Неисправности источника бесперебойного питания (ИБП, англ. UPS - Uninterruptible Power Supply) зачастую сопровождаются серьезными проблемами - пробоем силовых транзисторов, выгоранием печатного монтажа и другими проявлениями. И с этой точки зрения к диагностике и ремонту ИБП необходимо подойти очень тщательно: даже после незначительных вмешательств в схему источника необходимо проверить работоспособность и корректное функционирование его отдельных компонентов. Одной из важнейших проверок UPS является диагностика микроконтроллера, так как именно он обеспечивает общее управление всеми узлами устройства. В этой статье рассматриваются принципы диагностики микропроцессора самых массовых моделей UPS третьего поколения (3G), используемых корпоративными пользователями - "SmartUPS 700/1000/1400".
Рассматриваемые в этой статье ИБП "SmartUPS 700/1000/1400" фирмы APS относятся к классу On-line.
При работе таких ИБП в нормальном режиме нагрузка питается отфильтрованным напряжением электросети.
Если входное напряжение становится ниже или выше установленной величины или вообще исчезает, то включается инвертор, который в нормальном режиме находится в отключенном состоянии. Преобразуя постоянное напряжение батарей в переменное, инвертор осуществляет питание нагрузки от них. Выходное напряжение инвертора представляет собой прямоугольные импульсы с амплитудой 300 В и частотой 50 Гц.
Рассматриваемые ИБП имеют одинаковую электрическую схему (см. рис. 1-5) и отличаются емкостью батарей, количеством выходных транзисторов в инверторе, мощностью силового трансформатора и габаритами.
Диагностика управляющего микроконтроллера ИБП (IC12 на рис. 1) может понадобиться в целом ряде случаев, к которым можно отнести:
- неисправности инвертора;
- неисправности коммутирующих цепей силовой части, т.е. цепей управления коммутационными реле;
- неисправности интерфейсных цепей, через которые осуществляется связь ИБП с компьютером;
- неисправности панели управления.
Кроме того, проверить правильную работу микроконтроллера необходимо после всех изменений, вносимых в энергонезависимую память EEPROM, реализованную в виде отдельной микросхемы (IC13, рис. 1).
В этой памяти хранятся все основные параметры работы ИБП, результаты калибровки и важнейшие данные, необходимые для корректной работы управляющей программы. И, конечно же, диагностика микроконтроллера необходима в том случае, когда ИБП вообще не включается.
В источниках бесперебойного питания семейства SmartUPS в качестве управляющего микропроцессора используется однокристальный микроконтроллер типа 87C52 фирмы NXP (PHILIPS), который имеет следующие основные функциональные характеристики:
- 8-разрядная архитектура (внешняя шина, внутренние регистры и АЛУ);
- встроенная постоянная память (EEPROM) объемом 8 кбайт для хранения управляющей программы;
- встроенная оперативная память (RAM) емкостью 256 байт;
- 32 программируемых линии ввода/вывода;
- три 16-разрядных внутренних таймера-счетчика;
- встроенный тактовый генератор, работающий на частотах до 33 МГц;
- 4-уровневая система приоритетных прерываний;
- поддержка шести источников прерываний;
- совместимость с логикой TTL и CMOS.
Все эти характеристики обеспечивают широкую область применений микроконтроллера, но, так как темой статьи являются ИБП, то методы диагностики микроконтроллера 87С52 будут обсуждаться с учетом его практической реализации в составе источников бесперебойного питания.
Контроллер 87C52 выпускается в различных корпусах, но в SmartUPS используется 40-выводный корпус типа DIP - см. рис. 6. В таблице приведено описание выводов микроконтроллера и их реальное назначение в составе ИБП APC "SmartUPS 700/1000/1400".
