Reliability Analysis for the Software of Intelligent Temperature Transmitter

李盼盼1，2

(華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1，上?！?00237；上海工業(yè)自動化儀表研究院2，上?！?00233)

智能溫度變送器軟件的可靠性分析

Reliability Analysis for the Software of Intelligent Temperature Transmitter

李盼盼1，2

(華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1，上海200237；上海工業(yè)自動化儀表研究院2，上海200233)

摘要：近年來，國內(nèi)外對于軟件的失效模式與影響分析(SFMEA)越來越關(guān)注，相繼頒布了一系列的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)GJB 1391中給出的軟件失效模式與影響分析方法，以智能溫度變送器軟件為分析對象進(jìn)行可靠性分析，并將分析結(jié)果用于指導(dǎo)軟件開發(fā)的后期工作。分析結(jié)果表明，智能溫度變送器中溫度計算軟件模塊的失效是影響系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分析結(jié)果有利于軟件設(shè)計等后期開發(fā)過程有針對性地執(zhí)行可靠性活動。

作者李盼盼(1990-)，女，現(xiàn)為華東理工大學(xué)控制科學(xué)與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事可靠性方面的研究。

關(guān)鍵詞：軟件失效模式與影響分析智能溫度變送器檢測模式溫度計算軟件HART

Abstract：In resent years, the software failure mode and effect analysis (SFMEA) has been more and more concerned about at home and abroad, and a series of standards have been released. In accordance with the method given by GJB 1391, with intelligent temperature transmitter as the analysis object, the reliability analysis is conducted, and the result of analysis is used to guide the post procedures of software development. The results of analysis show that the failure of the temperature calculation module of intelligent temperature transmitter in detection mode is the key factor affecting the system; the analysis result is useful in post procedures of software design and other activities focused on the reliability.

Keywords：SFMEAIntelligent temperature transmitterDetection modeTemperature calculation softwareHART

0引言

智能溫度變送器是對工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境溫度進(jìn)行實時采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能儀表，可以執(zhí)行安全關(guān)鍵任務(wù)。而這些領(lǐng)域?qū)Π踩砸蠓浅?yán)格，因此提高其可靠性對于保證智能溫度變送器的質(zhì)量顯得十分重要。

為了保證智能溫度變送器可靠安全地運行，在進(jìn)行智能溫度變送器的軟硬件開發(fā)時，需要采取一系列提高可靠性的方法，如實施可靠性工程活動等[1-3]。軟件可靠性分析是軟件可靠性工程的一個重要的組成部分，本文使用該方法來分析智能溫度變送器的部分軟件，探究該方法對軟件開發(fā)的指導(dǎo)意義。

1軟件可靠性分析

軟件可靠性分析方法，是在軟件生命周期的不同階段，根據(jù)軟件的可靠性目標(biāo)和需求，采用定性、定量的分析技術(shù)和方法。其中軟件失效模式與影響分析(software failure modes and effects analysis，SFMEA)是一種自下而上的分析方法，根據(jù)識別軟件故障模式，研究分析各種故障模式產(chǎn)生的原因及其造成的后果，尋找消除和減少其有害后果的方法，以盡早發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并采取相應(yīng)的措施，從而提高軟件的可靠性[3]。GJB/Z 1391—2006故障模式、影響及危害分析指南給出了嵌入式軟件SFMEA分析的步驟[4]。

2智能溫度變送器

本項目的智能溫度變送器是一種在運行中采用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理和HART通信方法來執(zhí)行其功能、保護(hù)和傳送數(shù)據(jù)與信息的裝置。其配備有支持智能變送器主要功能的附加傳感元件和功能單元[5]。

2.1　硬件結(jié)構(gòu)

智能溫度變送器的硬件可分為：傳感器模塊、轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊、A/D模塊、D/A模塊、微處理器模塊、電源模塊和HART通信模塊。智能溫度變送器的硬件模塊示意圖如圖1所示。智能溫度變送器采用回路供電，兩線傳送方式，兩根導(dǎo)線作為電源輸入和信號輸出的公共傳輸線。傳感器的基本功能是采集環(huán)境參數(shù)，并把信號送給A/D轉(zhuǎn)換器；A/D轉(zhuǎn)換模塊的功能是將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給CPU使用；微處理器模塊主要是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理以及信號的控制功能，是整個儀表的核心；智能儀表中外設(shè)了存儲器，用于存放各種儀表的組態(tài)信息，內(nèi)部的存儲器則存放各種運行參數(shù)和過程變量；D/A輸出則實現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)到環(huán)路模擬電流的轉(zhuǎn)換；HART通信模塊實現(xiàn)儀表與外界的數(shù)字通信。

