МОДУЛЬ СИСТЕМНОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 2005 года по МПК G06F11/30 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам, входящим в состав автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Оно предназначено для использования в нефтехимической, газовой, металлургической промышленности, электроэнергетике и других отраслях.

При использовании ПЭВМ типа IBM PC в составе программно-технических комплексов (ПТК) на производстве часто возникает задача защиты выполняемых функций АСУ ТП от неуправляемых состояний ПЭВМ, таких как зацикливание некоторой части программы («зависание») и самопроизвольные остановы. Такие ситуации бывают при эксплуатации ПЭВМ в условиях значительных сетевых помех и электромагнитных наводок от силового оборудования промышленных объектов. Контроль над такими ситуациями сводится к своевременному обнаружению сбоя программы и его устранению путем автоматического перезапуска ПЭВМ.

Известно устройство, в котором обеспечивается контроль выполнения программы с использованием таймера (см. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. 2-е изд. перераб, и доп., М.: «Радио и связь», 1990.- С.298). Если программа управления объектом выполняется циклически, то ее работу можно проконтролировать с использованием таймера, выполняющего функции «будильника». В начале (или в любом другом месте) каждого цикла таймер программно устанавливается в исходное состояние и начинает отсчет времени. При правильной работе ПЭВМ будильник не срабатывает, так как время выполнения программного цикла меньше интервала времени, установленного в будильнике. Если в результате сбоя или отказа программа зациклилась на каком-либо участке, не содержащем команду начальной установки таймера, то срабатывает будильник и в процессор посылается сигнал сброса, который приводит ПЭВМ в исходное состояние с последующим перезапуском (или перезагрузкой и перезапуском) программы.

Недостаток такого способа контроля состоит в том, что если программа ошибочно зациклилась на участке, содержащем команду начальной установки таймера, то будильник не сработает, ошибка не будет обнаружена, перезапуска процессора не произойдет и ПЭВМ останется в неработоспособном состоянии. Чтобы предотвратить такие ситуации, в программу вводятся несколько команд начальной установки таймера, последовательность выполнения которых известна.

Известно также устройство для контроля времени выполнения программ (см. заявка РФ №97102504/09, G 06 F 11/30), содержащее два счетчика, генератор импульсов, дешифратор, два триггера, три элемента И, два элемента ИЛИ, причем выход генератора импульсов соединен со счетным входом первого счетчика времени, вход задания допустимого времени работы устройства соединен с информационным входом первого счетчика времени, выход переполнения которого является выходом метки времени устройства и соединен с входом установки в "0" первого триггера, прямой выход которого соединен с первым входом первого элемента И, входы общего сброса и включение питания устройства соединены соответственно с первым и вторым входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом начальной установки первого счетчика, с первым входом установки в "0" второго триггера и первым входом установки в "1" первого триггера, вход кода команды устройства соединен с входом дешифратора, первый выход которого соединен с вторым входом установки в "0" второго триггера и с вторым входом первого элемента И, второй выход дешифратора соединен с первым входом второго элемента И, выход которого является выходом начального запуска устройства, отличающееся тем, что в него введены третий счетчик, третий триггер, третий элемент ИЛИ и элемент задержки, причем третий выход дешифратора и вход блокировки устройства соединены соответственно с первым и вторым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом первого элемента И и с первым входом третьего элемента И, первый выход дешифратора соединен с входом установки в "0" третьего триггера, с первым входом установки в "0" второго счетчика, с первым входом установки в "0" третьего счетчика и через элемент задержки с вторым входом установки в "1" первого триггера, выход генератора и прямой выход второго триггера соединены соответственно с вторым и третьим входами третьего элемента И, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика, выход первого элемента ИЛИ соединен с вторым выходом установки в "0" второго счетчика, входом установки в "1" третьего триггера и вторым входом установки в "0" третьего счетчика, выход переполнения которого является выходом неисправности устройства, выход первого элемента И соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен со счетным входом третьего счетчика и является выходом перезапуска программы устройства, выход переполнения второго счетчика соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, прямой выход третьего триггера соединен с вторым входом второго элемента И, четвертый выход дешифратора соединен с входом начальной установки третьего счетчика.

