基于A(yíng)RM的開(kāi)關(guān)量信號采集模板的設計

O 引言
本文設計的開(kāi)關(guān)量信號采集模板是一款嵌入式SCADA系統的一種插件，稱(chēng)為智能數字量采集板(IntelligentBinary Input Board，簡(jiǎn)稱(chēng)B板)。該裝置主要用于電力系統等工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域的實(shí)時(shí)數據采集與控制。
在絕大多數工業(yè)測控系統中都不可避免地會(huì )涉及開(kāi)關(guān)量采集的問(wèn)題，開(kāi)關(guān)量信號采樣的準確可靠性對于整個(gè)測控系統能否正常穩定地工作，起著(zhù)重要的作用。從以往的工作經(jīng)驗來(lái)看，開(kāi)關(guān)量信號采集的關(guān)鍵問(wèn)題就是去抖動(dòng)，避免錯誤的開(kāi)關(guān)量變位信號困擾系統的使用者。所謂開(kāi)關(guān)量信號抖動(dòng)就是由于開(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)并上報給主站系統，產(chǎn)生許多莫須有的告警信息，讓系統的使用者難以辨別事件的真偽，影響系統的實(shí)用性。在電力系統自動(dòng)化行業(yè)，開(kāi)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(dòng)電路和軟件延時(shí)去抖動(dòng)算法會(huì )破壞系統的實(shí)時(shí)性指標。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(wèn)題。
本文主要就B板的軟硬件設計原理與實(shí)現方法以及去抖動(dòng)算法進(jìn)行介紹。

1 硬件設計
1．1 總體設計
B板以Philips LPC2138 32位ARM微控制器為核心，完成16通道開(kāi)關(guān)量的數據采集。作為嵌入式SCADA系統的一種插件，板上設計了一路RS422異步串行通信接口，通過(guò)該接口與裝置的通信與管理模板(Communication andManagement Board，簡(jiǎn)稱(chēng)M板)通信，將采集生成的實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)量信息上報給M板。由于M板要通過(guò)RS422總線(xiàn)管理多塊II0板工作，M板采用主從方式實(shí)現與II0板的通信連接，為此各IIO板都設計了ID標識地址進(jìn)行身份確定。B板的ID標識地址采用8位雙排跳線(xiàn)器設置，標識地址范圍為0lH~FFH。此外，模板還設計了一路為RS232接口，用于模板的檢測與調試，以及LPC2138的軟件下載。調試RS232接口是一個(gè)標準的VTl00超級終端接口，通過(guò)該接口可以與PC機進(jìn)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(jìn)行調試和檢測。同時(shí)該串口也是LPC2138軟件的下載接口，將跳線(xiàn)JPl02和JPl03跳接上，即可通過(guò)專(zhuān)用軟件將編譯連接生成的軟件下載到LPC2138的FLASH存儲器。
板上開(kāi)關(guān)量過(guò)程通道包括BI回路信號調理與濾波電路、光電隔離電路、開(kāi)關(guān)量狀態(tài)訪(fǎng)問(wèn)電路。由于LPC2138的I／0引腳的數量有限，硬件設計時(shí)采用部分I／O引腳作為CS片選信號，部分I／O仿真8位數據總線(xiàn)對外部訪(fǎng)問(wèn)端口進(jìn)行分時(shí)操作。
為了保證模板運行的穩定可靠性，B板設計有硬件看門(mén)狗電路(HWDT)，軟件還設計了軟看門(mén)狗定時(shí)監視器(SWDT)。軟硬看門(mén)狗協(xié)同工作，在軟件“走飛”或局部“走死”之后自動(dòng)恢復模板運行。
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(xiàn)不出芯片的片上系統(SoC)，主要通過(guò)I／O引腳對外部電路進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。本文設計的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，硬件設計時(shí)通過(guò)對LPC2138的I／0引腳進(jìn)行組合使用，實(shí)現了對外部電路的分時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。具體實(shí)現方法是，采用部分I／O引腳作為CS信號，再用8個(gè)I／0模仿8位地址總線(xiàn)DBO~7對外部端口進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于既可減少I(mǎi)／0資源的使用，PCB布線(xiàn)也容易許多。采用這種方法進(jìn)行I／O擴展需要注意兩個(gè)方面的問(wèn)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(fǎng)問(wèn)外部電路時(shí)，要通過(guò)設置I／O狀態(tài)模擬外部電路的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序。B板LPC2138的I／0擴展如圖2所示。

1．3 開(kāi)關(guān)量輸入過(guò)程設計
開(kāi)關(guān)量輸入過(guò)程通道的設計相對簡(jiǎn)單，首先要根據光偶的驅動(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成一個(gè)RC濾波回路，過(guò)濾過(guò)程通道上的毛刺干擾；為了防止用戶(hù)接線(xiàn)時(shí)把外部驅動(dòng)回路的電源極性接反導致光偶燒壞，在回路上反向接入一個(gè)二極管對其進(jìn)行保護；為了適應外部輸入回路多樣性(如有源脈沖信號和無(wú)源干接點(diǎn)信號不能共地)，硬件設計時(shí)將16路開(kāi)關(guān)量分為4組，每組一個(gè)公共端。開(kāi)關(guān)量輸入信號與LPC2138的接口采用HC245實(shí)現，軟件設置片選使能，將BI狀態(tài)放入數據總線(xiàn)，讀取BI狀態(tài)，然后設置片選禁止，完成BI的采集工作。開(kāi)關(guān)量輸入過(guò)程通道如圖3所示。

1．4 硬件看門(mén)狗復位電路