CN109560831A - 一种高可靠开关量数据采集与处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高可靠开关量数据采集与处理装置，该装置包括开关量采集电路、开关量调理电路、微控制器、通信接口转换电路，开关量采集电路、微控制器和通信接口转换电路，形成近端支路，用于近端开关量采集和发送；通信接口转换电路、微控制器和开关调理电路，形成远端支路，用于远端开关量接收和控制。本发明对外部输入信号采用硬件滤波和软件滤波相结合的方式，提高了数据采集的可靠性；对采集的开关量数据进行信源编码，增加了数据冗余，提高了数据传输的可靠性；对重要的开关量数据采用双通道多触电继电器实现，增加了数据输出的可靠性。

Description

一种高可靠开关量数据采集与处理装置

技术领域

本发明涉及一种高可靠数据采集与处理装置设计方法，属于信号处理技术领域。

背景技术

“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能。开关量，指控制继电器的接通或断开所对应的值，即“1”和“0”。开关量装置是指完成非连续信号的采集和输出的设备，包括远控采集和远控输出。一般开关量装置通过内部继电器实现开关量输出。

目前，现有的开关量通信设备一种是：提供开关量输入/输出接口和光接口，实现开关量信号的传输，及对远端受控设备的操作。开关量传输信号经过硬件限流、光电耦合器后转换成TTL电平信号，对经消抖处理后复接上光，完成电-光转换，最终以光信号的形式传输到远端。另一种是：提供开关量输入/输出接口和网络接口，将开关量信号转换为以太网可以传输的IP信息帧，与其他网络信息一起，通过交换网络传输。现有的开关量通信设备有以下缺点：

(a)海上发射工况时，无法使用有线形式的光纤传输信号，只能采用无线远控方式，因此现有的两种开关量通信设备均无法在海上工况下使用；

(b)第二种开关量通信设备是将开关量信号转换为网络信号，传输距离短，且网络数据的传输具有不可确定性，无法保证开关量信号的可靠传输。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高可靠开关量数据采集与处理装置，实现I/O开关量信号的电平调理及数据生成转换，为I/O开关量多路控制指令的海上无线传输提供支持。

本发明的技术解决方案是：一种高可靠开关量数据采集与处理装置，包括开关量采集电路、开关量调理电路、微控制器、通信接口转换电路，开关量采集电路、微控制器和通信接口转换电路，形成近端支路，用于近端开关量采集和发送；通信接口转换电路、微控制器和开关调理电路，形成远端支路，用于远端开关量接收和控制。其中：

(a)、近端支路如下：

开关量采集电路，将N路近端开关量模拟信号转换成数字信号，并输出至微控制器，N≥1；

微控制器，以轮询的方式，检测各路近端开关量数字信号的状态；对每一路近端开关量数字信号进行软滤波判决处理，将软滤波判决之后的近端开关量数值存入近端开关量数值缓冲表中；按照固定的周期和任何一路近端开关量发生变化时，从各路近端开关量缓冲区中提取各路最新的近端开关量数值，将N路近端开关量数值进行组包、信源编码、组帧处理，将近端开关量数据帧发送至通信接口转换电路；

通信接口电路，将近端开关量数据帧的每一个数据位，完成接口电平调理并输出；

(b)、远端支路如下：

通信接口电路，接收外部输入的远端开关量数据帧，将其转换成远端开关量控制信号发送给微控制器；

微控制器，接收通信接口电路输出的远端开关量数字信号，并解调成数据流，根据预设的通信协议解数据帧，恢复出数据帧中的远端开关量控制信号，并将其发送给开关量调理电路；

开关量调理电路，根据开关量的带电特性，将远端开关量控制信号调理成相应的电平后输出。

所述开关量的带电特性包括不带电和带电两种。

当近端开关量信号的带电特性为带电时，所述开关量采集电路包括电阻R12、R14、R8、二极管D8、电容C1、光耦U1，其中：

电阻R12一端连接在近端开关量模拟信号正端，另一端与光耦U1的输入端阳极连接，光耦U1的输入端阴极连接近端开关量模拟信号负端，光耦U1的输出端集电极接上拉电阻R8至电源；光耦U1的输出端发射极接地；电阻R14、二极管D8、电容C1并联连接在光耦U1的输入端阳极和输入端阴极之间，二极管D8的正极连接光耦U1的输入端阴极，负极连接光耦U1的输入端阴极，光耦U1的输出端集电极作为近端开关量数字信号输出。

