智能布线管理系统监测单元响应时间探讨

文/曾松鸣(德特威勒高级技术专家 )

智能布线管理系统监测单元响应时间探讨

文/曾松鸣(德特威勒高级技术专家 )

监测单元是智能布线管理系统有别于布线管理软件的特色之一，它采用自动检测元件进行跳线、信道的自动监测。在监测过程中，前后沿抖动、误动作都会对监测的效果产生影响。论文将从自动检测原理、人机工程学和固件运行速度等角度，对响应时间进行综合探讨，以期找到最佳的响应时间。

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智能布线管理系统是一套面向综合布线系统的现实管理需求而设计和开发的、集软硬件于一体的管理系统，其结构大体可分为自动监测/显示单元、控制单元和控制软件三大组成部分。在智能布线管理系统中，监测/显示单元上装有LED指示灯，用于异常现象显示和电子工单指示；控制器上会有显示屏，可以显示更多的硬件信息；在管理软件的显示界面上，能够看到各种软硬件信息。这些显示器件和显示屏幕的功能和画面是设计者和使用者关心的重点，因为它的美观和效果直接决定了智能布线管理系统的命运。

在使用过智能布线管理系统后，很多人都会有所感觉：在跳线插拔后，LED灯、显示屏幕都需要等待一会儿才会有所变化，这一时间就是本文所讨论的监测单元响应时间。

监测单元响应时间是智能布线管理系统中的一个关键性指标，但是在过去的电子配线架中，这个响应时间往往不受重视，有些会短到2ms，有些却会长达数分钟。可以说，响应时间会直接考验使用者的耐心，也会影响使用者对智能布线管理系统的第一感觉。

本文将从人机工程学和电子电路这两个角度，定性分析智能布线管理系统监测单元的响应时间，推理相应的巡回扫描周期，使每一事件的等待时间能够为人们所接受，而且不会导致智能布线管理系统成本的明显上升。同时，将分析LED显示单元的扫描周期，以及显示扫描周期与监测单元巡回扫描周期之间的关系。

1 监测单元响应时间的由来

根据笔者在《智能布线管理系统应采用通用接口实现结构化》一文中对智能布线管理系统中的分解，监测/显示单元是指配线架每个端口旁的跳线侦测和LED显示组件。这个组件通过控制器与管理软件相连，其跳线侦测信息会传递到软件中，而LED的显示信息则由管理软件形成，经控制器传递到LED指示灯上。当然，如果控制器具有一定的管理权限，也可以点亮或熄灭监测单元上的LED灯。

当监测/显示单元监测到跳线插头的变化后，会将信息传递给控制器。控制器在收到监测/显示单元发来的跳线插头变化信息后，会通过网络传递给管理软件。管理软件会根据数据库中的设定，核对当前显示的状态是否需要改变，如果判断的结果是需要改变的，则会将新的显示信息经控制器发送给监测/显示单元。当然，如果控制器中有同类判别功能，则无需经过管理软件即可形成新的显示信息。

在操作者刚开始接触一套新的智能布线管理系统时，当现场操作者在现场插拔跳线后，人们的眼睛往往就会盯着LED指示灯以及电脑显示屏，看它多少时间后会有所反应。这时，他们的心里往往在数数字或在同时看着时钟显示的时间，看看多少时间能够响应？很明显，人们希望响应时间越短越好。这个响应时间即为本文所讨论的监测响应时间（以下简称为“响应时间”）。

2 从机械抖动和人机工程学角度分析检测响应时间

在本文中，检测响应时间（以下简称为“响应时间”）是指从跳线插拔动作完成到人们从电子配线架的LED指示灯或管理软件显示屏中看到跳线的变化状态为止，所需要的最大允许时间。为此，需要进行三项分析：抖动时间分析、人机工程学分析和人的心理承受时间分析。

首先，跳线插拔的正常过程从“断”到“通”或从“通”到“断”之间存在着多次的跳跃，致使检测单元中的传感器感应到跳线插头的变化时，往往会出现短暂的不稳定信号，这是检测原理中经常提及的抖动现象。应该说抖动现象在跳线插拔过程中是不可避免的，其特点是一开始抖动所产生的震荡波形最大，然后逐渐下降最终消失，趋于稳定状态，而这一过程所需要的时间称为“抖动时间”。

同样，在跳线插头插入插座（或从插座中拔出）时，如果采用接触式监测方案，会因机械触点（如探针、簧片等）的弹性作用，形成一连串不稳定的波形，然后波形过渡到稳定状态，亦即出现“抖动”，只有过了“等待时间”波形才真正显示在真实的状态上。所以，无论是接触式监测还是非接触式（如红外线、可见光、电容、磁感应等）监测，都会出现“抖动”，都需要考虑“抖动时间”所带来的测试效果影响。