Известно устройство для контроля работы микроЭВМ (см. а. с. СССР №1529229, МКИ G 06 F 11/30). Оно содержит тактовый генератор, счетчик, дешифратор, элемент И, формирователь импульсов, первый элемент ИЛИ, первый элемент задержки, причем выход тактового генератора соединен со счетным входом счетчика, первый вход элемента И подключен к входу устройства для подключения к выходу периодического контрольного сигнала контролируемой микроЭВМ, группа информационных выходов счетчика соединена с группой входов дешифратора, первый выход которого соединен с вторым входом элемента И, второй выход дешифратора соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, выход элемента И соединен с входом пуска формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к выходу устройства для подключения к входу сброса контролируемой микроЭВМ, выход первого элемента задержки соединен с входом сброса счетчика, причем с целью повышения надежности функционирования устройства за счет восстановления данных, триггер, второй элемент ИЛИ и второй элемент задержки, причем R-вход триггера и первый вход второго элемента ИЛИ подключены к входу устройства для подключения к выходу периодического контрольного сигнала контролируемой микроЭВМ, выход первого элемента ИЛИ соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и через второй элемент задержки с S-входом триггера, выход которого соединен с дополнительным входом группы входов дешифратора, выход второго элемента ИЛИ соединен с входом первого элемента задержки. Данное устройство позволяет сохранить заданное выполнение программного цикла в случае искажения части данных в результате сбоя микроЭВМ.

Из всех устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для перезапуска и контроля электропитания микроЭВМ (см. а.с. СССР №1797122, МКИ G 06 F 11/30). Оно выбрано в качестве прототипа. Указанное устройство содержит источник питания, первым выходом соединенный с входом рабочего питания блока контроля напряжения, три триггера, два элемента ИЛИ, первый элемент НЕ, элемент И-НЕ, выходом подключенный к первому входу первого элемента ИЛИ, первый элемент ИЛИ-НЕ и два формирователя сигнала останова, причем первый вход первого элемента ИЛИ-НЕ соединен с инверсным выходом первого триггера, причем с целью повышения достоверности работы устройства в него введены два счетчика, дешифратор, индикатор, два элемента ИЛИ, два элемента задержки, одновибратор, второй элемент НЕ, два элемента ИЛИ- НЕ и делитель напряжения, причем выход первого счетчика соединен с входом дешифратора, первый выход которого подключен к первому входу второго элемента ИЛИ, соединенного выходом с входом сброса первого триггера, инверсный выход которого подключен к счетному входу второго счетчика, вход сброса и выход которого соединены соответственно с инверсным выходом второго триггера и вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого через первый элемент задержки соединен с входом сброса второго триггера, выход третьего триггера через одновибратор соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, входы сброса и установки третьего триггера соединены соответственно с выходами второго и третьего элементов ИЛИ-НЕ, первые входы которых подключены соответственно к выходу первого элемента НЕ, а вторые входы являются соответственно входами синхронизации записи и чтения устройства, выход элемента И-НЕ соединен со вторыми входами второго и третьего элементов ИЛИ, третий вход и выход третьего элемента ИЛИ подключены соответственно к выходу первого элемента ИЛИ-НЕ и входу сброса первого счетчика, вход индикатора через второй элемент НЕ подключен к выходу четвертого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с установочным входом второго триггера и вторым выходом дешифратора, третьим выходом соединенного с установочным входом первого триггера, прямые выходы первого и второго триггеров соединены соответственно через второй и первый формирователи сигнала останова с выходами аварии сетевого питания и источника питания устройства, второй вход первого элемента ИЛИ-НЕ является входом сигнала останова устройства и соединен через делитель напряжения с входом второго элемента задержки и входом сигнала блокировки устройства, средняя точка делителя напряжения соединена с вторым выходом источника питания, вход сетевого питания которого подключен к входу сетевого питания устройства и входу сетевого питания блока контроля напряжения, вход контролируемого напряжения питания которого является входом контролируемого напряжения устройства, а выход соединен с первым входом элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу второго элемента задержки, счетный вход первого счетчика является входом сигнала "прерывания от таймера" устройства. Причем блок контроля напряжения содержит два компаратора, источник опорного напряжения, элемент И-НЕ, оптоэлектронный коммутатор, элемент НЕ и элемент задержки, причем инверсный вход первого и неинверсный вход второго компараторов объединены и являются входом контролируемого напряжения питания блока, вход источника опорного напряжения и первые выводы напряжения питания компараторов объединены и являются входом рабочего питания блока, вторые выводы напряжения питания компараторов соединены с общей шиной источника питания, неинверсный вход первого компаратора подключен к первому выходу источника опорного напряжения, второй выход которого подключен к инверсному входу второго компаратора, выходы первого и второго компараторов соединены, соответственно, с первым и вторым входами элемента И-НЕ, соединенного выходом с катодом излучающего диода оптоэлектронного коммутатора, анод которого является входом сетевого питания блока, выход оптоэлектронного коммутатора через элемент НЕ соединен с входом элемента задержки, выход которого является выходом блока. Данное изобретение позволяет повысить достоверность работы устройства.

