一种具有自诊断能力的数字量采集装置的制作方法

本发明的数字量采集装置，可以应用于安全仪表系统的数字量采集，其特点是具有全面的硬件自诊断能力。

背景技术：

由于安全仪表系统需要在运行过程中保持安全完整性等级不降低，因此需要不断的进行系统的自诊断，发现系统发生的随机硬件故障，并提醒维护人员对系统进行维护。系统自诊断的技术包括组件之间的交叉诊断，也包括组件自诊断。而本发明涉及的就是数字量采集装置的自诊断。

技术实现要素：

本发明的数字量采集装置，是一种能够在运行过程中不断的进行自诊断的采集装置，当硬件发生随机故障后，会不断的产生报警信息，并且将采集值自动变更为预置的安全状态。

本发明的装置，支持同时采集16路直流24伏数字量信号，采集数据的时间精度为1毫秒。信号的采集回路之间相互独立，没有共用的芯片；除供电电源线和接地线外，没有共用电路。外部输入信号与内部的信号采集端口之间，通过光电耦合器进行隔离，防止信号中的脉冲干扰和浪涌干扰。每次信号的采集，会同时保存精度为1毫秒的时间戳。

本发明的装置，支持CAN总线通信，支持端口指示灯和运行指示灯。CAN总线通信，采用自定义的通信协议，能够传输采集数据，配置数据，诊断数据。端口指示灯能够显示当前端口的采集值，端口的诊断结果；运行指示灯能够显示当前装置的运行状态。

本发明的装置，采用直流24V电源供电，支持电源冗余连接，即2路不同的24V电源同时连接到本发明的装置上，任意1个电源停止供电时，装置仍然能够运行。

本发明的装置，其特征在于，能够采集数字量数据，并同时具备采集回路自诊断，存储器自诊断，时钟自诊断，通信自诊断，处理器自诊断，电源自诊断，在诊断出故障后发出警报并将采集值设定为预置值。

附图说明

图1 数字量采集装置的硬件逻辑图。

图2 输入回路。

具体实施方式

装置的整体设计，参见图1。装置对安全状态的定义，按照安全仪表系统的设计习惯，一般将设备断电时的IO状态，定义为设备的安全状态。因此本装置的数字量输入信号，默认的安全状态为：采集值全部为0，即输入电压为0时的采集值。

本装置的自诊断的周期为2小时，按照普通工业级别的机械机构寿命为100000次来计算，装置的机械寿命不低于20年。装置检测出自身存在故障后，将产生诊断信息，并通过通信网络发送给整个系统的控制器或者发送给操作员工作站。同时，装置发生比较严重的故障时，会通过指示灯亮红色显示装置存在故障，提醒装置巡检人员注意更换故障的装置。

本装置，需要安装在专用的底板上，外部信号线直接连接到底板或者转接端子板上，最后通过底板的接插件传递到本装置上，16路信号通过32条信号线传递电压信号，每一路信号都是独立传输的。输入信号为15V～24V时，定义采集值为1，输入信号为0V～5V时，定义采集值为0，通过改变信号串接电阻的阻值，使得光电耦合器输出端的阻抗跳变发生在输入信号为5V～15V的范围内。

本装置的输入电路保护，并联稳压二极管，减弱浪涌和高压脉冲对电路的影响；串联自恢复保险，降低大电流对电路的影响；串联二极管，避免反向电流对电路的影响；通过光电耦合器，将外部输入的电压信号，转换为光的亮暗信号，再转换为阻抗的跳变信号，最终再次变成电压信号，实现内部电路和外部信号的隔离。

信号采集的时间精度，通过快速的采集实现。主控芯片采用工业级ARM7处理器，主频可以调整到32MHz，每个周期完成数据采集、数据打包、自诊断、刷新指示灯、响应通信所需要的软件步不超过3000，每个软件步需要的平均时钟频率为3，那么每个周期需要的平均时钟频率为9000，按照主频为32MHz来计算，每次主循环需要的时间不超过0.3毫秒。因此可以保证数据采集的时间精度能够达到1毫秒。

本装置的CAN总线通信，通信协议是参照IEC 61784-3制定的，对于数据完整性的校验措施包括：报文的标识符，报文分段序号，时间戳，CRC校验，数据冗余。

本装置电源，外部接入的2路电源信号，负极直接连接到一起，正极各串接一个二极管，然后再连接在一起，实现外部电源的冗余。装置内部，使用DCDC模块，将电压降低到5V。

表1 数字量采集装置的诊断覆盖率评估表。

本装置的诊断方法，参见表1。诊断措施的说明如下。

1) 模拟输入信号

通过继电器将现场信号与装置的输入回路切断，并且将诊断回路切入输入回路，主控芯片控制诊断回路产生一个模拟的输入电压，经过输入回路读取输入值，从而诊断输入回路。

2) 看门狗

设置主控芯片内部的独立硬件看门狗，当一定时间内，软件没有进行看门狗初始化操作，就对芯片进行自动软重启的操作，而软件中在程序启动的时候，会读取看门狗的标志位，如果发生了看门狗重启的情况，则将装置设置为安全状态。

3) 读写测试

向固定的地址写入5A，然后读取该地址的值，判断是否为5A，再次写入A5，然后去读，判断是否为A5。如果写入与读取不一致，则判定存储器或者寄存器故障，并将装置设置为安全状态。

4) CRC校验

在向Flash中写入数据时，对数据计算16bit的CRC码，并且将CRC码与数据同时写入Flash中，在读取数据时，再次计算数据的CRC码，并且与Flash中存储的CRC码进行比较，不一致则抛弃这些数据。如果是对固件计算的CRC码，如果在校验时发现不一致，则将装置设置为安全状态。

5) 中断监视

将所有没有使用的中断向量，全部指向一个默认的中断子函数，该函数中对中断故障进行计数，当计数超过一定值时，将装置设置为安全状态。

6) 电压比较

使用外部直接提供的24V，驱动检测电路，检查DCDC输出的5V电压，当5V的电压波动超过10%的时候，检测电路切断5V电压的供电，实现装置进入安全状态。当检测电路失电的时候，自动切断5V电压的供电，当检测电路再次检测到5V电压波动不超过10%时，自动恢复5V电压的供电。

7) 数据对比

将数据复制一份，存储在不同的地址空间，使用数据时，比较原始数据和复制的数据，数据不一致时，将抛弃数据。

8) 通信协议校验

将通信的物理通道，看成黑通道，用报文文段序号，确定数据接收完整，通过CRC校验，确定数据的正确。

9) 时钟比较

主控芯片使用2个时钟源，由这两个时钟源配置两个单位时间相同的计数器，同时开始计数，经过一定时间后，比较两个计数器的计数值，相差超过5%时，判定时钟故障，将装置设置为安全状态。