如果使用存储示波器查看跳线插头插拔时的前沿（或后沿）波形，将会记录和看到抖动波形大约为几毫秒至数十毫秒之间（当然，抖动的时间也可能会更长，例如跳线在插拔过程中出现人为的延迟等）。这就意味着，如果在这一刻被检测到，那这一信号将不能代表跳线插头的真实状态，亦即形成了误判。只有通过电子手段或时间处理等方式，才能将抖动所产生的负面影响消除，才能真正获得跳线插头的真实状态。

由此可以得出结论：智能布线管理系统的跳线插头监测电路，在跳线插拔时需要有一段抖动时间让信号稳定，响应时间只有大于抖动时间才能真正反映跳线的当前真实状态。

其次，从人机工程学角度分析响应时间：

人机工程学是研究人、设备与环境之间关联关系，对于本文对面对的响应时间而言，来自不同的人机工程学资料中有几个数据可供参考：

(1)在一般情况下，视觉或听觉刺激物出现后，在0.14～0.18s内便能作出反应。

(2)人体的感觉器官在受到外界刺激后的反应时间称为人体反应时间。一般人的视觉简单反应时间为0.2～0.25s，听觉的反应时间为0.12～0.15s。由于人的神经传递速度一般有0.5s左右的不应期，所以需要感觉指导的间断操作间隙期一般应大于0.5s，复杂的选择性反应时间一般达1～3s……

(3)正常人的反应时间为0.15s～0.4s。

(4)因人而异!正常人的反应能力参数为1.25s，即发现前方有目标反映到大脑需0.5s，从大脑反应到手、脚并采取措施需0.75s。

(5)驾驶员对危急情况处理（紧急刹车）：0.2～0.4s。

以上的数据有些差异，因为人体的数据因人而异，只能形成统计数据予以参考，但从中能够找到并引导出应用于智能布线管理系统的推理数据：

(1)从看到LED指示灯颜色变化，视觉反映约需0.2～0.25s，反映到大脑约需0.5s左右。即：从大脑下达命令到手开始执行跳线插拔需0.7～0.75s。

(2)在插拔跳线插头时，从插拔跳线完成的手感传递到大脑约需要0.5s。

(3)紧急情况下可以加快到0.2～0.4s，但对于智能布线管理系统的操作而言一般不会遇到紧急情况。

根据以上的简单数据分析，可以得到一个数据：插拔跳线后0.5s大脑才会开始注意LED指示灯或显示屏是否发生变化。

由于电子电路在抖动时间接近尾声时，才能将信息传递到LED指示灯或通过网络传递到管理软件的显示屏上，而电子电路和管理软件将信息传递到LED指示灯或显示屏需要有“传递时间”，所以最小响应时间应为跳线插拔动作的抖动时间、系统的传递时间以及人机工程学中动作到大脑之间的传递时间之和。由于抖动时间远小于传递时间之和，当系统的传递一切顺畅时，可以近似地认为抖动时间和系统传递时间忽略不计，即最小响应时间近似为人机工程学中从动作到大脑的传递时间。

最后，分析一下包含人的心理承受能力的响应时间：

人们的心理思维希望响应时间越短越好，然而电子线路需要有一定的响应时间才能让信号趋于稳定，而软件（包含硬件中CPU等电子器件运行所需要的固化软件）则是一条一条指令顺序地执行，同样也需要消耗时间。在这样的矛盾状态下，选择最短的响应时间明显会导致硬件和软件系统的成本急剧上升，而响应时间选取太长则会超过人们的忍耐极限，导致客户感受度不佳。

最小响应时间应小于系统设计时的响应时间，因为最小响应时间是理论上能够达到的响应时间的最小值。也就是说，如果人们的心理承受时间小于最小响应时间，系统设计将无法满足人们的心理承受时间。根据人机工程学的数据，可以将响应时间设置在人能够接受的等待时间内，即插拔跳线成功后0.5s以后，这是大脑刚好接收到手感（视觉感觉会因手的动作遮盖而变得不准）之后，考虑到人本身会有等待的忍耐时间，对于智能布线管理系统而言，当最小响应时间为0.5s时，响应时间设定在1～2s会比较适宜。

需要说明的是，响应时间包括LED指示灯和管理软件的显示屏这两种显示方案。故此，响应时间中已经包含了对传输网络所需要的时间和管理软件所需要的时间考虑。对此，如果要做到系统传递时间可以忽略不计，则网络传递时间和管理软件的运算时间得进行充分的优化，确保网络传输高速且不会发生阻塞，以及管理软件运行时间远远小于人体的传递时间。这需要在系统规划设计时进行充分计算和方案论证。

