微型堵塞器型壓力計(jì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、WORD50/50WORD學(xué) 號(hào): 0103070110 農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)展學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）微型堵塞器型壓力計(jì)的設(shè)計(jì)學(xué) 院:電子信息工程學(xué)院專 業(yè):測(cè)控技術(shù)與儀器 班 級(jí):一班 姓 名:海龍 指導(dǎo)教師:吳旭云 微型堵塞器型壓力計(jì)的設(shè)計(jì)摘要首先介紹了壓力計(jì)的用途，并將我們?cè)O(shè)計(jì)的壓力計(jì)同國(guó)外使用較多的壓力計(jì)做了性能比較；然后，概述性的介紹了壓力計(jì)的工作原理；并對(duì)壓力計(jì)的總線選擇、電數(shù)據(jù)壓縮做了概念性介紹。并且對(duì)壓力計(jì)的測(cè)量部分，計(jì)算部分，時(shí)間控制部分，電源控制部分，存儲(chǔ)器部分的原理做了詳細(xì)的闡述 其次詳細(xì)論述了本壓力計(jì)的下位機(jī)軟件各組成部分。首先，在本章開(kāi)頭我們給出了測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集部分、DS1629報(bào)

2、警部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分與I2C總線部分的程序流程圖，最后給出了主流程圖。 再次詳細(xì)論述了數(shù)據(jù)擬合回歸公式的基本原理，并給出了如何用擬合好的公式計(jì)算壓力，溫度值。只有對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合回歸，才能得到真實(shí)的壓力、溫度值。數(shù)據(jù)擬合公式中系數(shù)的選擇將對(duì)溫度、壓力值的精確度有極大的影響。 為了提高系統(tǒng)的魯棒性，我們?cè)诒緣毫τ?jì)的硬件與軟件設(shè)計(jì)上都對(duì)容錯(cuò)性給予了極高的重視。在本章中，闡述了軟件容錯(cuò)的基本概念、基本原理、基本方法、以與模型設(shè)定。最后，以本壓力計(jì)為例，給出了軟件容錯(cuò)的一些實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵字 石油 壓力計(jì) 溫度計(jì)The miniature stops the design of a pressu

3、re gauge of machineAbstract firstly,it introduces the use of manomerer,and it also compares the function the manometer of our design with the most used ones both here and abroad.Second,it introduces the operational principle of manomerer in general,and it also gives us a conceptual introduction for

4、the main line choice and data compaction.,it expatiates the the principal of detecting unit,computingtime,time control,power control ,memorizer.it discusses in particular the every part of the down machine sofetware.It firstly shows the collection of well logging data,DS1629 alarm system,data storag

5、e and program flow picture of I2C main line,then it shows the main program flow picture.It expatiates the basic principle of data fittings regression formula,and it shows that how to use regression formula to calculate the press and tempreture.Only if we use regression formula in collectiong date,we

6、 can get correct press and tempreture.The coefficient of data fittings regression formula will have a great influence for the precision of press and tempreture.In order to improve the robustness of the system,we pay great attention to the fault tolerance of hardware and software of this manometer.In

7、 this Chapter,it states many aspects of of fault tolerance,such as ,basic meaning,basicprinciple,basic method,and model specification.Finally,using this manometer as an example,it shows the practical application of software fault tolerance.Keywords Petroleum Pressure gauge Thermometer目 錄 TOC o 1-3 h

8、 z u HYPERLINK l _Toc293079666第1章緒論 PAGEREF _Toc293079666 h 6HYPERLINK l _Toc2930796671.1 井下壓力、溫度測(cè)量?jī)x的研究概況 PAGEREF _Toc293079667 h 6HYPERLINK l _Toc2930796681.2本課題的方案確定和要完成的工作 PAGEREF _Toc293079668 h 7HYPERLINK l _Toc2930796691.2.1 總體設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc293079669 h 8HYPERLINK l _Toc2930796701.2.2 系統(tǒng)工作原理

