O 引言

　　本文設(shè)計的開關(guān)量信號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)域的實時數(shù)據(jù)采集與控制。

　　在絕大多數(shù)工業(yè)測控系統(tǒng)中都不可避免地會涉及開關(guān)量采集的問題，開關(guān)量信號采樣的準確可靠性對于整個測控系統(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)驗來看，開關(guān)量信號采集的關(guān)鍵問題就是去抖動，避免錯誤的開關(guān)量變位信號困擾系統(tǒng)的使用者。所謂開關(guān)量信號抖動就是由于開關(guān)量信號的采樣通道受到干擾后裝置采集到了錯誤的開關(guān)狀態(tài)并上報給主站系統(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)的實用性。在電力系統(tǒng)自動化行業(yè)，開關(guān)量的事件順序記錄分辨率的指標要求是1~2ms，繁瑣的硬件去抖動電路和軟件延時去抖動算法會破壞系統(tǒng)的實時性指標。為此，本文提出了一種快速的去抖動算法，與模板上硬件去抖動濾波電路配合，較好地解決的上述問題。

　　本文主要就B板的軟硬件設(shè)計原理與實現(xiàn)方法以及去抖動算法進行介紹。

　　1 硬件設(shè)計

　　1.1 總體設(shè)計

　　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，簡稱M板)通信，將采集生成的實時開關(guān)量信息上報給M板。由于M板要通過RS422總線管理多塊II0板工作，M板采用主從方式實現(xiàn)與II0板的通信連接，為此各IIO板都設(shè)計了ID標識地址進行身份確定。B板的ID標識地址采用8位雙排跳線器設(shè)置，標識地址范圍為0lH~FFH。此外，模板還設(shè)計了一路為RS232接口，用于模板的檢測與調(diào)試，以及LPC2138的軟件下載。調(diào)試RS232接口是一個標準的VTl00超級終端接口，通過該接口可以與PC機進行通信連接，使用Windows的超級終端仿真軟件可以十分方便地對該模板進行調(diào)試和檢測。同時該串口也是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存儲器。歡迎轉(zhuǎn)載，本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.brongaenegriffin.com )

　　板上開關(guān)量過程通道包括BI回路信號調(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)計時采用部分I/O引腳作為CS片選信號，部分I/O仿真8位數(shù)據(jù)總線對外部訪問端口進行分時操作。

　　為了保證模板運行的穩(wěn)定可靠性，B板設(shè)計有硬件看門狗電路(HWDT)，軟件還設(shè)計了軟看門狗定時監(jiān)視器(SWDT)。軟硬看門狗協(xié)同工作，在軟件“走飛”或局部“走死”之后自動恢復(fù)模板運行。

　　B板的工作原理如圖1所示。

　　1.2 LP02138的I/0擴展

　　LPC2138是一款總線不出芯片的片上系統(tǒng)(SoC)，主要通過I/O引腳對外部電路進行訪問。本文設(shè)計的B板有16路BI輸入狀態(tài)、8位ID標識地址、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)計時通過對LPC2138的I/0引腳進行組合使用，實現(xiàn)了對外部電路的分時訪問。具體實現(xiàn)方法是，采用部分I/O引腳作為CS信號，再用8個I/0模仿8位地址總線DBO~7對外部端口進行訪問。這種方法的優(yōu)點在于既可減少I/0資源的使用，PCB布線也容易許多。采用這種方法進行I/O擴展需要注意兩個方面的問題：①由于LPC2138的I/0引腳在啟動時多為低狀態(tài)，此時會導(dǎo)致CS信號都使能，造成沖突，需要將用做CS信號的I/0引腳上拉;②軟件訪問外部電路時，要通過設(shè)置I/O狀態(tài)模擬外部電路的訪問時序。B板LPC2138的I/0擴展如圖2所示。

