В этом тексте я написал как диагностировать и тестировать такую электрическую схему как H-мост. Запрограммировать H-мост это просто. Куда сложнее в Run-Time(е) определять Fault(ы) в этом пресловутом H-мосте, чтобы вовремя отключить ключи и перевести всю цепь в безопасное состояние тем самым спасти дорогое оборудование от сгорания в стиле бенгальского огня.
Немного теории
В электронике существует классическая электрическая цепочка, которая называется H-мост (H-bridge).
Эта схема позволяет пропускать ток через нагрузку в прямом и обратном направлении. Если в эту цепь подключить DC-мотор, то он будет крутиться либо по часовой стрелке (СW) либо против часовой стрелки (CCW). Также можно модулировать величину тока, если переключать ключи PWM сигналом. Также из схемы H-моста можно сделать инвертор. То есть переходник с постоянного тока в переменный ток.
H-мосты активно применяют в маломощных устройствах, которые крутят, например, шаговые двигатели в CNC станках или, например, в контроллерах управления автомобильными стекло-опускателями, выдвижными ramp(ами) в автобусах. Это всё так называемые прошивки-спинеры. Также H-мостом можно управлять фарами автомобиля и прочее.
Однако есть проблема. Вернее есть 31 проблема. То есть в H-мостах может быть 31 тип сбоев, которые приведут к тому, что H-мост просто больше не будет работать. А 14 lethal кейсов приведут к тому, что из H-моста просто посыплются искры. Вот список этих аварий.
Как же определить аварии в H-мосте во время исполнения? Надо разработать механизм, который можно назвать Load Detect.
Понятное дело что за H-мостом надо как-то наблюдать. В электронике есть только 2 способа наблюдать за чем-либо: GPIO, работающие на вход и ADC.
Вот возможная схемотехника, которая позволит диагностировать состояние H-моста. Тут на каждое плечо H-моста подключен аналого-цифровой преобр. (ADC) и тут же ключ, который управляет подтяжкой напряжения к питанию на каждом плече H-моста.
У каждого микроконтроллера, есть аналоговые пины, которые подключены к внутреннему ADC преобразователю. Подтяжками же напряжения к питанию можно управлять по GPIO или при помощи ключа и высоко-омного резистора или при помощи специальных ASIC микросхем-источников смачивающего тока. (Если нужно название чипа, то пишите в личку).
Очевидно, что нужен какой-то алгоритм или высокоуровневый программный конечный автомат (FSM), который будет сообщать, когда в H-мосте возникли аварии. В идеале хотелось бы, чтобы этим занимался отдельный ASIC. Однако можно составить и чисто программное решение на С(ях).
Разработка конечного автомата это просто механические действия. Как известно, любые конечные автоматы проектируются за 7 шагов:
Фаза | Этап разработки конечного автомата |
1-- | определить выходы |
2-- | определить состояния |
3-- | определить действия |
4-- | определить входы |
5-- | составить таблицу переходов |
6-- | нарисовать граф переходов |
7-- | воплотить конечный автомат в коде |
1-- Вот выходы конечного автомата диагностики H-моста. Это как раз те высокоуровневые события, которые хочет услышать обыкновенный пользователь (схемотехник, программист, техник, интегратор, водитель).
№ | FSM Output | Type | Wire | shoulder |
1 | left shoulder short GND | short | GND | left |
2 | left shoulder short Vbat | short | Vbat | left |
3 | right shoulder short GND | short | GND | right |
4 | right shoulder short Vbat | short | Vbat | right |
5 | open load | open | load | -- |
2-- Состояния конечного автомата может определяться состоянием подтяжек к питанию. Важно устанавливать подтяжки именно в коде Грея. Это уменьшит время переходного процесса установки подтяжек и уменьшит энергопотребление устройства, да и отлаживаться на осциллографе так проще.
№ | Left shoulder | Right shoulder |
1 | Pull none | Pull none |
2 | Pull none | Pull up |
3 | Pull up | Pull up |
4 | Pull up | Pull none |
3-- Что будет делать этот конечный автомат на низком (аппаратном) уровне? Или какие он будет делать системные действия?
№ | Действие | плечо H-моста | Type |
1 | Установить подтяжку к питанию на левом плече | левое | on |
2 | Установить подтяжку к питанию на правом плече | правое | on |
3 | Отключить подтяжку к питанию на левом плече | левое | off |
4 | Отключить подтяжку к питанию на правом плече | правое | off |
5 | Измерить показание напряжения на левом плече | левое | get |
6 | Измерить показание напряжения на правом плече | правое | get |
7 | Рассчитать аналитику | -- | calc |
4--Входом конечного автомата будет являться прерывание по таймеру. Конечный автомат будет переключаться в очередное состояние и просто ждать, пока пройдет переходной процесс в установке подтяжке напряжения. Это порядка 100ms. Для определенности можно считать что это время равно 500ms. Это основной параметр данного конечного автомата. Этот параметр зависит от величины смачивающего тока. Чем больше ток подтяжки тем быстрее переходной процесс. Надо калибровать каждый конкретный H-мост. Значение таймаута перехода в другое состояние стоит хранить в NVRAM.
№ | Входное воздействие |
1 | Сработало прерывание по переполнению аппаратного таймера |
2 | На H-мост подали PWM сигнал со скважностью более 0% |
Аналитику надо запускать именно пройдя полный цикл в конечном автомате. Только так будет накоплена полная необходимая статистика для принятия решения о здоровье H-моста.
5--Таблица переходов состояний конечного автомата диагностика H-моста
начальное состояние | Inputs | |
TimeOut | 0%<PWM duty | |
LN_RN | LN_RU | LN_RN |
LN_RU | LU_RU | LN_RN |
LU_RU | LU_RN | LN_RN |
LU_RN | LN_RN | LN_RN |
6--Граф переходов получился такой (рис 5). За один оборот конечный автомат накапливает все нужные исходные данные для принятия решения о состоянии H-моста
На рисунке 6 представлена LookUp таблица для принятия решения. На основе измерений напряжений на плечах H-моста можно судить о таких высокоуровневых событиях как "отвалившийся мотор" или "короткое замыкание" в цепи. Таблицу можно хранить в ROM (on-chip Nor Flash) памяти микроконтроллера-спинера H-моста.
ссылка на таблицу
Как видите для разработки алгоритмов программирования микроконтроллеров надо уметь активно пользоваться полноценными электронными таблицами (коллективное редактирование, сортировка по категориям, тягание столбцов, раскраска ячеек, фиксация шапки и прочее).
Вывод
За работой H-моста надо внимательно наблюдать. Благодаря программному компоненту Load Detect, например, если злоумышленник выкрутит лампочку в фаре автомобиля, то водителю на смартфон придет push-уведомление. Это же так здорово!
Надеюсь этот текст поможет другим инженерам тоже делать надежные драйверы умных H-мостов с диагностикой в run time.
Если есть опыт работы с H-мостами, то напишите об этом в комментариях.
Акроним | Расшифровка |
ADC | Analog-to-Digital Converter |
PWM | Pulse-Width Modulation |
ASIC | Application-Specific Integrated Circuit |
FSM | Finite-State Machine |
NVRAM | Non-volatile random-access memory |
CW | ClockWise |
LU_RN | Left shoulder pull up, Right shoulder pull none |
LU | Left shoulder pull Up |
RN | Right shoulder pull none |
CCW | CounterClockWise |
Links
https://habr.com/ru/post/697388/
https://habr.com/ru/company/vk/blog/373397/
