多路信號(hào)采集測(cè)量快速響應(yīng)方法研究

王宏業(yè) 陸 星 武文超 王 雷 陳建杞 何佳謙 李成鈿

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院）

響應(yīng)時(shí)間是數(shù)字化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，反應(yīng)堆某些重要工藝設(shè)備在執(zhí)行聯(lián)鎖功能時(shí)，工藝方面對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)動(dòng)作的速度有較高要求。 因此，單從儀控角度來(lái)講，盡可能縮短控制回路在整個(gè)聯(lián)鎖過程中的耗時(shí)是亟需解決的關(guān)鍵問題。 接收并處理現(xiàn)場(chǎng)一次儀表信號(hào)，對(duì)反應(yīng)堆工況進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、超閾值判斷及邏輯符合運(yùn)算等，最后輸出相關(guān)動(dòng)作指令至電氣系統(tǒng)以控制相應(yīng)設(shè)備，將這個(gè)過程需要的時(shí)間定義為該控制回路的響應(yīng)時(shí)間［1，2］。 一般情況下，控制回路對(duì)單路信號(hào)輸入輸出的響應(yīng)時(shí)間較短；而對(duì)于多路信號(hào)采集，往往由于數(shù)據(jù)處理和函數(shù)運(yùn)算更為復(fù)雜，導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

現(xiàn)有主流技術(shù)主要是通過提高硬件指標(biāo)或改善軟件策略兩種方法實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的快速響應(yīng)，但對(duì)于已知確定的系統(tǒng)而言，從硬件上改進(jìn)可行性不大，而且會(huì)增加成本。因此，筆者在自主搭建的控制回路試驗(yàn)裝置上，以高溫高壓工況需進(jìn)行溫壓補(bǔ)償?shù)牧髁繙y(cè)量為例展開研究［3，4］，改進(jìn)軟件算法策略，以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)采集測(cè)量的快速響應(yīng)。

1 常規(guī)方法測(cè)試分析

1.1 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試原理

響應(yīng)時(shí)間測(cè)試原理如圖1所示，控制回路初始狀態(tài)處于輸入、輸出狀態(tài)均無(wú)變化的穩(wěn)態(tài)，當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生階躍變化時(shí)（記為T0），該輸入經(jīng)控制回路各單元處理后的輸出信號(hào)也發(fā)生相應(yīng)的變化（記為T1），該系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間ΔT=T1-T0［5］。 因此，測(cè)試該控制回路響應(yīng)時(shí)間的關(guān)鍵在于記錄輸出變化時(shí)刻T1和引起該輸出變化的輸入變化時(shí)刻T0。

圖1 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試原理

1.2 試驗(yàn)裝置搭建及軟硬件分析

高溫高壓工況下， 必須考慮溫度和壓力對(duì)流體密度的影響，并進(jìn)行修正與補(bǔ)償，即為獲得流量真值，需將相關(guān)多路模擬信號(hào)同時(shí)輸入控制回路進(jìn)行處理，直至輸出觸點(diǎn)信號(hào)，此為響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試范圍，如圖2所示，其中T01～T03分別為模擬信號(hào)輸入1～3發(fā)生變化的時(shí)刻。

圖2 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試范圍示意圖

以示波器CH1通道接收3路輸入信號(hào)均發(fā)生階躍跳變的最大時(shí)刻作為響應(yīng)時(shí)間的起點(diǎn)時(shí)刻T0， 以示波器CH2通道接收觸點(diǎn)輸出電平發(fā)生跳變的時(shí)刻作為響應(yīng)時(shí)間的終點(diǎn)時(shí)刻T1， 由1.1節(jié)知，T1與T0的差值ΔT即為該控制回路的響應(yīng)時(shí)間。