　　1.3 開關(guān)量輸入過程設(shè)計

　　開關(guān)量輸入過程通道的設(shè)計相對簡單，首先要根據(jù)光偶的驅(qū)動電流確定輸入電阻的大小，并選擇一個電容與該輸入電阻構(gòu)成一個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把外部驅(qū)動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二極管對其進行保護;為了適應(yīng)外部輸入回路多樣性(如有源脈沖信號和無源干接點信號不能共地)，硬件設(shè)計時將16路開關(guān)量分為4組，每組一個公共端。開關(guān)量輸入信號與LPC2138的接口采用HC245實現(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

　　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)自動化產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗，由于CPU內(nèi)部WDT需要軟件編程啟動，在極端情況下，系統(tǒng)死機后該WDT不能對系統(tǒng)進行恢復(fù)。為此，在進行本模板設(shè)計時，沒有使用LPC2138內(nèi)部的WDT，而是采用SP706S芯片專門擴展了一個看門狗，用于系統(tǒng)“走死”后的自動恢復(fù)。SP706S是一款專門的看門狗復(fù)位電路，其定時器延時的時間為1.6秒。電路設(shè)計方法是將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軟件下載的時間要大于1.6秒，硬件設(shè)計時設(shè)置了一個跳線器用于看門狗的使能/禁止，軟件下載時將跳線帽拔下，模板正常運行時將跳線帽插上。B板的看門狗復(fù)位電路如圖4所示。

　　正常運行時，模板軟件的看門狗定時器任務(wù)將定時(<1.6秒)清除SP706S的延時計數(shù)器，SP706S不會產(chǎn)生復(fù)位模板的信號。軟件“走死”后，由于該任務(wù)不再清WDT計數(shù)器，1.6秒之后，SP706S產(chǎn)生復(fù)位模板的信號，模板重新啟動運行。

　　模板軟件運行過程中，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，看門狗定時器任務(wù)設(shè)計時采用了軟硬看門狗級聯(lián)工作的模式，即硬件看門狗監(jiān)視WDT任務(wù)的運行，同時設(shè)計多個軟件看門狗定時器監(jiān)視其它任務(wù)的運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)視對象“走死”后進行局部初始化恢復(fù)處理，從而實現(xiàn)軟件的可靠性設(shè)計。

　　2 軟件設(shè)計

　　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)計主要工作包括目標板底層驅(qū)動程序的編寫和模板I/O功能的設(shè)計編程兩部分工作。

　　目標板底層驅(qū)動主要包括1ms開關(guān)量定時采集中斷和兩個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)計主要包括4個任務(wù)模塊的編寫，分別是看門狗定時器任務(wù)、開關(guān)量信號采樣數(shù)據(jù)處理、與M板數(shù)據(jù)通信協(xié)議處理、VTlOO超級終端命令處理等。

　　限于論文的篇幅，本文對模板軟件實現(xiàn)的細節(jié)不作詳細介紹，僅將帶有去抖動功能的開關(guān)量采集算法提取出來進行介紹。

　　開關(guān)量采集軟件部分的主要任務(wù)是讀取開關(guān)量當前的實時狀態(tài)并記錄開關(guān)量變位發(fā)生的時標。在電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域，帶變位時標的開關(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。軟件實現(xiàn)時SOE記錄保存在隊列之中。

　　為了保證系統(tǒng)時間的統(tǒng)一性，裝置M板的時間由上位主站或GPS授時鐘統(tǒng)一對時，M板再給各B板對時，然后M板和B板采用各自的定時器自動守時。B板的時間格式為“秒計數(shù)+毫秒計數(shù)”，秒計數(shù)是相對2000年0時0分O秒的計數(shù)值，毫秒計數(shù)的范圍為0—999，達到1000時自動清零并向秒計數(shù)進位。由于裝置晶振的守時精度較差，為了保證lms的SOE分辨率，每5分鐘應(yīng)進行一次對時操作。

　　在開關(guān)量采集過程中，由于受到裝置運行現(xiàn)場各種干擾源的影響，經(jīng)常發(fā)生讀到的開關(guān)量狀態(tài)與監(jiān)控對象運行狀態(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，事件打印機不停地打印，嚴重影響了系統(tǒng)的實用化。因此剔除這些虛假的開關(guān)量抖動信息也是軟件設(shè)計的一項重要的工作。