Рис. 6. Принципиальная электрическая схема. Расположение выводов микроконтроллера 87С52
Диагностику микроконтроллера необходимо производить при включенном питании, т.е. когда он выполняет управляющую программу. Однако при этом ИБП не должен быть подключен к сети и инвертор должен быть выключен. Эти условия необходимо выполнить для того, чтобы избежать включения силовых цепей и избежать создания мощных токов, способных привести к выходу из строя транзисторов инвертора, предохранителей, печатных дорожек и т.д. Соблюсти эти начальные условия диагностики можно двумя способами:
1. ИБП отключают от первичной сети переменного тока, т.е. оставляют его в автономном режиме. Аккумуляторы должны быть исправны, заряжены и подключены. Далее кратковременно нажимают кнопку "ВКЛЮЧИТЬ" на лицевой панели управления. При этом должен раздаться щелчок реле и кратковременный звуковой сигнал, который сообщает о включении ИБП и переходе его в режим ожидания. В этом режиме микроконтроллер должен запуститься и начать выполнение управляющей программы. Примерно через пять минут ИБП автоматически выключится, что также будет сопровождаться щелчком реле, но этого времени будет достаточно для проведения всех необходимых измерений. Здесь необходимо обратить внимание, что нажатие на кнопку должно быть именно кратковременным. Если кнопку удерживать в нажатом состоянии чуть дольше, то включится инвертор ИБП и на выходе появится напряжение 220 В (т.е. режим работы от аккумуляторов), что нежелательно для диагностики.
2. ИБП должен быть отключен от первичной сети переменного тока. Для диагностики можно воспользоваться лабораторным источником с выходным постоянным напряжением 26...27 В, который должен заменить собой аккумуляторные батареи, т.е. аккумуляторы отсоединяют, а вместо них подключают источник. Задают на лабораторном источнике токовое ограничение величиной примерно 1 А, за счет этого будет предотвращен запуск сильноточных цепей ИБП. Далее необходимо действовать так же, как и в первом случае, т.е. следует кратковременно нажать кнопку "ВКЛЮЧИТЬ" на лицевой панели управления и приступить к диагностике микроконтроллера.
Диагностика заключается в проверке сигналов в контрольных точках (на некоторых выводах микроконтроллера) или в последовательном контроле сигналов на всех выводах микроконтроллера в момент его запуска. Естественно, подобная проверка предполагает хорошее знание формы сигналов в контролируемых точках. Эта информация представлена в таблице.
Назначение выводов микроконтроллера 87C52
№ вывода | Обозначение | Описание |
1 | D0 | 8-разрядный универсальный порт, используется в качестве шины выходных данных, передаваемых в параллельном виде на ЦАП IC15. Эти данные используются для формирования на выходе ЦАП опорной синусоиды. На всех этих контактах должны присутствовать импульсы (или пачки импульсов) амплитудой примерно 5 В и периодом повторения, кратным частоте 50/60 Гц (в зависимости от частоты сетевого напряжения). Правильность формирования импульсов проще всего оценить по наличию синусоидального напряжения частотой 50/60 Гц на выв. 2 микросхемы IC15 - фактически это означает, что управляющая микропрограмма микропроцессора работает корректно и что микроконтроллер исправен |
2 | D1 | |
3 | D2 | |
4 | D3 | |
5 | D4 | |
6 | D5 | |
7 | D6 | |
8 | D7 | |
9 | RESET | Сигнал сброса микроконтроллера. Активный уровень сигнала - высокий (лог. "1"). В рабочем режиме микросхемы на этом выводе должен быть низкий потенциал (лог. "0"), в момент включения ИБП - короткий положительный импульс |
10 | DATA-IN | Вывод универсального порта (вход). Используется для приема входного сигнала DATA-IN, который представляет собой данные от SNMP-адаптера, устанавливаемого в разъем J14, или данные от интерфейсного разъема J1. Передача данных осуществляется в последовательном виде. Если SNMP-адаптер отсутствует и ИБП не подключен к ПК, то и сигналы на этом выводе неактивны. При включении устанавливается высокий уровень сигнала (+5 В), после чего не изменяется |
11 | SD-OUT | Вывод универсального порта (выход). Используется в качестве выходного сигнала SD-OUT, который представляет собой данные, передаваемые в последовательном виде на SNMP-адаптер или на интерфейсный разъем J1. В момент включения ИБП на выводе формируется импульсная последовательность, после окончания которой устанавливается высокий уровень сигнала (+5 В) |