9、 PAGEREF _Toc293079670 h 8HYPERLINK l _Toc2930796711.2.3傳感器選擇 PAGEREF _Toc293079671 h 9HYPERLINK l _Toc2930796721.2.4 系統(tǒng)總線選擇 PAGEREF _Toc293079672 h 10HYPERLINK l _Toc2930796731.2.5 要完成的工作 PAGEREF _Toc293079673 h 12HYPERLINK l _Toc2930796741.3本章小結(jié) PAGEREF _Toc293079674 h 12HYPERLINK l _Toc293079675第

10、2章系統(tǒng)硬件 PAGEREF _Toc293079675 h 13HYPERLINK l _Toc2930796762.1 硬件組成 PAGEREF _Toc293079676 h 13HYPERLINK l _Toc2930796772.2 工作原理 PAGEREF _Toc293079677 h 17HYPERLINK l _Toc2930796782.2.1壓力測(cè)量部分 PAGEREF _Toc293079678 h 17HYPERLINK l _Toc2930796792.2.2 溫度測(cè)量部分 PAGEREF _Toc293079679 h 18HYPERLINK l _Toc2930

11、796802.2.3 電源控制部分 PAGEREF _Toc293079680 h 18HYPERLINK l _Toc2930796812.2.4 存儲(chǔ)部位 PAGEREF _Toc293079681 h 19HYPERLINK l _Toc2930796822.2.5定時(shí)控制部分 PAGEREF _Toc293079682 h 19HYPERLINK l _Toc2930796832.3本章小結(jié) PAGEREF _Toc293079683 h 19HYPERLINK l _Toc293079684第3章系統(tǒng)軟件 PAGEREF _Toc293079684 h 20HYPERLINK l _

12、Toc2930796853.1 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集部分 PAGEREF _Toc293079685 h 20HYPERLINK l _Toc2930796863.2 時(shí)鐘控制部分 PAGEREF _Toc293079686 h 20HYPERLINK l _Toc2930796873.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分 PAGEREF _Toc293079687 h 23HYPERLINK l _Toc2930796883.4I2C總線部分 PAGEREF _Toc293079688 h 25HYPERLINK l _Toc2930796893.4.1I2C總線的基本原理 PAGEREF _Toc293079689

13、h 25HYPERLINK l _Toc2930796903.5主程序流程圖 PAGEREF _Toc293079690 h 29HYPERLINK l _Toc2930796913.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc293079691 h 32HYPERLINK l _Toc293079692第4章數(shù)據(jù)回歸 PAGEREF _Toc293079692 h 33HYPERLINK l _Toc2930796934.1 數(shù)據(jù)回歸概述 PAGEREF _Toc293079693 h 33HYPERLINK l _Toc2930796944.2 擬合算法推導(dǎo) PAGEREF _Toc293079

14、694 h 34HYPERLINK l _Toc2930796954.3 參數(shù)應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 PAGEREF _Toc293079695 h 36HYPERLINK l _Toc2930796964.3.1求井溫 PAGEREF _Toc293079696 h 36HYPERLINK l _Toc2930796974.3.2求壓力值 PAGEREF _Toc293079697 h 36HYPERLINK l _Toc2930796984.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc293079698 h 37HYPERLINK l _Toc293079699第5章軟件容錯(cuò) PAGEREF _Toc2

15、93079699 h 38HYPERLINK l _Toc2930797005.1軟件容錯(cuò)的定義與分類 PAGEREF _Toc293079700 h 38HYPERLINK l _Toc2930797015.1.1時(shí)間容錯(cuò) PAGEREF _Toc293079701 h 38HYPERLINK l _Toc2930797025.1.2 信息容錯(cuò) PAGEREF _Toc293079702 h 39HYPERLINK l _Toc2930797035.1.3 軟失效運(yùn)行 PAGEREF _Toc293079703 h 39HYPERLINK l _Toc2930797045.2 軟件容錯(cuò)系統(tǒng)結(jié)

16、構(gòu)介紹 PAGEREF _Toc293079704 h 39HYPERLINK l _Toc2930797055.2.1 N版本程序結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc293079705 h 39HYPERLINK l _Toc2930797065.2.2 恢復(fù)模擬塊法 PAGEREF _Toc293079706 h 40HYPERLINK l _Toc2930797075.2.3提高軟件的剛健性（robustness） PAGEREF _Toc293079707 h 41HYPERLINK l _Toc2930797085.3 應(yīng)用 PAGEREF _Toc293079708 h 41HYPERL

