基于ARM的開關(guān)量信號(hào) 采集模板的設(shè)計(jì)

O 引言
    本文設(shè)計(jì)的開關(guān)量信號(hào)采集模板是一款嵌入式SCADA系統(tǒng)的一種插件，稱為智能數(shù)字量采集板(IntelligentBinary Input Board，簡(jiǎn)稱B板)。該裝置主要用于電力系統(tǒng)等工業(yè)過程控制領(lǐng)域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與控制。
    在絕大多數(shù)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中都不可避免地會(huì)涉及開關(guān)量采集的問題，開關(guān)量信號(hào)采樣的準(zhǔn)確可靠性對(duì)于整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定地工作，起著重要的作用。從以往的工作經(jīng)驗(yàn)來看，開關(guān)量信號(hào)采集的關(guān)鍵問題就是去抖動(dòng)，避免錯(cuò)誤的開關(guān)量變位信號(hào)困擾系統(tǒng)的使用者。所謂開關(guān)量信號(hào)抖動(dòng)就是由于開關(guān)量信號(hào)的采樣通道受到干擾后裝置采集到了錯(cuò)誤的開關(guān)狀態(tài)并上報(bào)給主站系統(tǒng)，產(chǎn)生許多莫須有的告警信息，讓系統(tǒng)的使用者難以辨別事件的真?zhèn)?，影響系統(tǒng)的實(shí)用性。在電力系統(tǒng)自動(dòng)化行業(yè)，開關(guān)量的事件順序記錄分辨率的指標(biāo)要求是1~2ms，繁瑣的硬件去抖動(dòng)電路和軟件延時(shí)去抖動(dòng)算法會(huì)破壞系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性指標(biāo)。為此，本文提出了一種快速的去抖動(dòng)算法，與模板上硬件去抖動(dòng)濾波電路配合，較好地解決的上述問題。
    本文主要就B板的軟硬件設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法以及去抖動(dòng)算法進(jìn)行介紹。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 總體設(shè)計(jì)
    B板以Philips LPC2138 32位ARM微控制器為核心，完成16通道開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集。作為嵌入式SCADA系統(tǒng)的一種插件，板上設(shè)計(jì)了一路RS422異步串行通信接口，通過該接口與裝置的通信與管理模板(Communication andManagement Board，簡(jiǎn)稱M板)通信，將采集生成的實(shí)時(shí)開關(guān)量信息上報(bào)給M板。由于M板要通過RS422總線管理多塊II0板工作，M板采用主從方式實(shí)現(xiàn)與II0板的通信連接，為此各IIO板都設(shè)計(jì)了ID標(biāo)識(shí)地址進(jìn)行身份確定。B板的ID標(biāo)識(shí)地址采用8位雙排跳線器設(shè)置，標(biāo)識(shí)地址范圍為0lH~FFH。此外，模板還設(shè)計(jì)了一路為RS232接口，用于模板的檢測(cè)與調(diào)試，以及LPC2138的軟件下載。調(diào)試RS232接口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的VTl00超級(jí)終端接口，通過該接口可以與PC機(jī)進(jìn)行通信連接，使用Windows的超級(jí)終端仿真軟件可以十分方便地對(duì)該模板進(jìn)行調(diào)試和檢測(cè)。同時(shí)該串口也是LPC2138軟件的下載接口，將跳線JPl02和JPl03跳接上，即可通過專用軟件將編譯連接生成的軟件下載到LPC2138的FLASH存儲(chǔ)器。
    板上開關(guān)量過程通道包括BI回路信號(hào)調(diào)理與濾波電路、光電隔離電路、開關(guān)量狀態(tài)訪問電路。由于LPC2138的I／0引腳的數(shù)量有限，硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用部分I／O引腳作為CS片選信號(hào)，部分I／O仿真8位數(shù)據(jù)總線對(duì)外部訪問端口進(jìn)行分時(shí)操作。
    為了保證模板運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性，B板設(shè)計(jì)有硬件看門狗電路(HWDT)，軟件還設(shè)計(jì)了軟看門狗定時(shí)監(jiān)視器(SWDT)。軟硬看門狗協(xié)同工作，在軟件“走飛”或局部“走死”之后自動(dòng)恢復(fù)模板運(yùn)行。
    B板的工作原理如圖1所示。