1.2.1 硬件構(gòu)成分析

根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試范圍，自主搭建控制回路數(shù)據(jù)采集處理單元進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，結(jié)構(gòu)如圖3所示， 數(shù)據(jù)采集處理單元硬件部分主要由中央處理器、采集模塊、輸出模塊、儲(chǔ)存模塊、顯示模塊、通信模塊、鍵盤模塊及網(wǎng)絡(luò)模塊等構(gòu)成。 多路模擬信號(hào)同時(shí)輸入時(shí)，首先通過模擬信號(hào)采集模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)入中央處理器按照設(shè)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算和補(bǔ)償，得到實(shí)際測(cè)量值，同時(shí)進(jìn)行邏輯符合、閾值比較、時(shí)鐘記憶、實(shí)時(shí)通信及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等其他線程，最后通過輸出模塊傳至其他設(shè)備。

圖3 數(shù)據(jù)采集處理單元硬件結(jié)構(gòu)框圖

經(jīng)分析，采集模塊的掃描速率為125 ms；中央處理器運(yùn)算周期不足1 ms；其他模塊（如儲(chǔ)存、顯示、外部通信及網(wǎng)絡(luò)等）在本次試驗(yàn)中未涉及，占用時(shí)間幾乎可忽略。 因此，從硬件構(gòu)成來(lái)看，響應(yīng)時(shí)間的瓶頸在于采集模塊，主要受硬件本身限制。

1.2.2 軟件算法分析

對(duì)于試驗(yàn)裝置的算法策略，多路信號(hào)采集測(cè)量為主線程，主要包括信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理。

1.2.2.1 信號(hào)采集算法策略

數(shù)據(jù)采集處理單元的模擬信號(hào)采集模塊內(nèi)設(shè)2塊相互獨(dú)立的A/D采集卡， 每塊采集卡支持8通道輸入，通道間相互獨(dú)立，采樣周期125 ms，輪詢方式采集。 其中單個(gè)A/D采集卡的采樣算法流程如圖4所示。

圖4 單個(gè)A/D采集卡的采樣算法流程

首先對(duì)第1通道信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)分壓、濾波及放大等數(shù)據(jù)處理后，由采集電路完成模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換， 經(jīng)卡件內(nèi)部處理器處理后，以輪詢方式切換至對(duì)下一通道信號(hào)的處理。

1.2.2.2 數(shù)據(jù)處理算法策略

A/D采集卡對(duì)輸入信號(hào)采集完成后， 由中央處理器（CPU）控制獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。 CPU采用分時(shí)處理技術(shù)， 即把CPU的運(yùn)行時(shí)間分成很短的時(shí)間片，按時(shí)間片把CPU分配給各個(gè)線程（如數(shù)據(jù)獲取、復(fù)雜函數(shù)運(yùn)算、時(shí)鐘記憶、通信顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)輸出等）， 當(dāng)某個(gè)線程在為其分配的時(shí)間片內(nèi)不能完成時(shí)，則該線程暫時(shí)中斷，其他線程以調(diào)度輪轉(zhuǎn)的方式被處理。 CPU調(diào)度執(zhí)行算法流程如圖5所示。

圖5 CPU調(diào)度執(zhí)行算法流程

對(duì)于采集卡數(shù)據(jù)獲取線程， 首先讀取1#采集卡數(shù)據(jù)， 按照設(shè)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，并進(jìn)行閾值比較、邏輯控制等，最后執(zhí)行輸出后，以輪詢方式切換至對(duì)2#采集卡數(shù)據(jù)的獲取與處理。

1.3 常規(guī)方法測(cè)試結(jié)果

利用自主搭建的試驗(yàn)裝置，模擬高溫高壓工況下流量信號(hào)測(cè)量環(huán)境，對(duì)流量信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行多次測(cè)量，得到的測(cè)試結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 流量信號(hào)響應(yīng)時(shí)間隨機(jī)測(cè)試結(jié)果

從圖7可以看出，3路信號(hào)同時(shí)輸入控制回路時(shí)，流量信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間存在不確定性，且波動(dòng)范圍較大，最小響應(yīng)時(shí)間113.9 ms，最大響應(yīng)時(shí)間323.8 ms，平均響應(yīng)時(shí)間223.5 ms。

圖7 流量信號(hào)重復(fù)性測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 改進(jìn)方法測(cè)試分析