Однако применение данного устройства не позволяет обеспечить непрерывный круглосуточный контроль над работой программно-технического комплекса в составе АСУ ТП. Кроме того, не происходит формирование сигналов перезапуска ПЭВМ в случае обнаружения сбоев в ее работе, а также защита оригинального фирменного программного обеспечения АСУ ТП от несанкционированного изменения или копирования. Таким образом, в прототипе не достигается технический результат, выраженный в повышении надежности работы программно-технического комплекса в составе АСУ ТП.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном модуле системного контроля, содержащем счетчик, дешифратор, блок защиты выполняемых функций АСУ ТП от неуправляемых состояний ПЭВМ выполнен в виде контроллера USB, первый выход которого связан с первым входом второго элемента «И» и входом дешифратора, первый выход дешифратора связан со вторым входом второго элемента «И» и с входом установки в «1» RS-триггера, а второй выход дешифратора связан с входом установки в «0» RS-триггера, инверсный выход RS-триггера связан с входом установки в «0» реверсивного счетчика, выход второго элемента «И» соединен с информационным входом реверсивного счетчика, введен генератор импульсов, связанный через первый вход первого элемента «И» со счетным входом реверсивного счетчика, выход которого через первый вход третьего элемента «И» связан с входом формирователя выходного сигнала перезапуска ПЭВМ, выход которого связан с входом сброса ПЭВМ, причем прямой выход RS-триггера связан со вторым входом первого элемента «И» и вторым входом третьего элемента «И», а первый вход контроллера USB связан с выходом интерфейса USB ПЭВМ, дополнительно введено ППЗУ, причем третий выход дешифратора связан со входом записи ППЗУ, четвертый выход дешифратора связан со входом чтения ППЗУ, шина данных ППЗУ связана с первым выходом контроллера USB; дополнительно введен сторожевой таймер, выход которого связан со вторым входом контроллера USB, а вход сторожевого таймера связан со вторым выходом контроллера USB.

В процессе проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной информации не было обнаружено устройства, обладающего такой же совокупностью существенных признаков и обеспечивающего заявленный выше технический результат. Указанное выше обстоятельство позволяет сделать вывод, что предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

На чертеже показана блок-схема устройства по предлагаемому изобретению.