当近端开关量模拟信号的带电特性为带电时，所述开关量采集电路包括电阻R13、R15、R9、二极管D9、电容C2、光耦U2，其中：

电阻R13一端连接在近端开关量模拟信号，另一端与光耦U2的输入端阳极连接，光耦U1的输入端阴极悬空，光耦U2的输出端集电极接上拉电阻R9至电源；光耦U2的输出端发射极接地，电阻R15、二极管D9、电容C2并联连接在光耦U2输入端的阳极和阴极之间；二极管D9的正极连接光耦U2输入端的阳极，二极管D9的正极连接光耦U2的输入端的阴极，光耦U1的输出端集电极作为近端开关量数字信号输出。

当远端开关量信号的带电特性为不带电时，所述开关量调理电路包括电阻R6、三极管Q3、二极管D6、继电器J1，电阻R6一端连接远端开关量控制信号JNDO_x，另一端连接三极管Q3的基极、三极管Q3的发射极接地，继电器线圈和二极管D6并联连接在三极管Q3的集电极和供电电源之间，二极管D6的正极连接至三极管Q3的集电极上，负极连接至供电电源；近端开关量模拟输出信号负端KGO_x-连接在继电器开关的常闭触点上；近端开关量模拟输出信号正端KGO_x+连接在继电器开关的常开触点上；

当远端开关量信号的带电特性为带电时，所述开关量调理电路包括电阻R4、三极管Q1、二极管D5、继电器J2，电阻R4一端连接远端开关量控制信号JNDO_x，另一端连接三极管Q1的基极、三极管Q1的发射极接地，继电器J2的线圈和二极管D5并联连接在三极管Q1的集电极和供电电源之间，远端开关量模拟信号KGO-D_1连接继电器J2第一开关的常闭触点、中间控制信号K1K2_MID同时连接继电器J2第一开关的常开触点和继电器J2第二开关的常闭触点，远端开关量模拟信号正端连接继电器J2的第二开关的常开触点；

当所述远端开关量信号的带电特性为带电时，所述开关量调理电路包括电阻R5、三极管Q2、二极管D4、继电器J4，电阻R5一端连接远端开关量控制信号JNDO_x，另一端连接三极管Q2的基极、三极管Q2的发射极接地，继电器J4线圈和二极管D4并联连接在三极管Q2的集电极和供电电源之间，二极管D4正极连接在三极管Q2的集电极上，近端开关量模拟输出信号KGO-D_x连接继电器开关的常闭触点、远端开关量模拟信号正端+M3连接继电器J4开关的常开触点。

当近端开关量模拟信号的带电特性为不带电时，开关量采集电路包括电阻R1、R11、R12、电容C3、光耦U3，其中：

电阻R11一端连接在远端开关量模拟信号正端，另一端与电阻R1串联后连接至远端开关量模拟信号负端，光耦U3的输入端阳极连接至远端开关量模拟信号正端，光耦U3的输入端阴极连接至电阻R11与R1之间，光耦U3的输出端集电极接上拉电阻R2至电源；光耦U3的输出端发射极接地；电阻R11、电容C3并联连接在光耦U3的输入端阳极和输入端阴极之间，光耦U3的输出端集电极作为远端开关量数字信号输出。

所述软滤波判决处理的具体方法为：以三次采集开关量模拟信号为一个滤波周期，一个滤波周期里的第二次采集与第一次采集的结果进行比对，若一致，则进行第三次采集，第三次采集结果与第二次比对，若一致，将此次采集的开关量存入近端开关量缓冲表中，若其中两次比对中，有一次不一致，那么舍弃这个滤波周期的采集结果，重新启动新的滤波周期的采集，直至采集结果一致，存入近端开关量缓冲表中。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明同时集成了近端开关量采集和发送、远端开关量接收和控制，双路针对不同的带电特性采用模块化设计方法集成了多种开关量采集电路和开关量调理电路，兼容性高、集成度高。

(2)、本发明对外部输入信号采用硬件滤波和软件滤波相结合的方式，提高了数据采集的可靠性；

(3)、本发明对采集的开关量数据进行信源编码，增加了数据冗余，提高了数据传输的可靠性；

(4)、本发明对重要的开关量数据采用双通道多触电继电器实现，增加了数据输出的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例海上发射I/O开关量无线传输系统组成；