3 检测扫描周期的取值

智能布线管理系统的跳线状态监测方式可以有两种：中断或巡回扫描。中断方式是指当状态变化时触发电子系统，电子系统在收到信号后立即收集引起中断的地址和状态；巡回扫描采取每隔一段时间检测一次状态的方式。在一般情况下，中断方式的电路结构复杂，相对成本比较高，响应速度快，但往往需要假设同一时刻/同一区域内不能有两个信号同时产生中断。而巡回扫描方式的电路结构简单，检测成本低，能够支持同时出现的多点状态变化，但响应速度略低。由于显示响应时间比较宽松，使用廉价的巡回扫描方式足够了，所以在本文中仅以扫描方式进行分析。

李小树发火了，我第一次见到李小树对大黑猫发那么大的火，他气急败坏地提着大黑猫的后颈窝一把把它扔出了窗外。大黑猫被扔出去后又撕心裂肺地叫着从窗口爬了进来，李小树仍没解气，他从杂屋间找来一个废旧的纸箱，三下两下就把大黑猫装进了纸箱里，然后把它送给了我。

“检测扫描周期”在本文中被定义为巡回扫描每个被监测端口的时间间隔。

跳线插拔后的状态及跳线的当前状态需要不断更新，使之保持在最新、最真实的状态，故此必须消除因跳线插拔瞬间所产生的机械抖动（跳线插拔过程中会产生机械抖动）而形成的虚假状态。所以，检测扫描周期应大于跳线插拔的抖动时间，或在稳定时间内进行多次扫描，以得到最终的稳定状态信息。考虑到扫描周期越短则硬件设备的造价越高这一事实，扫描周期大于抖动时间将是一个性价比相对理想的选择。

出于安全性考虑，设定扫描周期时还需考虑如何确保每一次跳线的“插”或“拔”都能得到记录。这一点，同样可以根据人机工程学的数据获得，即扫描周期只要小于“大脑传递时间”与“动作时间”之和即可，即0.7～0.75s之内就能够做到在同一个扫描周期内不可能出现即插又拔，导致记录缺失的现象。

扫描周期只要满足0.7～0.75s之内扫描一次的极限要求即可，扫描周期越短则对软硬件的要求越高，故此不建议扫描周期设定在数毫秒。

4 显示扫描周期

电子配线架上每个端口的LED指示灯驱动电路可以有两种：静态驱动或动态驱动。静态驱动电路是指始终给LED指示灯一个恒定的电流，使它保持在发光（有电流）或熄灭（无电流）状态，这就要求显示电路中能够保持电流的恒定。动态驱动电路是指多个LED指示灯共享同一套驱动电路，通过地址分配方式逐个点亮所有的LED指示灯，当扫描周期和电流值合适时，这些LED指示灯的视觉感觉与静态驱动的效果一样。

在本文中，显示扫描周期是指智能布线管理系统检测/显示单元中的LED指示灯动态驱动时，每个LED可能获得供电的时间间隔；如果LED显示方案为静态显示驱动，则无需考虑这个参数。

当显示扫描达到每秒25帧时，通过计算可知，扫描所有的LED指示灯所需的时间为40ms，这些LED指示灯的数量可以是24个、12个或者是8个、6个。

5 结束语

综上所述，监测/显示单元的响应时间应以操作者能够接受的时间为宜，根据分析，建议响应时间不大于1～2s，即当跳线插拔后1～2s的时间内指示灯和管理软件的显示屏上能够反映跳线的当前状态或发出异常报警的指示。

对于扫描周期的选定，当显示采用静态驱动电路时，检测扫描周期可以考虑设定在0.7～0.75s之内，以尽量降低对软硬件的成本要求；当显示驱动电路采用动态驱动时，需平衡考虑扫描周期与亮度之间的关系，确保LED器件能够承受所流过的电流。如果系统规划设计时将显示扫描周期与检测扫描周期相等时，检测扫描周期也将提升到显示扫描周期，这将对电子硬件、固件和系统规划设计都提出更高的要求，这时需要全面评估造价对智能布线管理系统的影响。

参考资料：

1 《INFORMATION TECHNOLOGY - Automated infrastructure management (AIM)-requirements, data exchange and applications》（ISO/IEC 18598-2016，讨论稿）

2 《Information technology - Implementation and operation of customer premises cabling - Part 2: Planning and installation》（ISO 14763-2-2014，讨论稿）

3 《Administration Standard for Telecommunications Infrastructure》（ANSI/TIA-606-B-2012）

4 《智能布线管理系统的核心思维：保留真实的记录》（曾松鸣）

5 《智能布线管理系统应采用通用接口实现结构化》（曾松鸣）

6 《从运维角度分析智能布线管理系统的功能》（曾松鸣）