Модуль системного контроля содержит реверсивный счетчик 6, дешифратор 2 и блок защиты выполняемых функций АСУ ТП от неуправляемых состояний ПЭВМ, выполненный в виде контроллера USB 1, первый выход которого связан с первым входом второго элемента «И» 5 и входом дешифратора 2, первый выход дешифратора 2 связан со вторым входом второго элемента «И» 5 и с входом установки в «1» RS-триггера 7, а второй выход дешифратора 2 связан с входом установки в «0» RS-триггера 7, инверсный выход RS-триггера 7 связан с входом установки в «0» реверсивного счетчика 6, выход второго элемента «И» 5 соединен с информационным входом реверсивного счетчика 6, введен генератор импульсов 3, связанный через первый вход первого элемента «И» 4 со счетным входом реверсивного счетчика 6, выход которого через первый вход третьего элемента «И» 8 связан с входом формирователя выходного сигнала перезапуска ПЭВМ 9, выход которого связан с входом сброса ПЭВМ, причем прямой выход RS-триггера 7 связан со вторым входом первого элемента «И» 4 и вторым входом третьего элемента «И» 8, а первый вход контроллера USB 1 связан с выходом интерфейса USB ПЭВМ, дополнительно введено ППЗУ 11, причем третий выход дешифратора 2 связан со входом записи ППЗУ 11, четвертый выход дешифратора 2 связан со входом чтения ППЗУ 11, шина данных ППЗУ 11 связана с первым выходом контроллера USB 1; дополнительно введен сторожевой таймер 10, выход которого связан со вторым входом контроллера USB 1, а вход сторожевого таймера 10 связан со вторым выходом контроллера USB 1.

Устройство работает следующим образом:

В исходное состояние модуль системного контроля приводится командой СБРОС, приходящей от ПЭВМ по интерфейсу USB. Сигнал сброса модуля выделяется дешифратором команд 2 и по входу R устанавливает RS-триггер 7 в нулевое состояние. Выходной единичный сигнал с инверсного выхода триггера 7 сбрасывает по входу R реверсивный счетчик 6 в исходное нулевое состояние. На первом, втором входах и на выходе элемента И 8 сигналы принимают нулевое значение. На выходе формирователя 9 сигнал перезапуска ПЭВМ также будет отсутствовать.

В начале защищаемого участка программы ПЭВМ, по интерфейсу USB, выдает на модуль системного контроля команду ПУСК, сопровождаемую уставкой времени, представляющей собой число в диапазоне от 0 до 255. Сигнал ПУСК с первого выхода дешифратора 2 по входу S установит RS-триггер 7 в единичное состояние. Выходной сигнал с прямого выхода RS-триггера разрешит прохождение сигнала через элемент И 8 и импульсов от генератора 3 через элемент И 4 на счетный вход реверсивного счетчика 6, а также разрешит занесение уставки через элемент И 5 в реверсивный счетчик 6.

Каждый тактовый импульс от генератора 3 производит уменьшение занесенной в реверсивный счетчик 6 уставки на одну единицу. Если защищаемый участок программы исполняется ПЭВМ нормально, то его время исполнения не должно превышать величины временной уставки, занесенной в реверсивный счетчик 6. Тогда стоящая в конце защищаемого участка программы ПЭВМ команда ПУСК вновь перезагрузит уставку в реверсивный счетчик 6, не дав ей исчерпаться до нуля. В этом случае на выходе обратного переноса реверсивного счетчика 6 единичный логический сигнал не появится и выходной сигнал перезапуска ПЭВМ выдан не будет, ПЭВМ перейдет к исполнению следующего участка программы, который также может быть защищен описанным выше способом, и т.д.

Если же защищаемый участок программы исполняется неправильно (произошло зацикливание программы или самопроизвольный останов ПЭВМ), то команда ПУСК от ПЭВМ своевременно не поступит на модуль и уставка в реверсивном счетчике 6 исчерпается до нуля, а на выходе обратного переноса счетчика появится сигнал логической единицы, который, пройдя через элемент И 8 и формирователь 9, будет выдан на выход модуля как сигнал перезапуска ПЭВМ с целью восстановления нормального исполнения программы. Таким образом, модуль системного контроля выполняет функцию защиты ПЭВМ от неуправляемых состояний, вызванных случайными сбоями от электромагнитных помех по цепям питания.