图2为本发明实施例高可靠开关量数据采集与处理装置组成；

图3为本发明实施例带电触点第一种开关量采集电路实现电路；

图4为本发明实施例带电触点第二种开关量采集电路实现电路；

图5为本发明实施例不带电触点开关量采集电路实现电路；

图6为本发明实施例不带电触点开关量调理电路实现电路；

图7为本发明实施例带电触点第一种开关量调理电路实现电路；

图8为本发明实施例带电触点第二种开关量调理电路实现电路；

图9为本发明实施例微控制器组成；

图10为本发明实施例微控制器主流程图；

图11为本发明实施例微控制器串口中断运行流程；

图12为本发明实施例微控制器定时器中断流程；

图13为本发明实施例开关量数据采集与处理装置测试验证连接图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种海上发射I/O开关量的无线传输系统，主要由开关量数据采集与处理装置和信道传输设备组成。其中无线传输通道由宽带和超短波两个传输信道组成，实现控制系统开关量信号数据的双路冗余备份传输。开关量数据采集与处理装置可为海上发射I/O开关量的无线传输提供电平调理及数据生成转换的预处理工作，确保I/O开关量信号的有效采集、生成与转换，为实现I/O开关量的多路控制指令无线传输提供支持。

如图2所示，本发明提供了一种高可靠开关量采集与处理装置，该装置包括开关量采集电路、开关量调理电路、微控制器、通信接口转换电路，开关量采集电路、微控制器和通信接口转换电路，形成近端支路，用于近端开关量采集和发送；通信接口转换电路、微控制器和开关调理电路，形成远端支路，用于远端开关量接收和控制；其中：

(a)、近端支路如下：

开关量采集电路，将N路近端开关量模拟信号转换成数字信号，所述数字信号用高低电平表示，并输出至微控制器，N≥1；

微控制器，以轮询的方式，检测各路近端开关量数字信号的状态；对每一路近端开关量数字信号进行软滤波判决处理，将软滤波判决之后的近端开关量数值存入近端开关量数值缓冲表中；按照固定的周期和任何一路近端开关量发生变化时，从各路近端开关量缓冲区中提取各路最新的近端开关量数值，将N路近端开关量数值进行组包、信源编码、组帧处理，将近端开关量数据帧发送至通信接口转换电路；

通信接口电路，将近端开关量数据帧的每一个数据位，完成接口电平调理并输出；

(b)、远端支路如下：

通信接口电路，接收外部输入的远端开关量数据帧，将其转换成远端开关量控制信号发送给微控制器；

微控制器，接收通信接口电路输出的远端开关量数字信号，并解调成数据流，根据预设的通信协议解数据帧，恢复出数据帧中的远端开关量控制信号，并将其发送给开关量调理电路；

开关量调理电路，根据开关量的带电特性，将远端开关量控制信号调理成相应的电平后输出。

所述开关量的带电特性包括不带电和带电两种。可以根据开关量不同的带电特性选择相应的开关量调理电路和开关量采集电路。

以下结合具体实施例从设备组成、结构设计和试验验证三个方面对本发明进行详细介绍：

1、设备组成

如图2所示，为本发明的一个具体实施例。该实施例的高可靠数据采集与处理装置主要完成控制系统开关量电平调理及开关量信号与RS232通信数据的相互转换。该装置主要由单通道继电器输出电路、双通道继电器冗余输出电路、光耦双接点输入电路、光耦单接点输入电路、微控制器、RS232通信接口电路和220V交流供电转换模块及配套线缆等组成，其中单通道继电器输出电路和双通道冗余继电器输出电路属于开关量调理电路，光耦双接点输入电路和光耦单接点输入电路属于开关量采集电路。

控制系统的输出作为数据采集与处理装置的输入，由单接点或双接点光耦电路转换为微控制器I/O引脚的高低电平输入信号，完成I/O开关量信号的采集；在微控制器中运行的程序将采集的原始数据按照通信协议增加校验数据和冗余信息后，经RS232接口传输到通信控制器。通信控制器输出的数据经数据采集与处理装置RS232电路完成电平调理后，在微控制器中实现数据校验和I/O开关量控制信号的恢复，并经单通道或双通道断电器电路调理成控制系统要求的电平格式后输出到控制系统中。

