Geri Dön

Design of a microprocessor-based embedded fault diagnostic system and an FPGA-based improvement proposal

Mikroişlemci tabanlı bir gömülü tanı sistemi tasarımı ve FPGA tabanlı bir optimizasyon önerisi

PDF İndir

  1. Tez No: 881404
  2. Yazar: ONUR BEKAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ECE OLCAY GÜNEŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 195

Özet

ÖZET Geçmişte sistemlerde tescilli donanım, yazılım ve protokollerin kullanılması ve sistemler/alt sistemler arasında sürekli etkileşimin olmaması, sistemlerde kritik hataların oluşmasının önünde doğal bir engeldi. Bu nedenle, geçmişten günümüze mühendislikte önemli olan arıza giderme, mevcut uygulamalardaki kadar zorlayıcı değildi ve hataların tespiti, sistem yaşam döngüsünün günümüzdeki kadar önemli bir parçası olarak görülmemekteydi. Ancak günümüz uygulamaları; arayüzler üzerinden, çipten çipe, kablolu ve/veya kablosuz haberleşme ile birbirleriyle sürekli etkileşim halinde olan, birimler, gömülü sistemler, modüller vb.' den oluşan karmaşık sistemlerdir. Ayrıca yeni teknolojilerin, protokollerin, ticari kullanıma hazır (CoTS) ürünlerin ve işletim sistemlerinin yaygın olarak kullanılması, hata sıklığının artmasında dikkate değer bir etki yaratmıştır. Mühendislik uygulamalarının artan karmaşıklığı, sistemlerin güvenilirliğini, güvenliğini, kullanılabilirliğini ve sürdürülebilirliğini etkileyen çok çeşitli arızaları ve/veya hatalara maruz kalma sıklığı konusunda zorlukları da beraberinde getirmiştir. Bu anlamda hata tespiti, hata ayıklama, hata kurtarma, düzeltme, bakım ve onarım gibi yeni kavramlar mühendislik uygulamalarının vazgeçilmez unsurları haline gelmiştir. Özellikle günümüz uygulamalarında bu hataları düzeltmek, optimize edilmiş ve sürdürülebilir sistemler sağlayabilmek adına hataların tespiti daha da önemli hale gelmiştir. Bu kapsamda özel olarak hataları tespit etmek ve kayıt altına almak amacıyla tasarlanan Tanı Sistemleri; savunma sanayi, endüstriyel kontrol ve otomasyon sistemleri, havacılık sanayi, demiryolu ulaşım sektörü, akıllı fabrikalar, elektrikli ve hibrit araçlar, enerji santralleri, ağ ve bilgi teknolojileri, otomotiv, medikal/sağlık sistemleri gibi farklı alanlarda yaygınlaşmış, sistem tasarım aşamasının önemli bir parçası haline gelmiştir. Arızaların tespiti, izolasyonu, loglanması ve tanımlanmasına odaklanan ilgili sistemler, tasarım mühendisleri, test mühendisleri, kullanıcılar ve bakım personeli vb. ilgili kişilere sorunlar konusunda rehberlik sağlamıştır. Ayrıca, üretim sürecinin, operasyonların ve ilgili sistemlerin sistem yaşam döngüsü boyunca maksimum verimliliğini sağlamak için zaman ve maliyetleri kontrol ederken şirketlerin kaynaklarını korumalarına yardımcı olurlar. Tanı sistemi, güvenilir bir çözüm sağlamaya, hata ayıklama sürecini hızlandırmaya ve kök neden analizini basitleştirmeye yardımcı olan önemli bir araçtır. Mühendislik problemlerine sistematik olarak, bir algoritma uygulanarak veya uygulanabilir bir çözüme ulaşılması için adım adım çözümleme yapılarak yaklaşılmalıdır. Bu yönüyle mühendislik problemlerinin etkin bir şekilde çözülmesi için mühendislik disiplinlerinde hataların tanı sistemleri ile teşhis edilmesi çok önemli bir rol oynamaya başlamıştır. Tanı Sisteminin bu hayati görevlerinden bazıları, izlenen sistemde bir şeylerin ters gittiğinin belirlenmesi, hangi hata adayının gözlenen anormal davranışı açıklayabileceğinin