17、INK l _Toc2930797095.3.1 防止死機(jī) PAGEREF _Toc293079709 h 41HYPERLINK l _Toc2930797105.3.2判斷讀出時(shí)間是否正確 PAGEREF _Toc293079710 h 42HYPERLINK l _Toc2930797115.3.3判斷下次報(bào)警是否能夠?qū)崿F(xiàn) PAGEREF _Toc293079711 h 42HYPERLINK l _Toc2930797125.3.4 判斷工作表 PAGEREF _Toc293079712 h 45HYPERLINK l _Toc2930797135.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc

18、293079713 h 46HYPERLINK l _Toc293079714第6章結(jié)束語(yǔ) PAGEREF _Toc293079714 h 47HYPERLINK l _Toc293079715致 PAGEREF _Toc293079715 h 48第1章 緒論石油是一個(gè)國(guó)家的命脈，石油產(chǎn)業(yè)的興衰直接影響到國(guó)家的經(jīng)濟(jì)。所以我國(guó)一直對(duì)油藏工程給予極高的重視。在油藏工程中的許多方面，可靠的地下油藏資料都是十分重要的：油藏工程師必須掌握大量的油藏?cái)?shù)據(jù)資料，才能準(zhǔn)確的分析油藏動(dòng)態(tài)和預(yù)測(cè)各種開(kāi)采方式下的生產(chǎn)趨勢(shì)；菜油工程師也要了解生產(chǎn)井和注入井生產(chǎn)條件才能在油藏最佳動(dòng)態(tài)情況下進(jìn)行開(kāi)采。這些資料大都是通過(guò)

19、不穩(wěn)定試井得到的。 不穩(wěn)定試井方法，例如，壓力恢復(fù)、降壓、注入能力測(cè)試等等，都是油藏工程和采油工程的一個(gè)重要方面。不穩(wěn)定試井方法的主要過(guò)程由兩部分組成：一部分是在井底造成壓力改變，另一部分是測(cè)量壓力改變隨時(shí)間的變化。通過(guò)測(cè)量得到的壓力值，可以用來(lái)估算出巖石、流體和井的特性參數(shù)，其有助于用來(lái)分析、改進(jìn)和預(yù)測(cè)油藏動(dòng)態(tài)。從不穩(wěn)定試井獲得的實(shí)驗(yàn)資料包括井筒體積，地層壓力，滲透率，孔隙度，儲(chǔ)量和其它有關(guān)數(shù)據(jù)。從中可以看到，這種方法的關(guān)鍵的技術(shù)資料就是測(cè)量得到的精確的壓力值。以前，不穩(wěn)定試井方法受到許多限制，其中最重要的一方面就是缺少精確的壓力數(shù)據(jù)，而無(wú)法進(jìn)行確切的分析。井下壓力、溫度測(cè)量?jī)x的研究概況目前

20、，國(guó)外的井下測(cè)壓技術(shù)發(fā)展的十分迅速，主要測(cè)量?jī)x器為存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)。其大多有著壓力量程大、精度高、存儲(chǔ)量大、采樣速度快等優(yōu)點(diǎn)，而國(guó)的井下測(cè)壓技術(shù)還不十分先進(jìn)。國(guó)外常見(jiàn)的壓力測(cè)量?jī)x的性能指標(biāo)可參照下表1.1. 但由于此類傳統(tǒng)壓力計(jì)大多有著直徑寬，體積大等諸多不利因素，造成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)щy，費(fèi)用高、成本高，因而急需一種直徑小、精度高、工作時(shí)間長(zhǎng)的新型壓力計(jì)。目前此類小直徑壓力計(jì)在國(guó)外已經(jīng)問(wèn)世，但是價(jià)格昂貴，而且井下工作時(shí)間較短；國(guó)同類產(chǎn)品較少，而且在測(cè)量精度、功耗、存儲(chǔ)容量方面不盡人意。我們的微型堵塞器型壓力計(jì)就是在這種形勢(shì)下研制出來(lái)的新型產(chǎn)品。這套儀器配套于偏心配水器，測(cè)試工藝完全依照分層配水與測(cè)試