控制系统供电用作与控制系统相连接输入输出信号的电源；220V交流供电输入转换的电源用作数据采集与处理装置微控制器、接口电路及输入输出控制部分的电源。

数据采集与处理装置接收通信控制器输出的RS232串口数据，经过继电器相关电路转换后，输出16路不带电信号和24路带电信号到控制系统；同时接收控制系统的14路带电输入信号，由光耦相关电路转换后，在微控制器中增强校验和冗余信号后按照协议格式要求生成RS232串口数据，然后传输到通信控制器。

结合上述具体实施例重点介绍本发明的以下三个部分：

(1)、开关量采集电路

当近端开关量信号的带电特性为带电时，可以采用两种开关量采集电路实现。

如图3所示，第一种开关量采集电路为光耦双接点输入电路，该电路包括电阻R12、R14、R8、二极管D8、电容C1、光耦U1，其中：

电阻R12一端连接在近端开关量模拟信号正端，另一端与光耦U1的输入端阳极连接，光耦U1的输入端阴极连接近端开关量模拟信号负端，光耦U1的输出端集电极接上拉电阻R8至电源；光耦U1的输出端发射极接地；电阻R14、二极管D8、电容C1并联连接在光耦U1的输入端阳极和输入端阴极之间，二极管D8的正极连接光耦U1的输入端阴极，负极连接光耦U1的输入端阴极，光耦U1的输出端集电极作为近端开关量数字信号输出。

本实施例中，当近端开关量模拟信号正端KGI-D1_x+(x＝1..6)相对于近端开关量模拟信号负端KGI-D1_x-(x＝1..6)为高电平时，光耦导通，近端开关量数字信号GDDI_x(x＝1..6)输出低电平；当近端开关量模拟信号正端KGI-D1_x+(x＝1..6)相对于近端开关量模拟信号负端KGI-D1_x-(x＝1..6)为低电平时，光耦不导通，近端开关量数字信号GDDI_x(x＝1..6)输出高电平。由于输入到微控制器的近端开关量数字信号GDDI_x与外部输入的近端开关量模拟信号正端KGI-D1_x+电平相反，因此，微控制器采用做取反运算或采用反相逻辑的编码方式，即可保证两者逻辑上的一致性。

如图4所示，第二种开关量采集电路光耦单接点输入电路，该电路包括电阻R13、R15、R9、二极管D9、电容C2、光耦U2，其中：

电阻R13一端连接在近端开关量模拟信号，另一端与光耦U2的输入端阳极连接，光耦U1的输入端阴极悬空，光耦U2的输出端集电极接上拉电阻R9至电源；光耦U2的输出端发射极接地，电阻R15、二极管D9、电容C2并联连接在光耦U2输入端的阳极和阴极之间；二极管D9的正极连接光耦U2输入端的阳极，二极管D9的正极连接光耦U2的输入端的阴极，光耦U1的输出端集电极作为近端开关量数字信号输出。

本实施例中，当外部输入的近端开关量模拟信号KGI-D2_x(x＝1..8)为高电平时，光耦导通，近端开关量数字信号GSDI_x(x＝1..8)输出低电平；当近端开关量模拟信号KGI-D2_x(x＝1..8)为低电平时，光耦不导通，近端开关量数字信号GSDI_x(x＝1..8)输出高电平，由于输入到微控制器的近端开关量数字信号GSDI_x与近端开关量模拟信号KGI-D2_x电平相反，因此，微控制器做取反运算或采用反相逻辑的编码方式，即可保证两者逻辑上的一致性。

如图5所示，当近端开关量模拟信号的带电特性为不带电时，开关量采集电路包括电阻R1、R11、R12、电容C3、光耦U3，其中：

电阻R11一端连接在远端开关量模拟信号正端，另一端与电阻R1串联后连接至远端开关量模拟信号负端，光耦U3的输入端阳极连接至远端开关量模拟信号正端，光耦U3的输入端阴极连接至电阻R11与R1之间，光耦U3的输出端集电极接上拉电阻R2至电源；光耦U3的输出端发射极接地；电阻R11、电容C3并联连接在光耦U3的输入端阳极和输入端阴极之间，光耦U3的输出端集电极作为远端开关量数字信号输出。