belirlenmesi, yazılım, donanım veya ekipman arızalarının nedeni olan hata durumlarının tespit edilmesi, verilerin kaydedilmesi ve tespit edilen arızanın büyüklüğünün ve türünün belirlenmesidir. Bu tezde, birçok alanda kullanılabilecek kontrol, otomasyon, güç üniteleri gibi ana birimlerle uyumlu veya entegre çalışacak mikroişlemci tabanlı gömülü bir tanı sistemi tasarlanmıştır. Bu tanı sistemi temel olarak, ana sistemden gönderilecek sensör verilerini sürekli olarak kaydeden ve sensörlerin ölçtüğü dalga formlarından oluşan“Hata Mesajlarını”oluşturan bir logger sistemidir. İlgili sistem, elektriksel ölçümleri gerçek zamanlı olarak kaydetmekten, mevcut senaryolara göre farklı modlarda çalışmaktan,“Hata”olarak kabul edilen durumlarda hata oluşmadan önce ve sonra belirli bir saniye boyunca kaydedilen ilgili sensör verileri kullanılarak hata mesajlarını ve hataları korumalı bellek yapılarında kalıcı olarak saklamaktan sorumludur. Arıza durumları elektrik kesintisi de dahil olmak üzere elektriksel anormallikler içerebileceğinden, sistem tasarlanırken elektrik kesintisi durumunda bile bu hata mesajlarının silinmemesi gerektiği göz önünde bulundurulmuştur. Çalışmanın birinci bölümünde tanı sistemleri, çeşitli alanlardaki uygulamaları, gömülü sistemler ve yapıları hakkında kapsamlı bir literatür taraması yapılmıştır. Bölümün ilgili kısımlarında incelenen sistemleri tarihçeleri, amaçları, çalışma mantıkları, donanım ve yazılım bileşenleri vb. ilgili konular detaylı olarak araştırılmıştır. İkinci bölümde, gereksinimler ve kavramsal sistem tasarımından yola çıkılarak mikroişlemci tabanlı bir tanı sistemi tasarlanmıştır. Ardından sistem mimarisinin ve sistem çalışma senaryosunun oluşturulduğu, örnekleme frekansı, veri boyutları, gerekli bellek alanı, sinyal sayısı vb. gibi ihtiyaç duyulan özelliklerin hesaplandığı Ayrıntılı Sistem Tasarım Aşamasına geçilmiştir. Daha sonra sistem düzeyindeki tasarımlar referans alınarak sırasıyla donanım ve yazılım geliştirme süreçlerine geçilmiştir. Donanım tasarımı çalışmalarında, bellek tipleri üzerinde yapılan analiz sonucuna göre Diagnostik PCB'de kullanılan bellek birimleri gibi bileşenler seçilmiştir. Donanım tasarım aşamasının son bölümünde, Altium PCB Design Software & Tools programında bileşen veri sayfalarında önerilen bilgiler, PCB tasarım kuralları ve geçmiş deneyimlerden alınan dersler kullanılarak Diagnostik PCB adlı bir baskılı devre kartı tasarlanmıştır. PCB üretildikten ve tüm bileşenler lehimlendikten sonra donanım doğrulama testleri yapılmış, böylece donanım doğrulanmış ve C programlama dilinde yazılım geliştirme süreçlerine başlanmıştır. Yazılım geliştirme sürecinde ana fonksiyon için yazılım mimarisi oluşturulmuş, sistem tasarımı bölümünde belirlenen senaryoya göre mimari tasarım yapılmıştır. Daha sonra ilgili tasarım alt fonksiyonlara ayrılmış ve tez kapsamında oluşturulan tanı yazılımının bu alt fonksiyonları tek tek tasarlanmış ve doğrulanmıştır. Bu alt işlevler, doğrudan MRAM ve EEPROM entegrelerinin işlevleridir. İlgili bölümün sonunda tasarlanan alt fonksiyonların yazılımları öncesinde oluşturulan sistem işleyiş senaryosu referans alınarak birbirleriyle entegre edilmiş, ana yazılım yazılmıştır. İlgili yazılım gerçek zamanlı kayıt, hata durumu, hata mesajının geçici hafıza birimleri olan MRAM'lerde oluşturulması ve hata mesajının kaydının tamamlanması durumunda ilgili verinin geçici hafıza birimlerinden okunarak, EEPROM kalıcı hafıza