曹洪龍，胡劍凌，邵 雷，蔡文鋒

(蘇州大學電子信息學院，江蘇蘇州 215006)

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產和科學研究過程中，常常需要檢測開關量信號變化，然后根據各個開關量信號變化關系(通常是時間關系)，判決工作狀態(tài)、影響因素、異常因素等信息。例如在工業(yè)測控系統(tǒng)中，需要檢測電磁繼電器、輔助開關等設備產生的開關信號，進行判斷從而獲得高精度的動作順序分辨率[1-2]。目前市場上的一些數據采集卡可以實現(xiàn)基本的開關量信號測量需求，但對多達幾十路的開關量信號的并行實時檢測和計時方面沒有專門的應用。為了解決多路開關量信號檢測問題，設計了一種新的開關量信號分析方法和一種便攜式多路開關量信號檢測儀。

1 新型的開關量信號分析

多路開關量檢測是要實現(xiàn)開關量信號的實時采集、檢測與存儲，其檢測到的數字化單路開關量信號可以抽象為圖1所示信號。圖1所示的開關量信號主要有以下重要參數：

(1)信號狀態(tài)，有高、低電平2種狀態(tài)，數字化后對應著“1”和“0”狀態(tài)；

(2)跳變和跳變時間，當開關量信號由“0”轉換為“1”或者由“1”轉換為“0”時，即發(fā)生跳變，稱為上跳或下跳，其對應時刻分別為上跳時間和下跳時間；

(3)脈寬和有效脈寬，開關量保持“1”或者“0”的時間，其值為相鄰的2個跳變時間的差值，有效脈寬是指最小允許的脈寬；

(4)抖動，開關量在發(fā)生時或在傳輸受到外部干擾時可能發(fā)生電平翻轉現(xiàn)象即抖動，其特征是翻轉后維持時間小于有效脈寬；

(5)幅值，即高、低電平的電壓差。

圖1 數字化開關量信號

在開關量信號采集和檢測過程中，需要解決以下問題。

(1)信號采集與存儲問題。開關量信號僅有高、低電平2種狀態(tài)，在幅度信息不計的情況下可以不使用AD而用I/O接口直接讀取“0”、“1”狀態(tài)進行采集。同時為節(jié)省存儲空間，僅記錄每路發(fā)生跳變的時刻和狀態(tài)，后處理時可通過跳變時間和對應狀態(tài)恢復出對應的開關量信號。

(3)去抖動算法。抖動將增加跳變次數，使恢復的信號失真，必須在實際應用中進行去抖動處理，可以采用硬件去抖動和軟件去抖動相結合的方法。在兼顧計時精度和軟件去抖動有效性的基礎上可以采用有限狀態(tài)機(Finite State Machine，F(xiàn)SM)的方法進行軟件去抖動。

2 基于有限狀態(tài)機的開關量檢測算法

在開關量信號檢測算法中，為提高開關量信號檢測的精度，必須對采集的信號進行去抖動處理。目前信號去抖動處理方法主要有基于概率統(tǒng)計方法的軟件去抖動方法[1]、延時去抖動算法等。延時去抖動算法實際上是通過延時避過抖動進行信號檢測的方法，用于已知抖動產生規(guī)律的情況下，如按鍵去抖動算法?；诟怕式y(tǒng)計方法去抖動是在一定長時間T內對采集的開關量信號的高低狀態(tài)進行概率計算，并與設置的抖動閾值相比較確定是否發(fā)生抖動并進行去抖動處理。閾值選擇不同，可以得到不同的去抖動效果。為了更高精度的進行開關量信號的檢測，文中提出一種具有去抖動功能的基于有限狀態(tài)機的開關量檢測算法。

根據開關量信號檢測要求確定有限狀態(tài)機是一個三元組M={S，X，δ}，其中S是M中包含的狀態(tài)集，包括初始狀態(tài)(高或低電平)及其他信號檢測過渡狀態(tài)。X為非空的輸入集，即每次采樣到的“0”和“1”，這些量激勵著狀態(tài)機發(fā)生狀態(tài)轉移。δ為狀態(tài)轉移函數，表示信號狀態(tài)si(si∈S)時獲取輸入xi(xi∈X)后，轉移到下一個狀態(tài)sj(sj∈S)[3-6]。