圖1　智能溫度變送器硬件模塊示意圖

2.2　軟件設(shè)計

智能溫度變送器的主要任務(wù)是完成對溫度的測量、計算及模擬電流輸出，此外還包括利用數(shù)字通道進(jìn)行信息的傳遞、顯示輸出等功能。根據(jù)智能溫度變送器的軟件需求，軟件系統(tǒng)按其功能分為三個模塊：檢測(測量/運行)模塊、設(shè)置(組態(tài)/校準(zhǔn))模塊、通信模塊。

檢測(運行/測量)模塊的主要功能是采集溫度傳感器的模擬信號，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理，得到輸出溫度值、百分比值、電流值，并輸出4~20 mA模擬電流及數(shù)字通信。組態(tài)模塊的主要功能是對儀表信息和信號信息進(jìn)行設(shè)置。校準(zhǔn)/診斷的主要功能是使儀表的指示與給定被測值進(jìn)行一致性系列的操作，以及儀表如何診斷內(nèi)部故障及在故障情況下保護(hù)運行的安全。通信的主要功能是負(fù)責(zé)系統(tǒng)與外部進(jìn)行信息的交流，一般與上位機(jī)/手操器/人機(jī)界面一起實現(xiàn)。由于在檢測和校準(zhǔn)模式下都將用到A/D采樣，為了更加詳細(xì)方便地描述軟件，特將A/D采樣作為一個獨立模塊來說明。A/D采樣模塊的主要功能是讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。智能溫度變送器的軟件系統(tǒng)狀態(tài)圖如圖2所示。

圖2　軟件系統(tǒng)狀態(tài)圖

IEEE定義軟件可靠性為：①在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，軟件不引起失效的概率；②在規(guī)定的時間周期內(nèi)所述條件下，程序執(zhí)行所要求的功能的能力[6]。儀表在執(zhí)行不同功能時所用到的程序模塊和數(shù)據(jù)文件是不同的，因此可靠性情況也是相同的。檢測功能是智能溫度變送器的主要工作模式且軟件失效可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，所以通常產(chǎn)品的可靠性僅指該模式的情況，本文只針對檢測模式的可靠性進(jìn)行分析。檢測模式的基本功能是完成對溫度傳感器信號的采集，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到數(shù)字測量值，進(jìn)行模擬輸出。根據(jù)對數(shù)據(jù)的不同處理過程，將檢測模塊分為讀A/D數(shù)據(jù)、計算U或R、線性變換、數(shù)字濾波、溫度計算、單位轉(zhuǎn)換、電流計算、D/A輸出模塊、其他模塊(作為擴(kuò)展模塊，包括液晶顯示、按鍵掃描等其他操作，這里不做說明)。檢測模塊的數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。該流程圖描述了整個檢測模塊的數(shù)據(jù)以及流向過程。

① 讀A/D數(shù)據(jù)模塊：基本功能是當(dāng)A/D采樣有新數(shù)據(jù)生成時讀取其采樣值，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行斷耦診斷；同時設(shè)置下次A/D采集通道，判斷A/D采樣次數(shù)是否完全。

② 計算電阻或電勢：此模塊的基本功能是對A/D采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到熱電阻值和熱電偶的電勢值。

③ 線性變換：線性變換是用A/D校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)對采樣值進(jìn)行修正。

④ 數(shù)字濾波：這里的濾波算法采用的是一階滯后數(shù)字濾波算法，保證測量的穩(wěn)定性。

⑤ 溫度計算：溫度計算模塊是整個測量/運行模式的核心部分，其基本功能是將采集到的傳感器的電勢或電阻值，經(jīng)過傳感器和溫度之間的計算公式的處理，計算溫度值。

⑥ 單位轉(zhuǎn)換：智能儀表測量值的單位需要根據(jù)通信訪問或液晶顯示等設(shè)定而變化，因此要實現(xiàn)溫度值不同單位的轉(zhuǎn)換值。具體包括：華氏溫度(F)、攝氏溫度(C)、蘭金溫標(biāo)度(R)、開爾文溫度(K)的轉(zhuǎn)換。

⑦ 電流計算：包括百分比值計算、電流值計算、電流對應(yīng)的數(shù)字值計算，用于顯示/通信和模擬輸出。

⑧ D/A輸出：D/A輸出模塊是對計算得到的電流進(jìn)行輸出，輸出前用D/A校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)對數(shù)字值進(jìn)行相應(yīng)修正。