birimlerine aktarımı gibi tanılama görevleri yerine getirmektedir. Üçüncü bölümde, mikroişlemci tabanlı evirici kontrol ünitesi (ICU) test platformu oluşturulmuş, tasarlanan Tanı Sistemi için doğruluk ve performans testleri yapılmıştır. Sonuçlar incelenerek, detaylarıyla verilmiştir. Testler kapsamında yapay bir trafik oluşturularak, Tanı Sisteminin birlikte çalışacağı veya entegre edileceği harici sistemlerin davranışları yazılımsal olarak modellenmiştir. Böylece gerçek operasyon senaryoları çalıştırılmış ve sonuçlara istinaden yazılım için gerekli optimizasyonlar yapılmıştır. Ardından sistemin doğruluğu ve performansı gerçek ortam simüle edilerek tekrar tekrar test edilmiştir. Böylece, sistem doğrulanmış ve tasarım dondurulmuştur. Tez kapsamındaki son geliştirme ise dördüncü bölümde önerilen Paralel İşletimli / Çoklugörevli Tanı Sistemi (Multitasking Diagnostic System) adlı FPGA tabanlı bir iyileştirmedir. İlgili sistem VIVADO Design Suite ortamında yüksek-seviyeli olarak VHDL dilinde sıfırdan geliştirilmiştir. Ancak FPGA tabanlı olarak tasarlanan sistemin sadece bir teknik öneri olduğunu vurgulamak gerekir. Dolayısıyla mikroişlemciye dayalı olarak geliştirilen sistemde olduğu gibi herhangi bir donanım tasarımı veya fiziksel kurulum (ekipman) üzerinde testler yapılmamıştır. Sistem temel olarak, paralel çalışan dört tanı sistemi, bu sistemlerin yönetimi ve senkronizasyonunun sağlaması adına tasarlanmış bir yönetim ve karar yazılımından oluşmaktadır. İlgili sistem, gömülü uygulamalar için FPGA kullanımının paralel işlem yeteneği, hız, esneklik, genişletilebilirlik gibi avantajları göz önünde bulundurularak önerilen sistem, kesintisiz çalışma ve kayıpsız veri kaydı sağlayan yeni bir sistem modelidir. Beşinci bölümde, VIVADO Design Suite ortamında davranışsal benzetim yoluyla Çoklugörevli Tanı Sistemi için de doğruluk ve performans testleri yapılmıştır. Benzer şekilde, tüm testler için yapay bir sensör trafiği oluşturulmuş, mikroişlemci tabanlı tasarım süreçlerinde izlenen senaryo referans alınarak benzer bir senaryo oluşturulmuştur. Ancak, tasarım bölümünde de belirtildiği gibi FPGA tabanlı geliştirme süreci geleceğe yönelik teknik bir öneri olduğundan, mikroişlemci tabanlı sistemin aksine, tanı sisteminin birlikte çalışacağı veya entegre olacağı dış birimlerin davranışlarının modellenmesi, FPGA-tabanlı sistem testleri için yeni bir ihtiyaçtır. Bu bağlamda, önerilen sistemin birlikte çalışacağı tüm birimler de yine VHDL donanım tasarım dili kullanarak tasarlanmıştır. VIVADO test ortamının kurulması adına yapılan son çalışmada yüksek hiyerarşi davranışsal bir test senaryosu oluşturulmuş, olası tüm senaryolar tekrar tekrar çalıştırılmıştır. Sistemin hatasızlığı ve performansı gerçek ortam simüle edilerek tekrar tekrar test edilmiş, sistem doğrulanmıştır. Son bölümde ise mikroişlemci tabanlı ve FPGA tabanlı sistem tasarımları sonuçları ile özetlenmiş, özellikle tezin ana motivasyonu olan Gömülü Tanı Sistemi ihtiyacı yeniden ifade edilerek vurgulanmaya değer kısımları verilmiştir. Sistemler incelenmiş, ihtiyaç ve şartlara göre avantaj ve dezavantajlarını içeren detaylı bir karşılaştırma yapılmıştır. Katkılar ve tez kapsamında yapılan çalışmalar ile ilgili geleceğe yönelik değerlendirmeler verilmiştir. Sonuç olarak, hem mikroişlemci tabanlı hem de FPGA tabanlı olarak geliştirilen sistemler tasarım hedeflerine uygun şekilde başarıyla tasarlanmış, doğrulanmış ve onaylanmıştır.