過渡狀態(tài)的有限狀態(tài)機轉移圖。當取X=0．1 ms，Pe=20 μs時，F(xiàn)s=50 kHz，則具有N=8種中間過渡狀態(tài)，可建立如圖2所示的有限狀態(tài)圖。當連續(xù)采集到5個“1”時確認開關量信號由低電平(S_0)跳變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)(S_1)；當連續(xù)采集到5個“0”時，確認開關量信號由高電平狀態(tài)(S_1)跳變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)(S_0)。在采樣率為50 kHz的前提下，僅當5個連續(xù)的同樣輸入才能確認一種穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證有效脈寬精度為0．1 ms和計時精度為20 μs.當有效脈寬增加時(以1ms為例)，在保證計時精度為20 μs的基礎上，對采樣樣本進行抽樣處理(該例每10個樣本抽取1個樣本)，保證采用圖2所示的有限狀態(tài)機工作方式。在高精度記錄高低電平跳變的計時信息后，可以在大幅度降低開關量信號存儲空間的基礎上，高精度的記錄開關量信號狀態(tài)。

圖2 開關量檢測有限狀態(tài)機

3 便攜式多路開關量信號檢測儀設計

采用新型開關量信號檢測方法的便攜式多路開關量信號檢測儀主要由兩部分構成：作為下位機的多路開關量信號檢測板卡；作為上位機的計算機。根據小型化需求上位機采用單板計算機，而下位機采用PC104Plus接口與上位機互聯(lián)并采用PCI協(xié)議通信。

3．1多路開關量信號檢測板卡硬件設計

根據新型多路開關量信號檢測方法的分析，采用圖3所示的硬件原理框圖實現(xiàn)基于FSM的多路開關信號采集。

如圖3所示，板卡硬件主要由以下幾個模塊構成，各個模塊協(xié)同工作實現(xiàn)多路開關量信號的采集和檢測功能。

圖3 多路開關量信號檢測板卡硬件設計框圖

3.1.1 信號輸入模塊

信號輸入模塊主要由信號輸入接口、信號調理模塊和信號隔離模塊構成。其中信號調理模塊用于將輸入開關量信號進行調幅，使其符合信號隔離模塊的輸入范圍，并對開關量信號進行硬件去抖動，有助于提高系統(tǒng)的抗干擾能力。信號隔離模塊用于隔離前、后端信號，使得兩者之間互不影響，同時保護后端電路。文中采用高速光耦器件來實現(xiàn)前后端信號的隔離，同時保證后續(xù)檢測的精度。

3.1.2 處理器模塊

多路開關量信號檢測板卡選用TMS320VC5416 DSP作為處理器，通過通用IO接口采集光耦輸出的開關量信號并進行信號跳變檢測，并將檢測到的跳變信息存儲到片內的RAM中。

3.1.3 PCI協(xié)議轉換模塊

為了實現(xiàn)多路開關量信號檢測儀的便攜化處理，多路開關量信號檢測板卡采用PC104Plus接口與單板計算機互聯(lián)，通過PCI協(xié)議進行通信[7-8]。由于TMS320VC5416 DSP不直接支持PCI總線接口，在應用中選擇PCI2040作為PCI橋接芯片，將TMS320VC5416的HPI接口訪問和PCI接口訪問進行轉換。當上層應用程序通過PCI協(xié)議發(fā)送讀寫請求時，PCI2040會將PCI協(xié)議轉換為HPI協(xié)議，實現(xiàn)對DSP內部存儲資源的訪問。

3.1.4 PC104Plus接口

PC104Plus接口是目前單板計算機提供的一種具有高可靠的電器和機械特性的接口，其電氣規(guī)范采用PCI2．1標準，支持32bit/33 MHz的總線操作，最多可以連接4個支持PCI協(xié)議的板卡設備[9]。