本实施例中，当远端开关量模拟信号正端KGI-x+(x＝1..16)相对于远端开关量模拟信号负端KGI-x-(x＝1..16)为高电平时，光耦导通，远端开关量数字信号GDNDI_x(x＝1..16)输出低电平；当远端开关量模拟信号正端KGI-x+(x＝1..16)相对于远端开关量模拟信号负端KGI-x-(x＝1..16)为低电平时，光耦不导通，远端开关量数字信号GDNDI_x(x＝1..16)输出高电平。由于输入到微控制器的远端开关量数字信号GDNDI_x与控制系统输入的远端开关量模拟信号正端KGI-_x+的相对电平相反，因此，程序上做取反运算或采用反相逻辑的编码方式，即可保证两者逻辑上的一致性。

(2)、开关量调理电路

如图6所示，当远端开关量信号的带电特性为不带电时，所述开关量调理电路为单通道继电器输出电路，包括电阻R6、三极管Q3、二极管D6、继电器J1，电阻R6一端连接远端开关量控制信号JNDO_x，另一端连接三极管Q3的基极、三极管Q3的发射极接地，继电器线圈和二极管D6并联连接在三极管Q3的集电极和供电电源之间，二极管D6的正极连接至三极管Q3的集电极上，负极连接至供电电源；近端开关量模拟输出信号负端KGO_x-连接在继电器开关的常闭触点上；近端开关量模拟输出信号正端KGO_x+连接在继电器开关的常开触点上。

本实施例中，当远端开关量控制信号JNDO_x为高电平时，继电器J1开关K3闭合导通，近端开关量模拟信号有效；反之，当远端开关量控制信号JNDO_x(x＝1..16)为低电平时，继电器J1开关K3断开不导通，近端开关量模拟信号无效。

当远端开关量信号的带电特性为带电时，所述开关量调理电路可以有两种。

如图7所示，第一种开关量调理电路为双通道继电器输出电路，包括电阻R4、三极管Q1、二极管D5、继电器J2，电阻R4一端连接远端开关量控制信号JNDO_x，另一端连接三极管Q1的基极、三极管Q1的发射极接地，继电器J2的线圈和二极管D5并联连接在三极管Q1的集电极和供电电源之间，远端开关量模拟信号KGO-D_1连接继电器J2第一开关的常闭触点、中间控制信号K1K2_MID同时连接继电器J2第一开关的常开触点和继电器J2第二开关的常闭触点，远端开关量模拟信号正端连接继电器J2的第二开关的常开触点；远端开关量控制信号JNDO_x同时连接至电阻R7、三极管Q4、二极管D7、继电器J3组成的开关量调理冗余电路，以增加可靠性。

本实施例中，当远端开关量控制信号JDDO_x(x＝1..4)为高电平时，继电器J2的开关K1闭合导通，远端开关量模拟信号正端+M3和中间控制信号K1K2_MID导通，中间控制信号K1K2_MID和近端开关量模拟输出信号KGO-D_x(x＝1..4)导通，从而使远端开关量模拟信号正端+M3与近端开关量模拟输出信号KGO-D_x(x＝1..4)导通，近端开关量模拟输出信号有效；反之，当开关量控制信号JDDO_x(x＝1..4)为低电平时，继电器J2的开关K1断开不导通，近端开关量模拟输出信号无效。

如图8所示，第二种开关量调理为单通道继电器输出电路，该电路包括电阻R5、三极管Q2、二极管D4、继电器J4，电阻R5一端连接远端开关量控制信号JNDO_x，另一端连接三极管Q2的基极、三极管Q2的发射极接地，继电器J4线圈和二极管D4并联连接在三极管Q2的集电极和供电电源之间，二极管D4正极连接在三极管Q2的集电极上，近端开关量模拟输出信号KGO-D_x连接继电器开关的常闭触点、远端开关量模拟信号正端+M3连接继电器J4开关的常开触点。

本实施例中，当远端开关量控制信号JSDO_x(x＝5..24)为高电平时，继电器J4的开关K2闭合导通，远端开关量模拟信号正端+M3与近端开关量模拟输出信号KGO-D_x(x＝5..24)导通，近端开关量模拟输出信号有效；反之，当远端开关量控制信号JSDO_x(x＝5..24)为低电平时，继电器J4的开关K2断开不导通，近端开关量模拟输出信号无效。