Özet (Çeviri)

SUMMARY In the past, the use of proprietary hardware, software and protocols in systems and the lack of continuous interaction between the systems /subsystems were a natural obstacle to prevent critical errors from occurring for systems. Therefore, troubleshooting, which has been important in engineering from the past to the present, was not as challenging as in current applications, and the detection of errors was not seen as important part of as it is at present in systems' lifecycle. However, today's applications are complex systems consisting of embedded systems, units, modules etc. that continuously interact with each other, with interfaced, chip to chip, wired and/or wireless communication between. In addition, the widespread use of new technologies, protocols, commercial off-the-shelf (CoTS) products and operating systems has made a remarkable effect to increasing the error's frequency. The increasing complexity of engineering applications has brought challenges associated with the exposure to multifarious failures or errors, affecting the systems' reliability, safety, availability and performability. In this sense, new concepts such as error detection, debugging, error recovery, correction, maintenance and repair over have become indispensable elements of engineering applications. In particular, the detection of errors has become even more important in order to correct the errors, ensure maximum efficiency, and provide optimized and sustainable systems. In this context, the systems, named as Fault Diagnostic Systems; designed specifically for the purpose of detecting and recording the error conditions on the software, hardware or equipment etc. have become widespread in different fields such as, defence industry, industrial control and automation systems, aerospace industry, railway transportation sector, smart factories, electric and hybrid vehicles, power plants, network and information technologies, automotive, medical/healthcare systems and have become an important part of the system design phase. In this thesis, a microprocessor-based embedded fault diagnostic system, which will operate in conformity with or integrated into main units such as control, automation, power units to be used in numerous fields is designed. This diagnostic system is fundamentally a logger system that continuously records sensor data to be sent from the main system and creates the“Error Messages”formed from the waveforms measured by the sensors. The related system is responsible for and able to record the measurements real-timely, operate in different modes according to the present scenarios, detect the data for a certain second before the error occurs in case of a situation that is considered as an“Error”by the main system, and store the error messages permanently in protected memory structures. In the the first chapter of the study, a comprehensive literature review on fault diagnostic systems and embedded systems is made. In relevant parts of the chapter, the related issues are researched in details such as their history, purposes, structures, operating logics, architectures, hardware and software components etc. In the second chapter, a microprocessor-based diagnostic system is designed by starting from the requirements and conceptual system design. Then, it is advanced to Detailed System Design Phase which the system architecture and operating scenario for the system are built and needed specifications such as sampling frequency, data sizes, required memory etc. are calculated. Afterwards, the hardware and software development processes are started respectively by taking the system level designs as reference. In hardware design studies, components used in the Diagnostic PCB such as memory units are selected according to the results of analysis on memory types. In the final part of the hardware design phase, a printed circuit board named Diagnostic PCB is designed in Altium PCB Design Software & Tools by using the recommended information in datasheets, PCB design rules and lessons learnt from past experiences. Then, the PCB is manufactured and verifications tests are performed. Thus, the hardware is verified and software development processes in C programming language are started. In software development process, software architecture is built and the architectural design is made based on the scenario determined in the system design section. The Diagnostic software is designed and verified one by one. In the third chapter, accuracy and performance tests are conducted for the Diagnostic System in the microprocessor-based inverter control unit (ICU) setup, and the results are given. Within the scope of the tests, a dummy traffic is generated and the external systems that Diagnostic System will work with or operate into are simulated. By doing so, real operation scenarios run, and essential optimizations for software are made. Then, the accuracy and performance of the system are retested again and again by simulating the real environment, and the system is verified and validated. The last development within the scope of the thesis is an FPGA-based improvement which is named Multitasking Diagnostic System proposed in the fourth chapter. The related system is developed starting from zero by using VHDL in the VIVADO Design Suite environment as high-level. However, it should be emphasized that no hardware design or tests on physical setup have been made, as in the system developed based on microprocessor. The new system model providing uninterrupted operation is created by considering the advantages of using FPGA for embedded applications such as parallel processing, speed, flexibility, extendibility. In the fifth chapter, accuracy and performance tests are performed also for the Multitasking Diagnostic System through behavioural simulation on the VIVADO Design Suite environment. For all tests, a dummy sensor traffic is generated and a similar scenario is built by taking the scenario followed in the microprocessor-based design processes as reference. Scenarios are run repeatedly by simulating the real environment, and essential optimizations for firmware are made also for. And consequently, the system is also verified and validated. In the last chapter, the microprocessor-based and FPGA-based system designs with their results are summarized, especially the worth-emphasizing parts are given by restating the dissertation main motivation which is the need of an Embedded Diagnostic System. The systems are examined, and a detailed comparison containing their advantages and disadvantages according to the requirements and circumstances is given. Lastly, the contributions to the literature, and the future considerations related to the dissertation is introduced. In conclude, both of the microprocessor-based and FPGA-based systems are successfully designed, verified and validated.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    50515

    Design and implementation of a universal operator console for mechatronic systems

    Mekatronik sistemler için evrensel bir operatör konsolu tasarımı ve uygulaması

    İLKER İSMAİL ÇAKIR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1996

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    PROF.DR. OĞUZ TOSUN

  2. Tez No

    22079

    IEEE 1149.1 standardı kullanarak test edilebilir lojik devre tasarımı

    Testable lojik circit design by using IEEE 1149.1 standard

    A.BETÜL TUNCER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1992

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF. DR. AHMET DERVİŞOĞLU

  3. Tez No

    418996

    Hataya bağışıklı mikroişlemci tasarımı

    Fault tolerant microprocessor design

    BUSE USTAOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN

  4. Tez No

    356037

    Paletli mobil manipülatör tasarımı ve modellenmesi

    Tracked mobile manipulator design and dynamical modelling

    MUSTAFA TOLGA YAVUZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ

  5. Tez No

    397890

    Leon3 mikroişlemcisi tabanlı sistem tasarımı

    Leon3 microprocessor based system design

    AHMET ÇAĞRI BAĞBABA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN

Geri Dön