Защита ПЭВМ от несанкционированного изменения или копирования программы работает следующим образом: при изготовлении модуля системного контроля оператор, имеющий на то полномочия, записывает в ППЗУ 11 модуля «секретную» информацию, выполняющую функцию «ключа». Этот же код ключа должен быть априори известен защищаемой программе (код ключа помещается автором программы в тексте самой программы в качестве эталона для сравнения). После запуска программы на исполнение, она, через посредство контроллера USB 1, считывает из ППЗУ 11 код «ключа» и сравнивает его с кодом эталона, известным программе, если эти коды совпадают, то программа нормально исполняется в полном объеме. В противном случае исполнение программы прекращается и ПЭВМ выдает информацию об отсутствии модуля системного контроля с правильным ключом. Таким образом, каждая законная копия программы должна быть в комплекте с модулем системного контроля, в котором записан код ключа, совпадающий с таковым в данной копии программы.

Контроллер USB 1 выполнен на базе микроЭВМ. Для повышения надежности его работы в схему введен сторожевой таймер 10, который должен перезапускать контроллер USB в случае случайных сбоев в его работе.

В качестве примера конкретного исполнения можно указать следующее.

Контроллер USB 1 может быть выполнен на микросхеме PIC16C745 фирмы MICROCHIP, реализующей интерфейс USB. В качестве дешифратора 2 можно использовать микросхему КР1533ИД7. Генератор 3 может быть собран на микросхеме КР1533ЛАЗ. Логические элементы И 4 и И 8 могут быть реализованы на микросхеме КР1533ЛИ1. Элемент И 5 может быть сделан на микросхеме КР1533ИР35. В качестве реверсивного счетчика 6 можно использовать микросхему КР1533ИЕ7. RS-триггер 7 можно выполнить на микросхеме КР1533ТВ15. В качестве формирователя выходного сигнала перезапуска ЭВМ 9 можно применить микросхему повторителя с повышенной нагрузочной способностью типа КР1533ЛП16. Сторожевой таймер 10 может быть выполнен на микросхеме одновибратора КР1533АГЗ. Перепрограммируемую память 11 можно реализовать на микросхеме 93LC66 фирмы MICROCHIP.

Предлагаемое устройство было практически реализовано в виде законченного модуля системного контроля (МСК) с двумя электрическими разъемами. Через один разъем модуль подключается к интерфейсу USB защищаемой ПЭВМ, а со второго разъема выводится сигнал аварийного перезапуска ПЭВМ, который подключается параллельно кнопке RESET ПЭВМ.

Через разъем USB модуль получает электрическое питание и 4 команды управления от ПЭВМ:

- WDT_STOP - команда сброса сторожевого таймера. По этой команде отсчет заданного ранее интервала времени прекращается, таймер обнуляется и переходит в исходное состояние, в котором он может находиться сколь угодно долго.

- WDT_RUN - команда запуска сторожевого таймера. По этой команде в таймер загружается заданное значение уставки (из второго байта команды) и начинается отсчет на вычитание уставки. Если уставка успевает исчерпаться до нуля, то сторожевой таймер срабатывает и на компьютер выдается сигнал перезапуска "RESET". Если же на модуль выдавать данную команду чаще, чем заданная величина уставки времени, то сторожевой таймер не сработает никогда.

- EEPROM_WRITE - команда записи двухбайтного слова в энергонезависимую память. По этой команде двухбайтное слово, содержащееся в третьем и четвертом байте команды, записывается в энергонезависимую память по адресу, указанному во втором байте этой команды.

