например блока управления ДВС.