圖3　軟件檢測模式的數(shù)據(jù)流圖

3分析過程

軟件生命周期中可靠性的早期過程活動是在需求分析階段，確定智能溫度變送器的總體可靠性、評審準(zhǔn)則等。在概要設(shè)計階段，根據(jù)軟件的結(jié)構(gòu)模型、關(guān)鍵度等分配可靠性指標(biāo)到各單元模塊[6]，對軟件的可靠性做早期預(yù)計：根據(jù)預(yù)計結(jié)果、可靠性指標(biāo)、度量指標(biāo)等確定是否進(jìn)行軟件的可靠性分析[7]，進(jìn)行可靠性風(fēng)險評估；根據(jù)軟件可靠性的分析結(jié)果以及可靠性指標(biāo)指導(dǎo)軟件的設(shè)計，以及其他的可靠性活動等。由于篇幅的限制，這里不陳述軟件可靠性分析之前的過程活動，只說明分析過程。由于檢測模式的軟件模塊較多，所以只針對計算溫度模塊進(jìn)行詳細(xì)分析，不陳述其他模塊的分析。

3.1　可靠性結(jié)構(gòu)模型與嚴(yán)酷度等級

可靠性結(jié)構(gòu)模型是反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系的模型，可根據(jù)模型來分配和計算總體可靠性，常用的結(jié)構(gòu)模型有可靠性框圖和故障樹。智能溫度變送器測量模式的工作過程屬于串聯(lián)執(zhí)行的過程，因此這里采用串聯(lián)方式定義測量模式的可靠性結(jié)構(gòu)模型，而其中測量模式的輸出包括模擬輸出和數(shù)字輸出，定義其為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。檢測模式的軟件的可靠性模型如圖4所示。

圖4　檢測模塊的軟件可靠性模型

智能溫度變送器的嚴(yán)酷度等級如表1所示。

表1　智能溫度變送器的嚴(yán)酷度等級

根據(jù)智能溫度變送器的特點以及軟件失效可能造成的影響，并參考GJB/Z 1391標(biāo)準(zhǔn)及國際電工委員會推薦的失效劃分的方法定義智能溫度變送器的嚴(yán)酷度等級。

3.2　溫度計算模塊

根據(jù)上述介紹，溫度計算模塊是對A/D采樣的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行過修正濾波計算等處理后，根據(jù)熱電偶和熱電阻的溫度計算公式計算溫度值[8-9]。溫度計算流程圖如圖5所示。

圖5　溫度計算流程圖

Pt熱電阻溫度與電阻的公式：

R(t)=R(0)[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

(1)

式中:R(t)為t ℃時鉑熱電阻對應(yīng)的電阻值；R(0)為0 ℃時鉑熱電阻對應(yīng)的電阻值；t為溫度，A、B、C為常數(shù)系數(shù)，在0 ℃以上C為0。

熱電偶溫度與電勢的正函數(shù)公式：

(2)

式中：ai為常數(shù)；t為計算的溫度值；變量i根據(jù)溫度區(qū)間變化取0或1。

k型熱電偶在0~1 372 ℃溫度范圍內(nèi)時,式(2)需多一個指數(shù)項和常數(shù)項。由于冷端溫度范圍為-50~100 ℃ ，指數(shù)項在溫度為100 ℃時達(dá)到最大為108.816 7μV。根據(jù)K型熱電偶溫度與電勢的反函數(shù)、E的變化量對t的影響，計算得到Δt的最大變化量為0.025K，根據(jù)儀表的數(shù)字精度要求為0.15K，所以指數(shù)項在計算時忽略不計。

熱電偶溫度與電勢的反函數(shù)公式為：

(3)

式中：di為常數(shù)；E為熱電偶電勢值；變量i根據(jù)電勢區(qū)間變化取0或1。

3.3　SFMEA分析

根據(jù)以上描述的測量模塊軟件的基本功能，以及國軍標(biāo)GJB/Z1391和IEEE1044中對于軟件失效模式的分類[4-10]，分析其可能的故障模式有：輸入熱電阻值/熱電勢值或冷端電阻值錯誤、傳感器類型判斷錯誤、冷端補償判斷錯誤、計算存在較大舍入誤差、程序運行時間不滿足要求、計算公式中的參數(shù)錯誤、無輸出值。溫度計算模塊的系統(tǒng)級SFMEA分析如表2所示。表2中，智能儀表檢測模式下的功能劃分系統(tǒng)層次比較簡單只有兩層，高一層影響即為最終影響，這里呈現(xiàn)出來只為說明一般的劃分形式。

表2　溫度計算模塊的系統(tǒng)級SFMEA分析表

4結(jié)束語

本文對有利于提高智能儀表可靠性的軟件可靠性分析方法進(jìn)行了實例分析。結(jié)果表明，溫度計算模塊作為檢測模式的關(guān)鍵模塊，其失效對系統(tǒng)的整體影響較大。用戶在后期設(shè)計時可根據(jù)分析結(jié)果作重點的改進(jìn)設(shè)計,同時對于軟件開發(fā)的后續(xù)工作具有一定的指導(dǎo)意義。

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《自動化儀表》郵發(fā)代號： 4-304, 2015年定價： 18.00元，全年價： 216.00元； 國外代號： M 721

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中圖分類號：TP202

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501023

修改稿收到日期：2014-07-25。