(3)、微控制器

如图9所示，开关量数据采集与处理装置的微控制器的功能是实现开关量的采集、通信、控制。主要包括开关量输入检测、软滤波判决处理、信源编码、帧数据生成、帧数据解析、信源解码、开关量输出驱动、串口中断、定时器中断、看门狗、状态自检和底层驱动等功能模块。

开关量输入检测模块以轮询的方式判断检测多路输入开关量的状态，经过软滤波判决处理后，当发现输入开关量的状态改变时，更新对应的数据缓冲区，启动开关量输入数据的信源编码处理。

由于海上发射系统对控制系统开关量的正确性要求很高，为了保证串口数据通信的误码率低，抗干扰能力强，帧数据生成模块在串口通信的数据链路层上增加了设备ID信息和校验数据，然后发送到外部的通信控制器上。

帧数据解析模块在收到串口中断设置的串口新数据有效标志后，判断数据帧的结束，解析数据帧，获取有效的远端开关量信息，若有有效的输出指令，则对对应的信息进行信源解码、然后按时序要求生成相应的远端开关量控制信号，并由开关量输出驱动模块完成开关的控制操作。

为提高开关量变化后能够及时传输到对应的接收方，数据采集与处理装置当发现开关量状态发生变化后，立即将全部的开关量信息发送出去。当发现开关量没有变化时，则轮询1000次发送1次，即在数据采集与处理装置开关量无变化时，每1s会将全部状态信息更新一次，从而避免由于通信中断等问题造成两端的开关量状态不一致的情况发生。

微控制器的主运行流程如图10所示，主程序的一个大循环时间大约在20ms，那么设定程序的喂狗脉冲周期为30ms，定为1.5倍的循环周期。进入主流程后，开关量数据采集与处理装置对本端控制系统发来的开关量信息进行循环采集，之后进行软件滤波，写入开关量缓冲表，对开关量缓冲表中的信息进行信源编码，组帧输出RS232串口数据；另一方面接收本端通信控制器发来的RS232串口数据，检测串口数据结束标志，如结束，则进行帧解析、信源解码，生成开关量控制信号，并输出至本端控制系统；如未结束，则继续接收串口数据。

串口中断运行流程如图11所示，进入串口接收中断后，先读入串口数据，并判断是否为有效数据，如有效则置串口接收完成标志，完成串口接收中断；如为无效数据，则继续等待接收串口数据。

定时器中断流程如图12所示。进入定时器中断后，先读取缓冲区的开关量数据，再调用串口发送程序，将串口数据发送至通信控制器。

微控制器的软滤波判决处理如下：

ARM微处理器对最多48路的输入开关量做采集，每隔6ms做一次采集，并口读入输入开关量，采集3次为一个周期。一个周期里的第二次(12ms时刻)采集与第一次(6ms时刻)采集的结果进行比对，若一致，进行第三次采集(18ms时刻)，第三次采集结果与第二次比对，若一致，将此次采集的开关量存入输入开关量发送缓冲表中。若其中两次比对中，有一次不一致，那么舍弃这个周期的采集结果，重新启动新的周期(18ms)的采集，直至采集结果一致，存入输入开关量发送缓冲表。每隔6ms做一次采集，是为了对输入开关量作防抖处理，去除干扰信号。

在实际应用中，开关量数据采集与处理装置通过RS232接口与通信控制器连接。通信控制器之间架设有无线宽带设备、超短波电台，两端形成两条无线链路。无线宽带设备在系统中作为主链路，超短波电台在系统中作为辅链路。通信控制器与无线宽带设备、超短波电台之间也是通过RS232接口连接。

开关量数据采集与处理装置与通信控制器的通信工作流程：输入开关量的信息采集到后，直接发送给本端的通信控制器；本端通信控制器收到对方端的通信控制器发过来的正确的开关量数据帧，直接转发给本端的数据采集与处理装置。数据采集与处理装置与通信控制器之间的通信设置为波特率115200bps，1位起始位、8位数据位、1位奇偶校验、1位停止位。通信数据帧定为定长帧。近端数据采集与处理装置与本端的通信控制器的通信协议如表格1，远端数据采集与处理装置与本端的通信控制器的通信协议如表格2所示。近端、远端数据采集与处理装置的串口收发都采用中断方式，主程序里完成开关量的采集、控制。由于开关量采集周期为18ms，所以主程序的一个大循环大约在20ms。