- EEPROM_READ - команда чтения двухбайтного слова из энергонезависимой памяти. По этой команде из энергонезависимой памяти считывается двухбайтное слово по адресу, указанному во втором байте этой команды.

Отличия предлагаемого устройства:

1) Для подключения к защищаемой ПЭВМ используется стандартный внешний интерфейс USB, а не интерфейс внутренней шины PCI или ISA, что позволяет не занимать слоты расширения на материнской плате ПЭВМ.

2) Использование программируемого контроллера USB 1 позволяет оперативно изменять уставку реверсивного счетчика 6 в диапазоне от 0 до 22,27 с с шагом 87,36 мс. Это дает возможность разбивать защищаемую программу на произвольное число участков переменной длины в зависимости от размера программы и требуемого качества защиты (чем на большее число более коротких участков разбивается программа, тем надежность защиты выше).

3) Все устройство может быть, как вариант, выполнено на одной микросхеме, имеет малые габариты и малое потребление электроэнергии.

4) Устройство не требует отдельного источника питания, так как оно питается от интерфейса USB.

5) Устройство, будучи программно управляемым, может выдавать не только одиночные, но и двойные импульсы перезапуска, как это требуется для некоторых ПЭВМ.

Таким образом, как видно из вышеописанного, именно заявленная совокупность существенных признаков устройства по предлагаемому изобретению позволяет получить технический результат, выраженный в повышении надежности работы программно-технического комплекса в составе АСУ ТП. Обеспечивается формирование сигналов перезапуска ПЭВМ в случае обнаружения сбоев в ее работе. Кроме того, достигается защита оригинального фирменного программного обеспечения АСУ ТП от несанкционированного изменения или копирования. Конструктивное исполнение указанного устройства, обусловленное применением заявленной совокупности существенных признаков, позволяет сделать его достаточно компактным и малогабаритным по сравнению с ранее применяемыми устройствами аналогичного назначения.

Изобретение относится к устройствам, входящим в состав автоматических систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), и предназначено для использования в нефтехимической, газовой, металлургической промышленности, электроэнергетике и других отраслях. Техническим результатом является повышение надежности работы программно-технического комплекса в составе АСУ ТП. Указанный результата достигается за счет того, что модуль системного контроля содержит реверсивный счетчик, блок защиты выполняемых функций АСУ ТП, выполненный в виде контроллера USB, дешифратор, RS-триггер, генератор импульсов, три элемента «И», формирователь выходного сигнала перезапуска ПЭВМ. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Модуль системного контроля, содержащий реверсивный счетчик, дешифратор, блок защиты выполняемых функций АСУ ТП от неуправляемых состояний ПЭВМ, отличающийся тем, что блок защиты выполнен в виде контроллера USB, первый выход которого связан с первым входом второго элемента И и входом дешифратора, первый выход дешифратора связан со вторым входом второго элемента И и с входом установки в «1» RS-триггера, а второй выход дешифратора связан с входом установки в «0» RS-триггера, инверсный выход RS-триггера связан с входом установки в «0» реверсивного счетчика, выход второго элемента И соединен с информационным входом реверсивного счетчика, введен генератор импульсов, связанный через первый вход первого элемента И со счетным входом реверсивного счетчика, выход которого через первый вход третьего элемента И связан с входом формирователя выходного сигнала перезапуска ПЭВМ, выход которого связан с входом сброса ПЭВМ, причем, прямой выход RS-триггера связан со вторым входом первого элемента И и вторым входом третьего элемента И, а первый вход контроллера USB связан с выходом интерфейса USB ПЭВМ.2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что дополнительно введено ППЗУ, причем третий выход дешифратора связан со входом записи ППЗУ, четвертый выход дешифратора связан со входом чтения ППЗУ, шина данных ППЗУ связана с выходом контроллера USB.3. Модуль по п.2, отличающийся тем, что дополнительно введен сторожевой таймер, выход которого связан со вторым входом контроллера USB, а вход сторожевого таймера связан со вторым выходом контроллера USB.