　　針對工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控對象開關(guān)量狀態(tài)的特性以及干擾抖動的特點，開關(guān)量狀態(tài)大都采用繼電器的觸點指示，開關(guān)量本身從0→1或從l→0的機械變位時間一般都比較長(≥80ms)，而干擾抖動的時問非常短(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)量采集的實時性和SOE分辨率。事實上，根據(jù)以往現(xiàn)場工程的經(jīng)驗，采用連續(xù)4次(4ms)采樣進行抖動判斷即可達到非常不錯的效果，可以讓EMS/SCADA系統(tǒng)的事件打印機安靜下來。根據(jù)遠動終端檢測中心的建議，抖動延時判斷的最大時間可以達到100ms。一般情況下，抖動延時判斷時間取lO~20ms就可以了。由于B板開關(guān)量信號采樣數(shù)據(jù)處理任務(wù)采用OS滴答(TIck)周期(10ms)啟動執(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，抖動延時判斷的取值應(yīng)大于10ms，軟件確省的取值為15ms。

　　為了準確記錄開關(guān)量變位的時間，通常情況下采用定時中斷來掃描讀取BI狀態(tài)，B板的掃描周期為lms，并采用該中斷進行SOE時鐘的守時，掃描周期為1ms時SOE分辨率可達到2ms。沒有去抖動功能常的開關(guān)量采集流程為：SOE時鐘增長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的點序號、狀態(tài)、變位時間和變位標記等。為了判別開關(guān)量是否發(fā)生抖動，軟件在變位信息結(jié)構(gòu)體中增加了一個抖動計數(shù)器成員變量，如果開關(guān)量有變位，先不記錄變位信息，而是將抖動計數(shù)器加1，判斷是否達到抖動延時檢測時間，如果達到，則確認開關(guān)量發(fā)生了變位;如果開關(guān)量沒有變位，則將抖動計數(shù)器清零。這樣如果一個開關(guān)量在抖動延時判別時間之內(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，從而達到取抖動的目的。B板帶有去抖動功能的1ms開關(guān)量定時掃描中斷服務(wù)程序的算法如圖6所示。

　　比較帶抖動功能和不帶抖動功能的開關(guān)量采集算法，增加去抖動功能時，只增加了一個抖動計數(shù)器變量，在記錄開關(guān)量變位信息之前，對該變位信息進行延時確認，增加的CPU程序執(zhí)行代價非常小，沒有影響中斷服務(wù)程序的正常運行。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)實際變位的過程中發(fā)生了抖動，將無法記錄到準確的開關(guān)變位的開始時間。如果要達到這一目的，需要連續(xù)記錄開關(guān)量變位的軌跡，然后再進行開關(guān)量變位開始時間的確定。不過這種算法的CPU開銷比較大，B板的軟件設(shè)計沒有采用這種算法?？紤]到干擾信號的偶然性，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)量信號采樣數(shù)據(jù)處理任務(wù)主要完成將BI定時中斷采集服務(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隊列之中，處理算法如圖7所示。該算法主要實現(xiàn)了兩項功能：SOE隊列元素的時間修正和SOE隊列操作。由于BI中斷程序記錄的BI變位時間是去抖動判別確認時的時間，因此生成SOE記錄時要將該時間修正到BI開始變位的時間。SOE隊列操作就是將SOE元素添加到SOE隊列之中，在添加SOE元素時，如果隊列已滿，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)場經(jīng)驗，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)也不會產(chǎn)生64個SOE記錄，軟件實現(xiàn)時設(shè)置的SOE隊列的長度為64。當然，如果發(fā)生M板與B板的通信長期中斷，SOE隊列會有溢出發(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。

　　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口水井的馬達自動控制中投入使用，運行結(jié)果表明，B板開關(guān)量信號采集的準確性、事件順序記錄分辨率與實時性等性能指標符合相關(guān)標準的要求，運行穩(wěn)定可靠，達到了預(yù)期的設(shè)計目的。