1．2 LP02138的I／0擴(kuò)展
    LPC2138是一款總線不出芯片的片上系統(tǒng)(SoC)，主要通過I／O引腳對(duì)外部電路進(jìn)行訪問。本文設(shè)計(jì)的B板有16路BI輸入狀態(tài)、8位ID標(biāo)識(shí)地址、異步串口和HWDT等都需要使用I／O資源，LPC2138的I／O引腳不夠用。為此，硬件設(shè)計(jì)時(shí)通過對(duì)LPC2138的I／0引腳進(jìn)行組合使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部電路的分時(shí)訪問。具體實(shí)現(xiàn)方法是，采用部分I／O引腳作為CS信號(hào)，再用8個(gè)I／0模仿8位地址總線DBO~7對(duì)外部端口進(jìn)行訪問。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于既可減少I／0資源的使用，PCB布線也容易許多。采用這種方法進(jìn)行I／O擴(kuò)展需要注意兩個(gè)方面的問題：①由于LPC2138的I／0引腳在啟動(dòng)時(shí)多為低狀態(tài)，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致CS信號(hào)都使能，造成沖突，需要將用做CS信號(hào)的I／0引腳上拉；②軟件訪問外部電路時(shí)，要通過設(shè)置I／O狀態(tài)模擬外部電路的訪問時(shí)序。B板LPC2138的I／0擴(kuò)展如圖2所示。

1．3 開關(guān)量輸入過程設(shè)計(jì)
    開關(guān)量輸入過程通道的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，首先要根據(jù)光偶的驅(qū)動(dòng)電流確定輸入電阻的大小，并選擇一個(gè)電容與該輸入電阻構(gòu)成一個(gè)RC濾波回路，過濾過程通道上的毛刺干擾；為了防止用戶接線時(shí)把外部驅(qū)動(dòng)回路的電源極性接反導(dǎo)致光偶燒壞，在回路上反向接入一個(gè)二極管對(duì)其進(jìn)行保護(hù)；為了適應(yīng)外部輸入回路多樣性(如有源脈沖信號(hào)和無源干接點(diǎn)信號(hào)不能共地)，硬件設(shè)計(jì)時(shí)將16路開關(guān)量分為4組，每組一個(gè)公共端。開關(guān)量輸入信號(hào)與LPC2138的接口采用HC245實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)置片選使能，將BI狀態(tài)放入數(shù)據(jù)總線，讀取BI狀態(tài)，然后設(shè)置片選禁止，完成BI的采集工作。開關(guān)量輸入過程通道如圖3所示。

1．4 硬件看門狗復(fù)位電路[!--empirenews.page--]
    LPC2138的內(nèi)部本身集成有看門狗電路，但是根據(jù)作者多年從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，由于CPU內(nèi)部WDT需要軟件編程啟動(dòng)，在極端情況下，系統(tǒng)死機(jī)后該WDT不能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)。為此，在進(jìn)行本模板設(shè)計(jì)時(shí)，沒有使用LPC2138內(nèi)部的WDT，而是采用SP706S芯片專門擴(kuò)展了一個(gè)看門狗，用于系統(tǒng)“走死”后的自動(dòng)恢復(fù)。SP706S是一款專門的看門狗復(fù)位電路，其定時(shí)器延時(shí)的時(shí)間為1．6秒。電路設(shè)計(jì)方法是將SP706S的復(fù)位輸出引腳與LPC2138復(fù)位電路的人工復(fù)位引腳相連。由于LPC2138軟件下載的時(shí)間要大于1．6秒，硬件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了一個(gè)跳線器用于看門狗的使能／禁止，軟件下載時(shí)將跳線帽拔下，模板正常運(yùn)行時(shí)將跳線帽插上。B板的看門狗復(fù)位電路如圖4所示。

正常運(yùn)行時(shí)，模板軟件的看門狗定時(shí)器任務(wù)將定時(shí)(<1．6秒)清除SP706S的延時(shí)計(jì)數(shù)器，SP706S不會(huì)產(chǎn)生復(fù)位模板的信號(hào)。軟件“走死”后，由于該任務(wù)不再清WDT計(jì)數(shù)器，1．6秒之后，SP706S產(chǎn)生復(fù)位模板的信號(hào)，模板重新啟動(dòng)運(yùn)行。
    模板軟件運(yùn)行過程中，軟件的其它任務(wù)和異步串行通信收發(fā)器也可能局部“走死”，對(duì)于這種局部“走死”的情況，最好是局部恢復(fù)而不是模板復(fù)位。為此，看門狗定時(shí)器任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)采用了軟硬看門狗級(jí)聯(lián)工作的模式，即硬件看門狗監(jiān)視WDT任務(wù)的運(yùn)行，同時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)軟件看門狗定時(shí)器監(jiān)視其它任務(wù)的運(yùn)行和異步串口的收發(fā)，WDT任務(wù)“走死”后復(fù)位模板，其它監(jiān)視對(duì)象“走死”后進(jìn)行局部初始化恢復(fù)處理，從而實(shí)現(xiàn)軟件的可靠性設(shè)計(jì)。

2 軟件設(shè)計(jì)
    模板軟件采用μC／OS—II作為操作系統(tǒng)，軟件的層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。模板的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要工作包括目標(biāo)板底層驅(qū)動(dòng)程序的編寫和模板I／O功能的設(shè)計(jì)編程兩部分工作。