21、工藝進(jìn)行。因而極利于注水井的壓力溫度測(cè)試，簡(jiǎn)化了工藝，節(jié)約了人力、財(cái)力。生產(chǎn) 廠家 斯坦微電子研究所金時(shí)石石油測(cè)試技術(shù)雙福星科技有限公 司大名新技術(shù)開(kāi)發(fā)公司市儀星壓力量程（Mpa）050030045030030壓力分辨率（%FS）0.050.010.050.050.01壓力精度（%FS）0.50.50.40.50.5溫度量程（）-10+125-40+120-20+1200+80-30+120溫度精度（）0.50.5110.5溫度分辨率（）0.10.10.50.50.1存儲(chǔ)容量（點(diǎn)）300012000160001360014272井下工作時(shí)間（天）90180120180150表1.1 國(guó)外常見(jiàn)大

22、直徑壓力測(cè)量?jī)x性能指標(biāo)參照表 由上可見(jiàn)：一般壓力計(jì)，其精度只能達(dá)到千分之一左右；而且一般只能耐到120度高溫，我們知道隨著井的深度增加，井下的溫度也在增加，所以這種耐溫度就限制了被測(cè)井的深度；一般的測(cè)壓計(jì)的容量也不是很大，只能達(dá)到25萬(wàn)組數(shù)據(jù)，更有甚者只有幾千組，因?yàn)榫聰?shù)據(jù)的數(shù)量越多對(duì)被測(cè)井的特性分析也就月充分；存儲(chǔ)量不大，也就意味著不會(huì)掌握很多的井下壓力數(shù)據(jù)，很大的限制了不穩(wěn)定試井的使用圍；而且，大多數(shù)壓力計(jì)的溫度測(cè)量不精確，現(xiàn)在國(guó)際通用的壓力計(jì)都要求精確的溫度測(cè)量，這是因?yàn)楸粶y(cè)井下壓力同當(dāng)時(shí)的井下溫度有關(guān)，測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)要根據(jù)以溫度擬合成的數(shù)據(jù)為系數(shù)的方程來(lái)得到正確的壓力真值，如果溫度值

23、不準(zhǔn)，則壓力值也不會(huì)準(zhǔn)確。而且，溫度本事對(duì)于試井也有著極大的意義。本課題的方案確定和要完成的工作 對(duì)本課題所提出的技術(shù)指標(biāo)有如下幾項(xiàng)：壓力量程： 075Mpa壓力精度： 0.05%FS壓力分辨率： 0.001%FS溫度量程： -30+125度溫度精度： 0.1度溫度分辨率： 0.05度 最大存儲(chǔ)容量： 80000點(diǎn) 井下工作時(shí)間： 半年以上 外徑： 15mm 長(zhǎng)度： 20%溢出更新快采點(diǎn)數(shù)總點(diǎn)數(shù)加一置快采標(biāo)志數(shù)據(jù)壓縮并寫入存儲(chǔ)寫入下次報(bào)警時(shí)間更新浮動(dòng)工作表可以報(bào)警去恢復(fù)工作表子程序更新慢采點(diǎn)數(shù)換段讀出快采點(diǎn)數(shù)進(jìn)行換段操作置標(biāo)志寫1629斷電ENY N 圖3.5.2 主程序流程圖E部分3.6 本

24、章小結(jié) 本章中詳述了本壓力計(jì)的下位機(jī)軟件各組成部分。首先，在本章開(kāi)頭我們給出了測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集部分、DS1629報(bào)警部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分與I2C總線部分的程序流程圖，最后給出了主流程圖。程序中還涉與到軟件容錯(cuò)的問(wèn)題，將在第五章介紹。數(shù)據(jù)回歸在第一章中，已經(jīng)說(shuō)明了數(shù)據(jù)回歸的意義，在本章中主要是推導(dǎo)數(shù)據(jù)回歸算法的實(shí)現(xiàn)，并將說(shuō)明算法的應(yīng)用過(guò)程。4.1 數(shù)據(jù)回歸概述 將測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)一定數(shù)學(xué)運(yùn)算還原成真實(shí)的壓力、溫度值的過(guò)程叫做數(shù)據(jù)回歸。數(shù)據(jù)回歸的方法一般采用以下兩種：（1）最小二乘線性回歸方式；（2）五次多項(xiàng)式回歸方法。線性電子壓力計(jì)，采用最小二乘線性回歸方式擬合，常溫下最小二乘工作直線示值Y的計(jì)算公式為