12 | PHAS-OUT | Вывод универсального порта (вход). Используется для контроля фазы выходного напряжения. После включения ИБП на этом выводе должны появиться импульсы, повторяющиеся с периодом 100/120 Гц. Эти импульсы формируются из сигнала на выв. 2 ЦАП IC15 и соответствуют каждому переходу синусоиды через нулевой уровень. Отсутствие импульсов можно воспринимать как неисправность внешних цепей контроля выходной фазы при условии, что синусоидальный сигнал на выходе ЦАП формируется |
13 | CS-ROM | Вывод универсального порта (выход). Используется для формирования сигнала выбора (Chip Select) микросхемы EEPROM IC13. После включения ИБП на этом выводе должны формироваться короткие импульсы (высокий уровень - активный) частотой 50/60 Гц |
14 | PHAS-REF | Вывод универсального порта (вход). Используется для контроля фазы входного сетевого напряжения. После включения ИБП на нем должен установиться высокий уровень (+5 В), так как ИБП не подключен к питающей сети |
15 | LO-BATT | Вывод универсального порта (выход). Используется для формирования сигнала LO-BATT, который своим активным уровнем (лог. "0") сообщает о разряде аккумуляторных батарей. Сигнал передается на разъем SNMP-адаптера и на интерфейсный разъем J1, где является частью простого интерфейсного соединения с ПК (Simple Signaling). В момент запуска ИБП на выводе устанавливается высокий уровень |
16 | LIN-XFER | Вывод универсального порта (выход). Используется для формирования сигнала, управляющего входным размыкающим реле RY5. В момент запуска ИБП на выводе устанавливается высокий уровень |
17 | INV-EN | Вывод универсального порта (выход). Используется для формирования сигнала, разрешающего работу драйвера силовых ключей IC14. Активный уровень сигнала - низкий, но так как в режиме диагностики инвертор не работает, поэтому в момент запуска ИБП на выводе устанавливается высокий уровень |
18 | XTAL2 | Выводы для подключения внешнего кварцевого резонатора. При включении ИБП на них должен наблюдаться сигнал синусоидальной формы частотой около 16 МГц. Отсутствие сигнала означает неисправность микроконтроллера, хотя нельзя исключать и дефект самого кварцевого резонатора (XT1) |
19 | XTAL1 | |
20 | GND | "Земля" |
21 | +5V-SIG | Вывод универсального порта (выход). Используется для управления индикаторным светодиодом "SENSITIVITY", расположенным на тыльной стороне UPS. Так как при включении ИБП светодиод должен светиться, то на этом выводе устанавливается высокий уровень и сохраняется в течение всего времени работы ИБП |
22 | ALL-EN | Вывод универсального порта (выход). Используется для формирования сигнала, разрешающего работу контроллера инвертора IC17. Активный уровень сигнала - низкий. В момент включения на выводе на короткий период времени устанавливается лог. "1", затем - лог. "0" и сохраняется в течение всего времени работы ИБП, т.е. работа микросхемы IC17 разрешена и ее исправность можно оценить по наличию импульсов на выв. 4-7 |
23 | TRIM | Вывод универсального порта (выход). Используется для формирования сигнала управления реле режима TRIM RY6. Активный уровень сигнала - низкий. При включении ИБП на выводе должен установиться высокий уровень, но вначале формируется короткий отрицательный импульс |
24 | BOOST | Вывод универсального порта (выход). Используется для формирования сигнала управления реле режима BOOST RY3. Активный уровень сигнала - низкий. При включении ИБП на выводе должен установиться низкий уровень, но вначале формируется короткий положительный импульс |
25 | SHTDWN | Вывод универсального порта (выход). Используется для формирования сигнала управления входным реле отключения нагрузки Shutdown RY1. Активный уровень сигнала - высокий. При включении UPS на выводе должен установиться высокий уровень |
26 | CS-ADC | Вывод универсального порта (выход). Используется для формирования выходного сигнала выбора (Chip Select) микросхемы АЦП IC10. После включения ИБП на этом выводе должны формироваться короткие высокочастотные импульсы (низкий уровень - активный) |