為提高多路信號(hào)采集測(cè)量的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)1.2節(jié)搭建的測(cè)試裝置軟件算法策略進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出改進(jìn)方法。

2.1 響應(yīng)時(shí)間組成分析

由1.2.2節(jié)分析可知， 對(duì)于多路模擬信號(hào)輸入、單路開關(guān)量輸出情況，數(shù)據(jù)采集處理單元的響應(yīng)時(shí)間t主要分為兩部分（圖8）：輸入信號(hào)處理和通信時(shí)間（信號(hào)采集算法），記為t1；應(yīng)用程序在CPU中執(zhí)行時(shí)間（數(shù)據(jù)處理算法），記為t2；則有t=t1+t2［6］。

圖8 響應(yīng)時(shí)間各部分組成示意圖

輸入信號(hào)處理和通信時(shí)間t1包括A/D采集卡的處理時(shí)間（輸入濾波、放大、采樣時(shí)間）和I/O總線通信時(shí)間， 采集卡的處理時(shí)間由生產(chǎn)廠家決定，I/O總線通信采用循環(huán)掃描方式， 其掃描時(shí)間取決于采集模塊的數(shù)量和單模塊的處理時(shí)間。 在評(píng)價(jià)總線通信的最大響應(yīng)時(shí)間時(shí)，需考慮某個(gè)通道剛好錯(cuò)過1個(gè)輪詢掃描周期的情況。

應(yīng)用程序在CPU中執(zhí)行時(shí)間t2包括輸入、運(yùn)算、自診斷、輸出及時(shí)鐘記憶等多個(gè)階段，一般采用固定周期掃描方式對(duì)多個(gè)A/D采集卡及其他模塊分時(shí)處理。此外，由于CPU在短時(shí)間內(nèi)需分時(shí)處理多個(gè)線程，存在采集卡數(shù)據(jù)獲取線程被其他線程（如通信、存儲(chǔ)等）中斷的情況。

2.2 改進(jìn)方法

根據(jù)上述分析可知，數(shù)據(jù)采集處理單元響應(yīng)時(shí)間的影響因素在于3點(diǎn)：

a. A/D采集卡的輸入通道較多，I/O總線以輪詢方式進(jìn)行處理時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速采集，存在采集通道錯(cuò)過輪詢掃描周期的可能；

b. CPU采用分時(shí)處理技術(shù)對(duì)采集卡數(shù)據(jù)獲取等多線程進(jìn)行通信控制，數(shù)據(jù)獲取線程的頻次較低，存在采集卡錯(cuò)過輪詢掃描周期的可能；

c. CPU在短時(shí)間內(nèi)需分時(shí)處理多個(gè)線程，存在采集卡數(shù)據(jù)獲取線程被其他線程 （如通信、儲(chǔ)存等）中斷的情況。

改進(jìn)后的軟件算法策略如圖9所示， 可以看出， 算法犧牲2#采集卡，CPU只對(duì)1#采集卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 相當(dāng)于在相同的時(shí)間片內(nèi)提高對(duì)1#采集卡的處理頻次；同時(shí)根據(jù)多信號(hào)輸入的數(shù)量關(guān)閉1#采集卡內(nèi)多余的通道，減少輪詢等待時(shí)間；將采集卡數(shù)據(jù)獲取線程設(shè)為CPU處理最高優(yōu)先級(jí)，同時(shí)在執(zhí)行這一進(jìn)程時(shí)，為避免被其他線程頻繁中斷和降低CPU運(yùn)行負(fù)荷， 關(guān)閉其他不必要的輔助線程。

圖9 改進(jìn)后的CPU調(diào)度執(zhí)行算法流程

2.3 改進(jìn)方法測(cè)試結(jié)果

用改進(jìn)方法對(duì)流量信號(hào)的階躍變化響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，結(jié)果如圖10、11所示。

圖10 流量信號(hào)響應(yīng)時(shí)間隨機(jī)測(cè)試結(jié)果

從圖11可以看出，改進(jìn)軟件算法策略后，3路信號(hào)同時(shí)輸入控制回路時(shí)，流量信號(hào)的最小響應(yīng)時(shí)間91.1 ms，最大響應(yīng)時(shí)間191.7 ms，平均響應(yīng)時(shí)間141.5 ms。 相比常規(guī)方法測(cè)得的響應(yīng)時(shí)間有很大改善。