25、： （4.1） （4.2）式中： 工作直線的截距；工作直線的斜率；某壓力檢定點(diǎn)輸出示值的算術(shù)平均值；某壓力檢定點(diǎn)的壓力值（Mpa）；壓力檢定點(diǎn)數(shù)；對(duì)應(yīng)壓力值的工作直線示值。非線性電子壓力計(jì)，多采用五次多項(xiàng)式回歸分析的方法。由于壓力計(jì)的壓力采用值受到溫度的影響，因此在測(cè)量壓力的同時(shí)必須測(cè)量對(duì)應(yīng)的溫度值，并根據(jù)溫度值回歸出壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)。在獲得壓力校準(zhǔn)系數(shù)后即可回歸出壓力真值。由于本次設(shè)計(jì)的壓力值具有上述的非線性特征，因此這里采用二元多項(xiàng)式回歸的方法求壓力溫度值。二元五次多項(xiàng)式回歸方程常表示如下：（4.3）（4.4）其中，分別為壓力，溫度的原碼值。A,B,C,D,E,F為壓力校準(zhǔn)系數(shù)，為溫度的函數(shù)。

26、，. .為溫度校準(zhǔn)系數(shù)。4.2 擬合算法推導(dǎo) 如上所述：壓力傳感器發(fā)出的是同所測(cè)壓力成正比的電壓信號(hào)，而溫度傳感器的輸出直接為實(shí)際溫度值，因此溫度無(wú)需回歸，而要從測(cè)得的電壓信號(hào)中得到精確的壓力，必須對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)二元回歸。即： 式中： ：測(cè)得的電力電壓值；：測(cè)得的溫度值；：對(duì)應(yīng)與的壓力值；：壓力回歸方程。數(shù)據(jù)回歸函數(shù)的選擇一般有以下兩種：線性方程、非線性方程。對(duì)于我們所使用的傳感器，其在5MP55MP之間呈現(xiàn)線性狀態(tài)，而在05MP，以與55MP以上呈現(xiàn)非線性狀態(tài)。如圖4.1所示。所以，整個(gè)工作區(qū)，傳感器呈現(xiàn)非線性狀態(tài)。對(duì)于非線性電子壓力計(jì)，一般采用N（N一般取3或5）次多項(xiàng)式回歸分析方法，

27、以求得每個(gè)溫度點(diǎn)下的壓力校準(zhǔn)系數(shù)。以N取5為例，其回歸方程為： （4.5）其中：、為壓力方程校準(zhǔn)系數(shù)，均是溫度的函數(shù)： （4.6） （4.7） （4.8） （4.9） （4.10） （4.11）405575圖 4.1 壓力方程校準(zhǔn)系數(shù)隨溫度變化，在恒溫浴溫度采點(diǎn)處加壓，每一溫度點(diǎn)至少加6個(gè)壓力，這樣至少要36點(diǎn)壓力值。標(biāo)定n個(gè)溫度點(diǎn)下的壓力可得如下方程 組： （4.12） 從上述方程組中解得：、；、；、；、；、；、 由于以上壓力系數(shù)均為溫度的函數(shù)，因此有如下方程：（4.13）（4.14）解方程組，可求得，；，；，。相應(yīng)的代入方程（46）（411），可得任意溫度下的A、B、C、D、E、F，進(jìn)而可

28、得P。4.3 參數(shù)應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.3.1求井溫 電子壓力計(jì)的測(cè)溫井筒某點(diǎn)壓力時(shí)，首先得到的是溫度T的三個(gè)字節(jié)原碼值，按照算法（21）即可得到該點(diǎn)井溫T。4.3.2求壓力值 在求壓力時(shí)，應(yīng)先得到該點(diǎn)的井溫，由上述方法得到井溫后，將溫度代入方程組中，得到相應(yīng)的壓力校準(zhǔn)系數(shù)A、B、C、D、E、F。然后測(cè)量，將壓力校準(zhǔn)系數(shù)代入方程，則可以的得到相對(duì)于此點(diǎn)溫度的壓力值。 按照以上方法，所求標(biāo)定系數(shù)，；，；，的值如下： 根據(jù)以上系數(shù)以與所測(cè)的溫度、壓力碼值即可求出實(shí)際壓力溫度值。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)第六章實(shí)驗(yàn)部分。4.4 本章小結(jié) 只有對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合回歸，才能的到真實(shí)的壓力、溫度值。數(shù)據(jù)擬合公式中系