3．2 多路開關量檢測儀軟件設計

便攜式多路開關量檢測板卡軟件設計主要包括三方面：板卡DSP程序設計、板卡驅動程序設計和上層應用程序設計。

3．2．1 板卡DSP程序設計

板卡DSP程序主要完成工作狀態(tài)配置功能、開關量信號采集功能、基于有限狀態(tài)機的跳變檢測功能、跳變信息存儲和傳輸等功能。

為提高多路開關量檢測儀的靈活性，工作狀態(tài)配置功能采用配置寄存器對板卡工作方式和工作狀態(tài)進行配置，包括有效脈寬設置、延時啟動設置、工作方式(中斷模式和查詢模式)選擇、啟動或停止采集等功能。當選擇啟動采集功能后，DSP程序通過GPIO接口進行多路開關量信號的實時采集，并調用基于有限狀態(tài)機的跳變檢測方法，根據有效脈寬設置檢測開關量信號是否發(fā)生跳變。當發(fā)生跳變時，DSP存儲當前各路的狀態(tài)和跳變標志信息，并對緩存的跳變信息進行計數。如果系統(tǒng)配置為中斷工作模式，將立刻通過HPI接口發(fā)送中斷，通知板卡驅動實時讀取緩存的跳變信息。當選擇停止采集功能時，DSP程序將停止開關量信號檢測工作，進入低功耗狀態(tài)，等待HPI中斷喚醒。

3．2．2 板卡設備驅動設計

設備驅動程序是計算機系統(tǒng)識別和訪問硬件設備的軟件接口，其設備驅動程序直接影響整個便攜式多路開關量信號檢測儀的信號檢測性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。為降低設備驅動程序設計難度并增強設備驅動程序的魯棒性，微軟公司為Windows系統(tǒng)提供一種WDF(Windows Driver Foundation)開發(fā)包，在原WDM(Windows Driver Model)的基礎上隔離了設備驅動程序和操作系統(tǒng)內核，降低了設備驅動程序對內核的影響，提高驅動的穩(wěn)定性[10]。WDF提供2種驅動設計框架：KMDF(內核模式驅動程序框架)和UMDF(用戶模式驅動程序框架)。多路開關量信號檢測板卡采用KMDF框架進行設計，主要實現(xiàn)板卡設備的即插即用管理、板卡中斷服務、讀寫板卡存儲器和上層應用程序通信等功能，采用圖4所示的流程進行應用處理。

圖4 驅動主要工作流程

如圖4所示，驅動初始化后，等待響應上層應用程序IO請求并為下層板卡提供中斷服務。上層應用程序利用IO請求可以完成板卡和驅動工作狀態(tài)初始化、板卡和驅動復位、跳變信息讀取等功能。當上層應用程序啟動采集功能后，板卡檢測到跳變狀態(tài)將實時存儲跳變信息并向驅動發(fā)送中斷請求。驅動實時響應板卡的中斷請求，調用相應的中斷服務程序將跳變信息讀取并存入驅動的數據緩沖區(qū)，采用事件中斷的方式通知上層程序實時讀取緩存的跳變信息。由于中斷服務程序運行在IRQL(Interrupt Request Level，中斷請求級別)中的DIRQL級別，因此中斷服務程序要盡可能簡短，實際應用中，中斷服務程序調用DPC程序(延遲過程調用程序)進行跳變信息的讀取，DPC程序運行在相對較低的DISPATCH_LEVEL的IRQL級別。

3．2．3 檢測儀的上層應用程序設計

便攜式多路開關量檢測儀的上層應用程序主要采用Windows API函數對驅動進行訪問，實現(xiàn)上位機和下位機的協(xié)同工作，主要具有以下幾個功能：

(1) 枚舉板卡功能。采用PC104Plus接口的便攜式多路開關量檢測儀最多可以同時連接4個PCI設備，應用程序首先要對板卡設備進行枚舉，確定有幾塊板卡連接進入系統(tǒng)。

(2) 板卡HPI Boot(自舉)和配置功能。為節(jié)省多路開關量檢測板卡成本，以TMS320VC5416 DSP作為CPU的板卡選用DSP的HPI 自舉方式，解決DSP程序永久存儲和高速運行的矛盾。應用程序枚舉板卡后將存儲于上位機中的DSP程序下載到DSP的程序空間實現(xiàn)DSP的HPI自舉。在板卡程序自舉成功后，應用程序根據用戶需求配置板卡，在啟動檢測時，使板卡按用戶需求工作。

