多路信號采集測量快速響應方法研究

王宏業 陸 星 武文超 王 雷 陳建杞 何佳謙 李成鈿

（中國核動力研究設計院）

響應時間是數字化控制系統的關鍵性能指標，反應堆某些重要工藝設備在執行聯鎖功能時，工藝方面對系統響應動作的速度有較高要求。 因此，單從儀控角度來講，盡可能縮短控制回路在整個聯鎖過程中的耗時是亟需解決的關鍵問題。 接收并處理現場一次儀表信號，對反應堆工況進行狀態監測、超閾值判斷及邏輯符合運算等，最后輸出相關動作指令至電氣系統以控制相應設備，將這個過程需要的時間定義為該控制回路的響應時間［1，2］。 一般情況下，控制回路對單路信號輸入輸出的響應時間較短；而對于多路信號采集，往往由于數據處理和函數運算更為復雜，導致響應時間較長。

現有主流技術主要是通過提高硬件指標或改善軟件策略兩種方法實現多路信號的快速響應，但對于已知確定的系統而言，從硬件上改進可行性不大，而且會增加成本。因此，筆者在自主搭建的控制回路試驗裝置上，以高溫高壓工況需進行溫壓補償的流量測量為例展開研究［3，4］，改進軟件算法策略，以實現多路信號采集測量的快速響應。

1 常規方法測試分析

1.1 響應時間測試原理

響應時間測試原理如圖1所示，控制回路初始狀態處于輸入、輸出狀態均無變化的穩態，當輸入信號發生階躍變化時（記為T0），該輸入經控制回路各單元處理后的輸出信號也發生相應的變化（記為T1），該系統的響應時間ΔT=T1-T0［5］。 因此，測試該控制回路響應時間的關鍵在于記錄輸出變化時刻T1和引起該輸出變化的輸入變化時刻T0。

圖1 響應時間測試原理

1.2 試驗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流體密度的影響，并進行修正與補償，即為獲得流量真值，需將相關多路模擬信號同時輸入控制回路進行處理，直至輸出觸點信號，此為響應時間的測試范圍，如圖2所示，其中T01～T03分別為模擬信號輸入1～3發生變化的時刻。

圖2 響應時間測試范圍示意圖

以示波器CH1通道接收3路輸入信號均發生階躍跳變的最大時刻作為響應時間的起點時刻T0， 以示波器CH2通道接收觸點輸出電平發生跳變的時刻作為響應時間的終點時刻T1， 由1.1節知，T1與T0的差值ΔT即為該控制回路的響應時間。

1.2.1 硬件構成分析

根據響應時間的測試范圍，自主搭建控制回路數據采集處理單元進行響應時間測試，結構如圖3所示， 數據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、儲存模塊、顯示模塊、通信模塊、鍵盤模塊及網絡模塊等構成。 多路模擬信號同時輸入時，首先通過模擬信號采集模塊將模擬信號轉換為數字量，進入中央處理器按照設定的數學模型進行實時運算和補償，得到實際測量值，同時進行邏輯符合、閾值比較、時鐘記憶、實時通信及數據存儲等其他線程，最后通過輸出模塊傳至其他設備。

圖3 數據采集處理單元硬件結構框圖

經分析，采集模塊的掃描速率為125 ms；中央處理器運算周期不足1 ms；其他模塊（如儲存、顯示、外部通信及網絡等）在本次試驗中未涉及，占用時間幾乎可忽略。 因此，從硬件構成來看，響應時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

對于試驗裝置的算法策略，多路信號采集測量為主線程，主要包括信號采集和數據處理。

1.2.2.1 信號采集算法策略

數據采集處理單元的模擬信號采集模塊內設2塊相互獨立的A/D采集卡， 每塊采集卡支持8通道輸入，通道間相互獨立，采樣周期125 ms，輪詢方式采集。 其中單個A/D采集卡的采樣算法流程如圖4所示。

圖4 單個A/D采集卡的采樣算法流程

首先對第1通道信號進行采樣，經分壓、濾波及放大等數據處理后，由采集電路完成模擬信號與數字信號的轉換， 經卡件內部處理器處理后，以輪詢方式切換至對下一通道信號的處理。

1.2.2.2 數據處理算法策略

A/D采集卡對輸入信號采集完成后， 由中央處理器（CPU）控制獲取數據并進行處理。 CPU采用分時處理技術， 即把CPU的運行時間分成很短的時間片，按時間片把CPU分配給各個線程（如數據獲取、復雜函數運算、時鐘記憶、通信顯示、存儲及數據輸出等）， 當某個線程在為其分配的時間片內不能完成時，則該線程暫時中斷，其他線程以調度輪轉的方式被處理。 CPU調度執行算法流程如圖5所示。

圖5 CPU調度執行算法流程

對于采集卡數據獲取線程， 首先讀取1#采集卡數據， 按照設定的數學模型進行實時運算，并進行閾值比較、邏輯控制等，最后執行輸出后，以輪詢方式切換至對2#采集卡數據的獲取與處理。

1.3 常規方法測試結果

利用自主搭建的試驗裝置，模擬高溫高壓工況下流量信號測量環境，對流量信號的響應時間進行多次測量，得到的測試結果如圖6、7所示。

圖6 流量信號響應時間隨機測試結果

從圖7可以看出，3路信號同時輸入控制回路時，流量信號的響應時間存在不確定性，且波動范圍較大，最小響應時間113.9 ms，最大響應時間323.8 ms，平均響應時間223.5 ms。