27 | S-DATA | Вывод универсального порта (вход/выход). Используется в качестве двунаправленной линии передачи данных между микроконтроллером АЦП и EEPROM. После включения UPS на этом выводе должны формироваться периодические короткие импульсы |
28 | S-CLK | Вывод универсального порта (выход). Используется в качестве сигнала синхронизации при передаче данных по линии S-DATA. После включения ИБП на этом выводе должны формироваться периодические короткие импульсы |
29 | +5V | Вывод соединен с шиной питания +5 В |
30 | N.C. | Вывод не используется. Сигнал стробирования адреса ALE. При включении ИБП на нем формируются периодические высокочастотные импульсы |
31 | +5V | Вывод соединен с шиной питания +5 В |
32 | N.C. | Вывод не используется. При включении ИБП на нем устанавливается низкий уровень |
33 | HI-CHG | Вывод универсального порта (выход). Используется для управления зарядным устройством, в качестве которого выступает инвертор. При включении ИБП на выводе устанавливается низкий уровень |
34 | BEEP | Вывод универсального порта (выход). Используется для управления динамиком BEE-PER. Установка на этом контакте сигнала низкого уровня приводит к запрещению работы звуковой индикации. В момент запуска ИБП на выводе появляются высокочастотные импульсы малой амплитуды (около 0,9 В), что сопровождается звуковым сигналом. После этого устанавливается низкий уровень. Импульсы, наблюдаемые на выводе, формируются внешним генератором, поэтому их отсутствие можно воспринимать как замыкание вывода на "землю" или как неисправность внешнего генератора этих импульсов (выв. 2 микросхемы IC9) |
| 35 | RY-WELD | Вывод универсального порта (вход). Используется для контроля состояния сигнала RY-WELD, с помощью которого проверяется работа входных реле RY5 и RY4 и определяется их "залипание". Активный уровень сигнала - высокий. При включении ИБП сигнал на этом контакте должен установиться в низкий уровень |
36 | LED-STRB | Вывод (выход) используется для формирования стробирующего сигнала, управляющего дешифраторами панели управления. При включении ИБП на контакте формируются короткие отрицательные низкочастотные импульсы |
37 | N.C. | Вывод не используется. При включении на выводе устанавливается низкий уровень |
38 | DSP-CLK | Вывод универсального порта (выход). Используется для формирования импульсов синхронизации при передаче данных по линии DSP-DATA на дешифраторы лицевой панели управления. При включении ИБП на выводе формируются короткие отрицательные низкочастотные импульсы |
39 | DSP-DATA | Вывод универсального порта (выход). Используется для передачи данных на дешифраторы лицевой панели управления. Эти данные определяют состояние светодиодов панели управления. Данные передаются в последовательном виде синхронно с сигналом DSP-CLK. В режиме диагностики светодиоды панели управления не включаются и на выводе устанавливается высокий уровень |
40 | +5V | Напряжение питания +5 В |
Сигналы на выводах микроконтроллера 87C52 необходимо контролировать с помощью осциллографа, т.к. очень многие из них являются импульсными. Кроме того, некоторые сигналы появляются на выводах 87C52 кратковременно, в момент включения ИБП, поэтому контролировать их придется в момент нажатия на кнопку "ВКЛЮЧЕНИЕ".
При диагностике микроконтроллера по предлагаемой здесь методике необходимо отключить ИБП не только от первичной питающей сети, но и от ПК, т.е. необходимо отсоединить интерфейсный кабель. Кроме того, следует удалить и SNMP-адаптер, который может быть установлен в разъем для подключения дополнительного оборудования (разъем J14).
В заключение хотелось бы обратить внимание читателей на то, что приведенную методику нельзя считать законченной. В статье рассмотрено состояние микроконтроллера только в одном режиме и при определенном состоянии UPS. Многие из описанных в таблице сигналов могут измениться в значительной степени, если, например, подключить ИБП к сетевому источнику или включить его в режим работы от аккумуляторов. Но, по мнению автора, описанный выше режим работы ИБП, в котором диагностируется микроконтроллер, является наиболее безопасным, а поэтому наиболее предпочтительным и позволяет с большой долей вероятности судить о работоспособности микроконтроллера.
Все необходимые схемы можно скачать здесь
Автор: Виктор Ткаченко (г. Пенза)
Источник: Ремонт и сервис