圖11 流量信號(hào)重復(fù)性測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 算法改進(jìn)前后對(duì)比

為進(jìn)一步分析改進(jìn)方法的有效性， 對(duì)常規(guī)方法和改進(jìn)方法測(cè)得的50組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖12、13所示，可以看出，流量信號(hào)改進(jìn)前后的重復(fù)性測(cè)試結(jié)果均符合正態(tài)分布，紅色曲線為利用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行模型估計(jì)的結(jié)果。

圖12 常規(guī)方法流量信號(hào)測(cè)試結(jié)果

圖13 改進(jìn)方法流量信號(hào)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)正態(tài)分布的概率密度標(biāo)準(zhǔn)方程，有：

其中，f（x） 為正態(tài)分布概率密度函數(shù)，σ為正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差，μ為正態(tài)分布均值，x為采樣數(shù)據(jù)。σ改進(jìn)前為采用常規(guī)方法得出的正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差，μ改進(jìn)前為采用常規(guī)方法得出的正態(tài)分布均值，x1，…，x50為常規(guī)方法的50組采樣數(shù)據(jù)；σ改進(jìn)后為采用改進(jìn)方法得出的正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差，μ改進(jìn)后為采用改進(jìn)方法得出的正態(tài)分布均值，x1′，…，x50′為改進(jìn)方法的50組采樣數(shù)據(jù)。

采用常規(guī)方法測(cè)試， 當(dāng)置信度為95%時(shí)，μ為223.5 ms，置信區(qū)間為［208.8 ms，238.1 ms］，σ為51.7 ms；采用改進(jìn)方法測(cè)試，當(dāng)置信度為95%時(shí)，μ為141.5 ms,置信區(qū)間為［135.4 ms，147.6 ms］，σ為21.6 ms。 因此，以置信度為95%的均值為計(jì)算基礎(chǔ)，采用改進(jìn)方法測(cè)得的響應(yīng)時(shí)間相比常規(guī)方法改善了36.7%，穩(wěn)定性也有明顯提高。

為驗(yàn)證該方法的適用性，采用相同方法對(duì)液位信號(hào)測(cè)量進(jìn)行測(cè)試［7］，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)試結(jié)果如圖14、15所示。

圖14 常規(guī)方法液位信號(hào)測(cè)試結(jié)果

圖15 改進(jìn)方法液位信號(hào)測(cè)試結(jié)果

采用常規(guī)方法測(cè)試，當(dāng)置信度為95%時(shí), μ為239.3 ms，置信區(qū)間為［228.5 ms，250.0 ms］，σ為37.8 ms；采用改進(jìn)方法測(cè)試，當(dāng)置信度為95%時(shí)，μ為130.1 ms，置信區(qū)間為［123.4 ms，136.9 ms］，σ為23.8 ms。 因此，以置信度為95%的均值為計(jì)算基礎(chǔ)，采用改進(jìn)方法測(cè)得的響應(yīng)時(shí)間相比常規(guī)方法改善了45.6%，穩(wěn)定性也有明顯提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

自主搭建控制回路試驗(yàn)裝置，以高溫高壓工況下流量信號(hào)測(cè)量為例展開研究，從軟件算法策略上提出改進(jìn)方法， 并與常規(guī)方法進(jìn)行對(duì)比，采用改進(jìn)方法測(cè)得的多路信號(hào)采集測(cè)量時(shí)的響應(yīng)時(shí)間明顯改善，流量信號(hào)的均值響應(yīng)時(shí)間提高了36.7%， 液位信號(hào)的均值響應(yīng)時(shí)間提高了45.6%，且測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性也有明顯提高。 筆者提出的軟件算法改進(jìn)策略具有普適性，可應(yīng)用到對(duì)響應(yīng)時(shí)間有特殊要求的工程測(cè)試中，為實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制系統(tǒng)快速測(cè)量提供了一種解決思路。