29、數(shù)的選擇對(duì)溫度、壓力值的精確度有極大的影響。本章中詳細(xì)論述了數(shù)據(jù)擬合回歸公式的基本原理，并給出了如何用擬合好的公式計(jì)算壓力，溫度值。軟件容錯(cuò) 為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性，特別是為了滿足長(zhǎng)周期且無(wú)人照管計(jì)算機(jī)的運(yùn)行要求，提出了軟件容錯(cuò)技術(shù)。容錯(cuò)法在運(yùn)算當(dāng)中允許被故障發(fā)生，但這些故障的影響借助冗余技術(shù)而自動(dòng)抵消，因此即使存在故障也能維持正確的計(jì)算。我們所涉與的測(cè)量?jī)x工作在地下幾千米，工作時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)一年，在這段時(shí)間里，測(cè)量?jī)x的工作環(huán)境可能出現(xiàn)這樣或那樣的情況，如：強(qiáng)碰撞。信號(hào)干擾、以與一些不可知的干擾。這樣就要求我們的軟件能夠在外界發(fā)生干擾，使系統(tǒng)暫時(shí)無(wú)常運(yùn)行的情況下，可以自我恢復(fù)到正常狀態(tài)，不影

30、響隨后的采集工作。軟件容錯(cuò)的定義與分類 軟件容錯(cuò)技術(shù)是指在程序上能是計(jì)算機(jī)軟件從錯(cuò)誤狀態(tài)自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)的可靠性技術(shù)。按設(shè)計(jì)思想，軟件容錯(cuò)技術(shù)可以分成時(shí)間容錯(cuò)、信息容錯(cuò)、軟失效運(yùn)行等。時(shí)間容錯(cuò) 時(shí)間容錯(cuò)是以犧牲時(shí)間來(lái)?yè)Q取計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高可靠性的一種手段，它包括指令復(fù)執(zhí)和程序卷回兩種方法。指令復(fù)執(zhí) 指令復(fù)執(zhí)是指當(dāng)系統(tǒng)驗(yàn)出錯(cuò)誤后，令當(dāng)前的指令重復(fù)執(zhí)行若干次，如果故障是暫時(shí)性的，在指令復(fù)執(zhí)期間，有可能不再出現(xiàn)，這樣原來(lái)的程序又可以繼續(xù)往前執(zhí)行了，這相當(dāng)于延長(zhǎng)了無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間。 實(shí)行指令復(fù)執(zhí)的要求：當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，能準(zhǔn)確保留現(xiàn)行指令的地址，以便重新取出執(zhí)行。 現(xiàn)行指令使用的初始 必須保留，以供重新執(zhí)行時(shí)

31、使用程序卷回 程序卷回不是指某一條指令的重復(fù)執(zhí)行，而是指一小段程序的重復(fù)執(zhí)行。其可以用一下圖描述： 圖5.1是一個(gè)程序執(zhí)行的時(shí)間序列。假設(shè)程序從時(shí)刻開(kāi)始執(zhí)行，如果在與這段時(shí)間里有錯(cuò)誤發(fā)生并在處被檢測(cè)到，則使程序重要返回到時(shí)刻的狀態(tài)開(kāi)始執(zhí)行以求恢復(fù)錯(cuò)誤。實(shí)際上時(shí)刻對(duì)應(yīng)與程序中預(yù)先設(shè)置好的各個(gè)恢復(fù)點(diǎn)。錯(cuò)誤1-1101234t0t1t2t3t4t55.1.2 信息容錯(cuò) 信息容錯(cuò)是為了檢測(cè)或糾正信息在運(yùn)算或傳輸中的錯(cuò)誤而外加一部分信息的技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，附加的信息越多，其檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力越強(qiáng)。經(jīng)常見(jiàn)到的，在通信和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，以奇偶碼、漢明碼、循環(huán)碼與各種算術(shù)誤差碼都有很強(qiáng)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力。5.1.3 軟