目標(biāo)板底層驅(qū)動(dòng)主要包括1ms開關(guān)量定時(shí)采集中斷和兩個(gè)異步串口中斷的中斷服務(wù)程序的編寫，前者響應(yīng)中斷后讀取16路開關(guān)量輸入信號(hào)的狀態(tài)，后者完成異步串行通信收發(fā)器的控制與數(shù)據(jù)收發(fā)。
    模板應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要包括4個(gè)任務(wù)模塊的編寫，分別是看門狗定時(shí)器任務(wù)、開關(guān)量信號(hào)采樣數(shù)據(jù)處理、與M板數(shù)據(jù)通信協(xié)議處理、VTlOO超級(jí)終端命令處理等。
    限于論文的篇幅，本文對(duì)模板軟件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)不作詳細(xì)介紹，僅將帶有去抖動(dòng)功能的開關(guān)量采集算法提取出來進(jìn)行介紹。
    開關(guān)量采集軟件部分的主要任務(wù)是讀取開關(guān)量當(dāng)前的實(shí)時(shí)狀態(tài)并記錄開關(guān)量變位發(fā)生的時(shí)標(biāo)。在電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域，帶變位時(shí)標(biāo)的開關(guān)信息稱為事件順序記錄(SOE)，主要用于判別開關(guān)量之間變位的先后順序，分析事故發(fā)生的原因。軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)SOE記錄保存在隊(duì)列之中。
    為了保證系統(tǒng)時(shí)間的統(tǒng)一性，裝置M板的時(shí)間由上位主站或GPS授時(shí)鐘統(tǒng)一對(duì)時(shí)，M板再給各B板對(duì)時(shí)，然后M板和B板采用各自的定時(shí)器自動(dòng)守時(shí)。B板的時(shí)間格式為“秒計(jì)數(shù)+毫秒計(jì)數(shù)”，秒計(jì)數(shù)是相對(duì)2000年0時(shí)0分O秒的計(jì)數(shù)值，毫秒計(jì)數(shù)的范圍為0—999，達(dá)到1000時(shí)自動(dòng)清零并向秒計(jì)數(shù)進(jìn)位。由于裝置晶振的守時(shí)精度較差，為了保證lms的SOE分辨率，每5分鐘應(yīng)進(jìn)行一次對(duì)時(shí)操作。
    在開關(guān)量采集過程中，由于受到裝置運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)各種干擾源的影響，經(jīng)常發(fā)生讀到的開關(guān)量狀態(tài)與監(jiān)控對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)不一致的情況，造成EMS主站監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生大量的虛假告警信息，事件打印機(jī)不停地打印，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的實(shí)用化。因此剔除這些虛假的開關(guān)量抖動(dòng)信息也是軟件設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要的工作。
    針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控對(duì)象開關(guān)量狀態(tài)的特性以及干擾抖動(dòng)的特點(diǎn)，開關(guān)量狀態(tài)大都采用繼電器的觸點(diǎn)指示，開關(guān)量本身從0→1或從l→0的機(jī)械變位時(shí)間一般都比較長(zhǎng)(≥80ms)，而干擾抖動(dòng)的時(shí)問非常短(一般<4ms)，SOE又是用來判定不同開關(guān)量之間變位的先后順序，因此，采用連續(xù)多次采集到的開關(guān)量狀態(tài)來判定BI是否真正變位并不影響開關(guān)量采集的實(shí)時(shí)性和SOE分辨率。事實(shí)上，根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)工程的經(jīng)驗(yàn)，采用連續(xù)4次(4ms)采樣進(jìn)行抖動(dòng)判斷即可達(dá)到非常不錯(cuò)的效果，可以讓EMS／SCADA系統(tǒng)的事件打印機(jī)安靜下來。根據(jù)遠(yuǎn)動(dòng)終端檢測(cè)中心的建議，抖動(dòng)延時(shí)判斷的最大時(shí)間可以達(dá)到100ms。一般情況下，抖動(dòng)延時(shí)判斷時(shí)間取lO~20ms就可以了。由于B板開關(guān)量信號(hào)采樣數(shù)據(jù)處理任務(wù)采用OS滴答(Tick)周期(10ms)啟動(dòng)執(zhí)行，為了防止保存BI變位信息的緩沖區(qū)發(fā)生覆蓋(overlap)訪問沖突，抖動(dòng)延時(shí)判斷的取值應(yīng)大于10ms，軟件確省的取值為15ms。[!--empirenews.page--]
    為了準(zhǔn)確記錄開關(guān)量變位的時(shí)間，通常情況下采用定時(shí)中斷來掃描讀取BI狀態(tài)，B板的掃描周期為lms，并采用該中斷進(jìn)行SOE時(shí)鐘的守時(shí)，掃描周期為1ms時(shí)SOE分辨率可達(dá)到2ms。沒有去抖動(dòng)功能常的開關(guān)量采集流程為：SOE時(shí)鐘增長(zhǎng)1ms；讀取BI的狀態(tài)；判斷開關(guān)量是否變位，如果有變位，則記錄變位信息，包括BI的點(diǎn)序號(hào)、狀態(tài)、變位時(shí)間和變位標(biāo)記等。為了判別開關(guān)量是否發(fā)生抖動(dòng)，軟件在變位信息結(jié)構(gòu)體中增加了一個(gè)抖動(dòng)計(jì)數(shù)器成員變量，如果開關(guān)量有變位，先不記錄變位信息，而是將抖動(dòng)計(jì)數(shù)器加1，判斷是否達(dá)到抖動(dòng)延時(shí)檢測(cè)時(shí)間，如果達(dá)到，則確認(rèn)開關(guān)量發(fā)生了變位；如果開關(guān)量沒有變位，則將抖動(dòng)計(jì)數(shù)器清零。這樣如果一個(gè)開關(guān)量在抖動(dòng)延時(shí)判別時(shí)間之內(nèi)發(fā)生變位又恢復(fù)至原先的狀態(tài)，軟件將不記錄其發(fā)生的變位信息，從而達(dá)到取抖動(dòng)的目的。B板帶有去抖動(dòng)功能的1ms開關(guān)量定時(shí)掃描中斷服務(wù)程序的算法如圖6所示。