圖7 流量信號重復性測試統計結果

2 改進方法測試分析

為提高多路信號采集測量的響應時間，對1.2節搭建的測試裝置軟件算法策略進行詳細分析，并提出改進方法。

2.1 響應時間組成分析

由1.2.2節分析可知， 對于多路模擬信號輸入、單路開關量輸出情況，數據采集處理單元的響應時間t主要分為兩部分（圖8）：輸入信號處理和通信時間（信號采集算法），記為t1；應用程序在CPU中執行時間（數據處理算法），記為t2；則有t=t1+t2［6］。

圖8 響應時間各部分組成示意圖

輸入信號處理和通信時間t1包括A/D采集卡的處理時間（輸入濾波、放大、采樣時間）和I/O總線通信時間， 采集卡的處理時間由生產廠家決定，I/O總線通信采用循環掃描方式， 其掃描時間取決于采集模塊的數量和單模塊的處理時間。 在評價總線通信的最大響應時間時，需考慮某個通道剛好錯過1個輪詢掃描周期的情況。

應用程序在CPU中執行時間t2包括輸入、運算、自診斷、輸出及時鐘記憶等多個階段，一般采用固定周期掃描方式對多個A/D采集卡及其他模塊分時處理。此外，由于CPU在短時間內需分時處理多個線程，存在采集卡數據獲取線程被其他線程（如通信、存儲等）中斷的情況。

2.2 改進方法

根據上述分析可知，數據采集處理單元響應時間的影響因素在于3點：

a. A/D采集卡的輸入通道較多，I/O總線以輪詢方式進行處理時無法實現高速采集，存在采集通道錯過輪詢掃描周期的可能；

b. CPU采用分時處理技術對采集卡數據獲取等多線程進行通信控制，數據獲取線程的頻次較低，存在采集卡錯過輪詢掃描周期的可能；

c. CPU在短時間內需分時處理多個線程，存在采集卡數據獲取線程被其他線程 （如通信、儲存等）中斷的情況。

改進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1#采集卡的數據進行處理， 相當于在相同的時間片內提高對1#采集卡的處理頻次；同時根據多信號輸入的數量關閉1#采集卡內多余的通道，減少輪詢等待時間；將采集卡數據獲取線程設為CPU處理最高優先級，同時在執行這一進程時，為避免被其他線程頻繁中斷和降低CPU運行負荷， 關閉其他不必要的輔助線程。

圖9 改進后的CPU調度執行算法流程

2.3 改進方法測試結果

用改進方法對流量信號的階躍變化響應時間進行重復性測試，結果如圖10、11所示。

圖10 流量信號響應時間隨機測試結果

從圖11可以看出，改進軟件算法策略后，3路信號同時輸入控制回路時，流量信號的最小響應時間91.1 ms，最大響應時間191.7 ms，平均響應時間141.5 ms。 相比常規方法測得的響應時間有很大改善。

圖11 流量信號重復性測試統計結果

3 算法改進前后對比

為進一步分析改進方法的有效性， 對常規方法和改進方法測得的50組數據進行統計分析，結果如圖12、13所示，可以看出，流量信號改進前后的重復性測試結果均符合正態分布，紅色曲線為利用統計方法對樣本數據進行模型估計的結果。

圖12 常規方法流量信號測試結果

圖13 改進方法流量信號測試結果

根據正態分布的概率密度標準方程，有：

其中，f（x） 為正態分布概率密度函數，σ為正態分布標準差，μ為正態分布均值，x為采樣數據。σ改進前為采用常規方法得出的正態分布標準差，μ改進前為采用常規方法得出的正態分布均值，x1，…，x50為常規方法的50組采樣數據；σ改進后為采用改進方法得出的正態分布標準差，μ改進后為采用改進方法得出的正態分布均值，x1′，…，x50′為改進方法的50組采樣數據。

采用常規方法測試， 當置信度為95%時，μ為223.5 ms，置信區間為［208.8 ms，238.1 ms］，σ為51.7 ms；采用改進方法測試，當置信度為95%時，μ為141.5 ms,置信區間為［135.4 ms，147.6 ms］，σ為21.6 ms。 因此，以置信度為95%的均值為計算基礎，采用改進方法測得的響應時間相比常規方法改善了36.7%，穩定性也有明顯提高。

為驗證該方法的適用性，采用相同方法對液位信號測量進行測試［7］，并進行統計分析，測試結果如圖14、15所示。

圖14 常規方法液位信號測試結果

圖15 改進方法液位信號測試結果

采用常規方法測試，當置信度為95%時, μ為239.3 ms，置信區間為［228.5 ms，250.0 ms］，σ為37.8 ms；采用改進方法測試，當置信度為95%時，μ為130.1 ms，置信區間為［123.4 ms，136.9 ms］，σ為23.8 ms。 因此，以置信度為95%的均值為計算基礎，采用改進方法測得的響應時間相比常規方法改善了45.6%，穩定性也有明顯提高。

4 結束語

自主搭建控制回路試驗裝置，以高溫高壓工況下流量信號測量為例展開研究，從軟件算法策略上提出改進方法， 并與常規方法進行對比，采用改進方法測得的多路信號采集測量時的響應時間明顯改善，流量信號的均值響應時間提高了36.7%， 液位信號的均值響應時間提高了45.6%，且測試結果穩定性也有明顯提高。 筆者提出的軟件算法改進策略具有普適性，可應用到對響應時間有特殊要求的工程測試中，為實現相關控制系統快速測量提供了一種解決思路。