32、失效運(yùn)行 上面所討論的冗余技術(shù)均是依靠大量的附加資源來(lái)改善數(shù)字系統(tǒng)的容錯(cuò)性能。另一種完全不同的方法是先把故障模塊從系統(tǒng)中斷開(kāi)，在對(duì)象系統(tǒng)的其余模塊進(jìn)行重構(gòu)，使系統(tǒng)依舊能繼續(xù)（雖已降級(jí)）運(yùn)行。在一系統(tǒng)發(fā)生故障后，雖然系統(tǒng)性能降級(jí)但能在可接受的水平上繼續(xù)運(yùn)行的能力，叫做“降級(jí)運(yùn)行”或“軟失效運(yùn)行”。5.2 軟件容錯(cuò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹5.2.1 N版本程序結(jié)構(gòu) N版本（N-Version Program）是一種靜態(tài)的故障屏蔽技術(shù)，其設(shè)計(jì)思想是用N個(gè)具有一樣功能的程序同時(shí)（或先后）執(zhí)行一項(xiàng)計(jì)算，結(jié)果通過(guò)多數(shù)表決來(lái)選擇。用NVP方法構(gòu)成的系統(tǒng)如圖5.2所示 程 序 2 程 序 1 程 序 N 表決程序輸出圖5

33、.1.1 NVP結(jié)構(gòu) 這種多版本的軟件不是想硬件的多模余裕方式采用完全一樣的模塊，而是編制的同一目標(biāo)的不同版本軟件。在執(zhí)行程序時(shí)，各版本以一樣的輸入和條件同時(shí)執(zhí)行，最后的輸出結(jié)果進(jìn)行多數(shù)表決作為軟件的運(yùn)行結(jié)果。因?yàn)槭遣煌姹荆蚨敢粯渝e(cuò)誤的概率總是比一個(gè)版本犯該錯(cuò)誤的概率要小，所以可提高軟件的可靠性。5.2.2 恢復(fù)模擬塊法 與硬件容錯(cuò)設(shè)計(jì)中的動(dòng)態(tài)冗余技術(shù)類似，恢復(fù)模塊法（Recovery Block）用一個(gè)NVP結(jié)構(gòu)為核，再用S份程序作后備（后備程序隨時(shí)準(zhǔn)備替換NVP中出現(xiàn)差錯(cuò)的程序），就構(gòu)成一個(gè)混合動(dòng)態(tài)冗余系統(tǒng)。但是，這種系統(tǒng)由于時(shí)間和空間需求最大，很少能夠得到實(shí)際應(yīng)用。如果NVP結(jié)構(gòu)退

34、化到一個(gè)極端的情況：N=1，則可以得到一個(gè)特別有意義的動(dòng)態(tài)冗余結(jié)構(gòu)恢復(fù)模塊（RB）結(jié)構(gòu)。PB結(jié)構(gòu)的一般形式如圖5.3所示。 主塊首先投入運(yùn)行，如果檢測(cè)出故障，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)后一個(gè)后備塊項(xiàng)上繼續(xù)運(yùn)行，這一過(guò)程可以重復(fù)到耗盡所有后備塊，或者某個(gè)程序塊的故障行為超出了預(yù)料，從而導(dǎo)致了不可恢復(fù)的后果。 恢復(fù)模塊技術(shù)的基礎(chǔ)思想是分段多版本，加上分段檢測(cè)試驗(yàn)。它與整個(gè)軟件的多版本的方法相比，能較穩(wěn)健地、逐段地通過(guò)，最后達(dá)到整個(gè)程序軟件通過(guò)。這種審定比較容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題或錯(cuò)誤所在之處。但它不能發(fā)現(xiàn)整個(gè)軟件的結(jié)果性錯(cuò)誤。恢復(fù)后備塊 s 主 塊后備塊1故障檢測(cè)開(kāi)關(guān)、有后備塊么有錯(cuò)么成功 YN失敗YN失敗系統(tǒng)輸出N Y圖