比較帶抖動(dòng)功能和不帶抖動(dòng)功能的開關(guān)量采集算法，增加去抖動(dòng)功能時(shí)，只增加了一個(gè)抖動(dòng)計(jì)數(shù)器變量，在記錄開關(guān)量變位信息之前，對(duì)該變位信息進(jìn)行延時(shí)確認(rèn)，增加的CPU程序執(zhí)行代價(jià)非常小，沒有影響中斷服務(wù)程序的正常運(yùn)行。因此，該算法速度快，效果也十分理想。該算法的缺陷在于如果開關(guān)實(shí)際變位的過程中發(fā)生了抖動(dòng)，將無法記錄到準(zhǔn)確的開關(guān)變位的開始時(shí)間。如果要達(dá)到這一目的，需要連續(xù)記錄開關(guān)量變位的軌跡，然后再進(jìn)行開關(guān)量變位開始時(shí)間的確定。不過這種算法的CPU開銷比較大，B板的軟件設(shè)計(jì)沒有采用這種算法。考慮到干擾信號(hào)的偶然性，又有硬件濾波電路的配合，圖6所示的算法是一種行之有效的好方法。
    開關(guān)量信號(hào)采樣數(shù)據(jù)處理任務(wù)主要完成將BI定時(shí)中斷采集服務(wù)程序采集到的開關(guān)量變位信息轉(zhuǎn)換成SOE記錄，并添加到SOE隊(duì)列之中，處理算法如圖7所示。該算法主要實(shí)現(xiàn)了兩項(xiàng)功能：SOE隊(duì)列元素的時(shí)間修正和SOE隊(duì)列操作。由于BI中斷程序記錄的BI變位時(shí)間是去抖動(dòng)判別確認(rèn)時(shí)的時(shí)間，因此生成SOE記錄時(shí)要將該時(shí)間修正到BI開始變位的時(shí)間。SOE隊(duì)列操作就是將SOE元素添加到SOE隊(duì)列之中，在添加SOE元素時(shí)，如果隊(duì)列已滿，需要將最早的SOE元素刪除，再將新生成的SOE元素添加到隊(duì)列之中。正常情況下，M板每O．5秒與B通信一次，召喚B板采集生成的開關(guān)最信息，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，即便開關(guān)量變位發(fā)生雪崩效應(yīng)，16路BI在0．5秒之內(nèi)也不會(huì)產(chǎn)生64個(gè)SOE記錄，軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)設(shè)置的SOE隊(duì)列的長(zhǎng)度為64。當(dāng)然，如果發(fā)生M板與B板的通信長(zhǎng)期中斷，SOE隊(duì)列會(huì)有溢出發(fā)生，這種情況一般都是裝置故障，需要檢修予以排除。此外，BI變位信息和ISOE隊(duì)列的訪問操作與其它任務(wù)和中服務(wù)程序有互斥要求，需要使用臨界區(qū)加以保護(hù)。

3 結(jié)論
    裝置定型開發(fā)完成之后，在國電北侖電廠三期、中山嘉明電廠二期UPS電源監(jiān)控和戶縣惠安化工廠19口水井的馬達(dá)自動(dòng)控制中投入使用，運(yùn)行結(jié)果表明，B板開關(guān)量信號(hào)采集的準(zhǔn)確性、事件順序記錄分辨率與實(shí)時(shí)性等性能指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。