表1近端数据采集与处理装置发至通信控制器的数据帧

表2远端数据采集与处理装置发至通信控制器的数据帧

2、结构设计

数据采集与处理装置结构为19英寸2U高标准机箱，深450mm，重量不超过10Kg。

为提高设备测试性，设备面板上设计有供电、状态、发送、接收和多用五个指示灯。供电指示灯用于表示设备供电状态，直接由电源输出模块驱动；状态指示灯为远端数据采集与处理装置的心跳灯，由软件程序控制，每1s闪烁1次；发送指示灯用于指示当前是否有数据发出，每发送1次数据闪烁一次；接收指示灯则每接收一次且校验正确则闪烁一次。此外，为提高设备的维修性能，设计管理接口，用于软件升级或调试。为提高设备的安全性，设备内部设计有保险丝插座，可用于安装所需的保险丝。为保证设备的良好接地，设备后端设计有接地柱。面板上设置设备的按钮开关设计，提高了设备的维修性、测试性和安全性。

3测试验证

海上发射开关量数据采集与处理装置的测试验证连接关系如图13所示。

3.1输出信号测试

测试数据采集与处理装置的输出时，通过调试计算机发送符合通信协议要求的数据，用示波器或万用表可以测量输出信号的波形、电压和电流，从而确认相关输出是否范围设计要求。

3.2输入信号测试

测试数据采集与处理装置的输入电路功能时，先用信号源产生相应的脉冲进行测试，在测试功能正常时，再采用输入信号模拟器进行测试，以验证输入电路能够承受所要求的电压和电流。

本方法关键技术成功在长征-11火箭系统海上发射无线通信单元中得以应用实施，作为控制系统开关量的变换装置使用，可实现14路带电输入、24路带电输出和16路不带电输出的调理转换，实施效果良好。本方法可靠灵活、通用性强、扩展性较好，具备较好的推广价值。

本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种高可靠开关量数据采集与处理装置，其特征在于包括开关量采集电路、开关量调理电路、微控制器、通信接口转换电路，开关量采集电路、微控制器和通信接口转换电路，形成近端支路，用于近端开关量采集和发送；通信接口转换电路、微控制器和开关调理电路，形成远端支路，用于远端开关量接收和控制；其中：

(a)、近端支路如下：

开关量采集电路，将N路近端开关量模拟信号转换成数字信号，并输出至微控制器，N≥1；

微控制器，以轮询的方式，检测各路近端开关量数字信号的状态；对每一路近端开关量数字信号进行软滤波判决处理，将软滤波判决之后的近端开关量数值存入近端开关量数值缓冲表中；按照固定的周期和任何一路近端开关量发生变化时，从各路近端开关量缓冲区中提取各路最新的近端开关量数值，将N路近端开关量数值进行组包、信源编码、组帧处理，将近端开关量数据帧发送至通信接口转换电路；

通信接口电路，将近端开关量数据帧的每一个数据位，完成接口电平调理并输出；

(b)、远端支路如下：

通信接口电路，接收外部输入的远端开关量数据帧，将其转换成远端开关量控制信号发送给微控制器；

微控制器，接收通信接口电路输出的远端开关量数字信号，并解调成数据流，根据预设的通信协议解数据帧，恢复出数据帧中的远端开关量控制信号，并将其发送给开关量调理电路；

开关量调理电路，根据开关量的带电特性，将远端开关量控制信号调理成相应的电平后输出。

2.根据权利要求1所述的一种高可靠开关量数据采集与处理装置，其特征在于所述开关量的带电特性包括不带电和带电两种。

3.根据权利要求2所述的一种高可靠开关量数据采集与处理装置，其特征在于当近端开关量信号的带电特性为带电时，所述开关量采集电路包括电阻R12、R14、R8、二极管D8、电容C1、光耦U1，其中：

电阻R12一端连接在近端开关量模拟信号正端，另一端与光耦U1的输入端阳极连接，光耦U1的输入端阴极连接近端开关量模拟信号负端，光耦U1的输出端集电极接上拉电阻R8至电源；光耦U1的输出端发射极接地；电阻R14、二极管D8、电容C1并联连接在光耦U1的输入端阳极和输入端阴极之间，二极管D8的正极连接光耦U1的输入端阴极，负极连接光耦U1的输入端阴极，光耦U1的输出端集电极作为近端开关量数字信号输出。