35、5.2 回復(fù)塊結(jié)構(gòu)5.2.3提高軟件的剛健性（robustness） 所謂軟件的剛健性是指軟件在遇到違反規(guī)的情況下，程序能繼續(xù)執(zhí)行的性能。提高軟件的剛健性可以緩解甚至屏蔽一些錯(cuò)誤的影響。例如，遇到死循環(huán)時(shí)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到某一數(shù)值時(shí)就自動(dòng)結(jié)束，保留當(dāng)時(shí)結(jié)束，程序轉(zhuǎn)出繼續(xù)。提高軟件的這種性能，實(shí)際上就是對(duì)個(gè)別錯(cuò)誤的屏蔽或局部屏蔽。 這種方法的最主要作用就是防止一些系統(tǒng)出現(xiàn)的“死機(jī)”現(xiàn)象。5.3 應(yīng)用在本測(cè)量?jī)x的下位機(jī)軟件中，我們采用了多種容錯(cuò)技術(shù)。因N版本程序結(jié)構(gòu)主要用于并行結(jié)構(gòu)，不適合單片機(jī)，所以在結(jié)構(gòu)上我們主要采用了恢復(fù)模塊法、提高軟件得的剛健性的方法5.3.1 防止死機(jī) 防止死機(jī)部分，從硬件

36、上我們主要是采用了up電源監(jiān)控器件；從軟件上我們利用時(shí)間報(bào)警器件DS1629，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行編程控制時(shí)間報(bào)警，起到了一個(gè)軟件看門狗的作用?？撮T狗要求主程序初始化后，馬上就要設(shè)定。因此，在不同的程序分支下，要求看門狗有不同的時(shí)間間隔。 流程圖如下：開(kāi) 始返 回送入時(shí)間間隔將此報(bào)警時(shí)間寫入DS1629報(bào)警寄存器中將當(dāng)前時(shí)間加上時(shí)間間隔組成看門狗報(bào)警時(shí)間圖5.3 防死機(jī)流程圖 由此可見(jiàn)，當(dāng)程序中出現(xiàn)死循環(huán)時(shí)，DS1629會(huì)發(fā)出報(bào)警使系統(tǒng)復(fù)位，重新執(zhí)行，以期跳出死循環(huán)。5.3.2判斷讀出時(shí)間是否正確 時(shí)間存儲(chǔ)在DS1629的存儲(chǔ)器中，而DS1629的時(shí)間存儲(chǔ)器因強(qiáng)干擾，其數(shù)據(jù)很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤對(duì)于

37、本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是致命的，這是因?yàn)樽x出的時(shí)間加上快采間隔于下次報(bào)警時(shí)間，如果讀出的時(shí)間不正確，也就得不到正確的下次報(bào)警時(shí)間，系統(tǒng)將不會(huì)唄喚醒，出現(xiàn)另一種死機(jī)情況。因而我們對(duì)從DS1629讀出的時(shí)間進(jìn)行判斷。如果正確，則依此數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間處理；否則，將時(shí)間存儲(chǔ)器與報(bào)警時(shí)間存儲(chǔ)器初始化，重新計(jì)算。應(yīng)該注意的是，DS1629中用16進(jìn)制代替10進(jìn)制，所以比較時(shí)，應(yīng)采用半字節(jié)比較，而不是全字節(jié)比較。流程圖見(jiàn)下一頁(yè)。5.3.3判斷下次報(bào)警是否能夠?qū)崿F(xiàn) 儀器的每一次采集都是由定時(shí)器DS1629發(fā)出報(bào)警喚醒的，如果報(bào)警不能實(shí)現(xiàn)，輕者，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)丟點(diǎn)；重者，儀器將不會(huì)工作。當(dāng)下次報(bào)警時(shí)間生成后，應(yīng)將當(dāng)前時(shí)間與下次報(bào)警時(shí)間比較，下次報(bào)警時(shí)間應(yīng)后于當(dāng)前時(shí)間，否則不可能產(chǎn)生報(bào)警，這會(huì)直接導(dǎo)致死機(jī)。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，下位機(jī)程序?qū)?dāng)前時(shí)間當(dāng)作報(bào)警時(shí)間寫入DS1629報(bào)警時(shí)間寄存器。這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)多采出一點(diǎn)，但避免了系統(tǒng)沒(méi)有復(fù)位而死機(jī)。流程圖