(3) 開關量信號信息獲取和顯示功能。在多路開關量檢測工作狀態(tài)下，應用程序可以采用主動和被動2種方式獲取板卡檢測到的開關量跳變信息。主動方式，又稱查詢模式，是指應用程序周期性查詢板卡并讀取板卡中跳變信息緩沖區(qū)新的跳變數據，存儲數據并更新顯示界面上的多路開關量信號狀態(tài)。被動方式(中斷工作模式)下，應用程序采用同步事件(Event)實現(xiàn)與驅動的DPC線程同步。當板卡檢測到一路或多路開關量信號發(fā)生跳變時，存儲對應跳變信息并向驅動發(fā)送硬件中斷。驅動的中斷服務程序調用DPC程序讀取跳變信息后將約定的同步事件置為信號態(tài)。應用程序處理線程在監(jiān)測到該同步事件的信號態(tài)有效后，從驅動中讀回對應的跳變信息，存儲數據和更新顯示界面。

(4) 板卡調試功能。板卡調試功能主要用于板卡工作狀態(tài)的調試和校準，是便攜式多路開關量檢測儀的輔助功能。

4 便攜式多路開關量信號檢測儀應用實例

該檢測儀采用50 kHz采樣率可以識別最小有效脈寬為0．1 ms的開關量信號。在最終儀器上將采用觸摸屏和液晶屏代替鍵盤、鼠標和顯示器，實現(xiàn)便攜化。原型機采用PC104Plus接口的單板計算機，一共連接3塊多路開關量檢測板卡。啟動應用程序，先對板卡工作狀態(tài)進行用戶配置，支持被動和主動2種工作方式進行多路開關量信號檢測，并采用字符方式對各路開關量信號的實時跳變信息進行顯示。圖5中的便攜式多路開關量信號檢測儀的原型機經長時間測試，可以高精度地進行多路開關量的采集和顯示，測試結果穩(wěn)定。以采集開關閉合時電信號為例，表1中數據表明在不同的有效脈寬設置下采用FSM方法檢測跳變的結果存在差異。有效脈寬較大時，開關閉合時的抖動信號被濾除；當有效脈寬設置為0．1 ms時，恢復出的開關量信號完全匹配示波器捕捉的開關閉合時的電信號抖動情況，跳變計時精度達到20 μs，達到系統(tǒng)預設目標。

表1 開關閉合時電信號跳變檢測結果

5 結束語

采用基于FSM的開關量信號檢測和記錄方法，可以通過配置有效脈寬的方法在保證開關量信號波形精度的基礎上去除抖動信號，達到開關量信號跳變檢測的目的。利用TMS320VC5416 DSP為核心處理器設計的多路開關量信號檢測板卡采用PC104Plus接口與單板計算機互聯(lián)，可以構成一個便攜式的多路開關量信號檢測儀。該檢測儀可以實時檢測多路開關量信號的工作狀態(tài)，并將檢測結果顯示在程序顯示界面上，其原型機經長時測試，工作穩(wěn)定。當采用50 kHz采樣率的情況下計時精度達到20 μs，可以識別0．1 ms有效脈寬的開關量信號。

參考文獻：

[1] 鄭來波，李泰強．多路高速開關信號采集中的一種軟件消抖算法．山東工業(yè)大學學報，2002，32(1)：48-51.

[2] 鄭來波，張有志．雙機熱備份高動作順序分辨率多路開關量采集系統(tǒng)．山東大學學報(工學版)，2002，32(2)：181-184.

[3] 唐飛，查長禮．基于有限狀態(tài)機的STM32系統(tǒng)按鍵識別方法．長春工業(yè)大學學報(自然科學版)，2013，34(2)：160-164.

[4] 包健，魏麗娜，趙建勇．基于有限狀態(tài)機的電梯控制系統(tǒng)故障診斷方法．計算機應用，2012，32(6)：1692-1695.

[5] 張宇，閔子建，袁慧梅．基于SOPC技術的AD73360采樣控制器．儀表技術與傳感器，2009(5)：66-67；93.

[6] 楊萌，ALRNAI A E A．面向多優(yōu)化目標的有限狀態(tài)機狀態(tài)分配．計算機輔助設計與圖形學學報，2013，25(2)：258-263.

[7] 陳霞．DSP與PCI總線接口設計研究．微型電腦應用，2008，24(11)：40-41.

[8] 曾湘蕓，倪衛(wèi)芳．基于PCI總線和DSP的多功能接口卡．現(xiàn)代雷達，2004，26(5)：27-30.

[9] 李健，崔劍雷，劉棟．高清晰度漏磁管道內檢測器主控系統(tǒng)的設計．傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(5)：129-131.

[10] 王雷，何羚，唐博．PXI頻譜分析儀的WDF驅動設計．儀表技術與傳感器，2012(4)：28-29.