4.根据权利要求2所述的一种高可靠开关量数据采集与处理装置，其特征在于当近端开关量模拟信号的带电特性为带电时，所述开关量采集电路包括电阻R13、R15、R9、二极管D9、电容C2、光耦U2，其中：

电阻R13一端连接在近端开关量模拟信号，另一端与光耦U2的输入端阳极连接，光耦U1的输入端阴极悬空，光耦U2的输出端集电极接上拉电阻R9至电源；光耦U2的输出端发射极接地，电阻R15、二极管D9、电容C2并联连接在光耦U2输入端的阳极和阴极之间；二极管D9的正极连接光耦U2输入端的阳极，二极管D9的正极连接光耦U2的输入端的阴极，光耦U1的输出端集电极作为近端开关量数字信号输出。

5.根据权利要求2所述的一种高可靠开关量数据采集与处理装置，其特征在于当远端开关量信号的带电特性为不带电时，所述开关量调理电路包括电阻R6、三极管Q3、二极管D6、继电器J1，电阻R6一端连接远端开关量控制信号JNDO_x，另一端连接三极管Q3的基极、三极管Q3的发射极接地，继电器线圈和二极管D6并联连接在三极管Q3的集电极和供电电源之间，二极管D6的正极连接至三极管Q3的集电极上，负极连接至供电电源；近端开关量模拟输出信号负端KGO_x-连接在继电器开关的常闭触点上；近端开关量模拟输出信号正端KGO_x+连接在继电器开关的常开触点上。

6.根据权利要求2所述的一种高可靠开关量数据采集与处理装置，其特征在于当远端开关量信号的带电特性为带电时，所述开关量调理电路包括电阻R4、三极管Q1、二极管D5、继电器J2，电阻R4一端连接远端开关量控制信号JNDO_x，另一端连接三极管Q1的基极、三极管Q1的发射极接地，继电器J2的线圈和二极管D5并联连接在三极管Q1的集电极和供电电源之间，远端开关量模拟信号KGO-D_1连接继电器J2第一开关的常闭触点、中间控制信号K1K2_MID同时连接继电器J2第一开关的常开触点和继电器J2第二开关的常闭触点，远端开关量模拟信号正端连接继电器J2的第二开关的常开触点。

7.根据权利要求2所述的一种高可靠开关量数据采集与处理装置，其特征在于当所述远端开关量信号的带电特性为带电时，所述开关量调理包括电阻R5、三极管Q2、二极管D4、继电器J4，电阻R5一端连接远端开关量控制信号JNDO_x，另一端连接三极管Q2的基极、三极管Q2的发射极接地，继电器J4线圈和二极管D4并联连接在三极管Q2的集电极和供电电源之间，二极管D4正极连接在三极管Q2的集电极上，近端开关量模拟输出信号KGO-D_x连接继电器开关的常闭触点、远端开关量模拟信号正端+M3连接继电器J4开关的常开触点。

8.根据权利要求2所述的一种高可靠开关量数据采集与处理装置，其特征在于当近端开关量模拟信号的带电特性为不带电时，开关量采集电路包括电阻R1、R11、R12、电容C3、光耦U3，其中：

电阻R11一端连接在远端开关量模拟信号正端，另一端与电阻R1串联后连接至远端开关量模拟信号负端，光耦U3的输入端阳极连接至远端开关量模拟信号正端，光耦U3的输入端阴极连接至电阻R11与R1之间，光耦U3的输出端集电极接上拉电阻R2至电源；光耦U3的输出端发射极接地；电阻R11、电容C3并联连接在光耦U3的输入端阳极和输入端阴极之间，光耦U3的输出端集电极作为远端开关量数字信号输出。

9.根据权利要求2所述的一种高可靠开关量数据采集与处理装置，其特征在于所述软滤波判决处理的具体方法为：以三次采集开关量模拟信号为一个滤波周期，一个滤波周期里的第二次采集与第一次采集的结果进行比对，若一致，则进行第三次采集，第三次采集结果与第二次比对，若一致，将此次采集的开关量存入近端开关量缓冲表中，若其中两次比对中，有一次不一致，那么舍弃这个滤波周期的采集结果，重新启动新的滤波周期的采集，直至采集结果一致，存入近端开关量缓冲表中。