CN101136624B - 脉冲信号识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲信号识别装置，包括基线估算模块、减法器和用于识别出峰值的峰值识别模块，所述基线估算模块接收脉冲非持续期间的数据，组成数据阵列，根据该数据阵列计算出基线值；所述减法器接收脉冲数据和基线值，将脉冲数据减去基线值后得到相对脉冲数据并输出至峰值识别模块。本发明基于数字逻辑电路的并行处理，不需要存储数据，直接识别，根据预定的识别准则对输入的脉冲信号进行峰值识别，输出规定时间段里所有脉冲内含有的符合准则的峰值，同时给出每个峰值数据的所对应写使能信号，用于存储操作，不但提高了峰值识别的准确性，还具有较快的处理速度。

Description

脉冲信号识别装置及方法

【技术领域】

本发明涉及一种粒子测量系统，尤其涉及一种用于粒子测量系统中、根据脉冲信号的峰值大小来识别粒子的脉冲信号识别装置及方法。

【背景技术】

在粒子测量系统中，当被测量的粒子通过时，传感器会产生一个相应的模拟的脉冲信号，该信号经过放大滤波后，再转换为数字脉冲信号，称为脉冲数据。然后应用对脉冲数据进行分析，首先对脉冲数据设置一个门限，低于门限的信号被丢弃，高于门限的脉冲数据被存储起来，然后再从头提取脉冲数据，按照预定的判定准则进行分析识别，识别出脉冲数据里所有的脉冲峰值。然后根据脉冲峰值与粒子的体积成正比的关系，得到粒子的体积信息。现有的识别方法是一种基于微处理器架构的串行处理，概括地说：先存储后识别，识别时对脉冲信号的上升斜率、宽度、形状、峰值等各种特征一个接一个地进行。这种方案存在两个主要缺陷。①不能适应基线波动的信号。现有技术必须基于脉冲信号的基线是稳定的前提。如果基线波动，就有可能把上浮的基线作为脉冲对待，引发错误；另一方面，脉冲是叠加在基线上的，如果脉冲高度实际的值没有变，而基线波动，那么脉冲高度的绝对量也发生变化。而现有技术不能适应这种情况，它不能提取相对的脉冲高度。弥补现有技术这个缺陷的办法通常是，降低门限，把基线也存储起来参与分析识别，但是基线的数据量远远超过脉冲，这样使得存储空间急剧增大，分析识别的时间开销也相当大，代价变得很高以致无法实现。②不能适应高速脉冲信号，当采样率提高以后时，数据量大大增加，存储空间的要求变得很大，同时处理耗时也很大，实时性变得很差。

【发明内容】

本发明的主要目的就是为了解决上述问题，提供一种脉冲信号识别装置及方法，消除基线波动对脉冲信号造成的影响，以便从脉冲数据中提取真实的峰值，从而提高了粒子测量的准确性。并且基于数字逻辑电路的并行处理，不需要存储数据，可直接识别，提高了数据处理的实时性。

本发明的次一目的就是提供一种脉冲信号识别装置及方法，进一步消除干扰对脉冲信号造成的影响，进一步减少处理的数据量，提高处理的速度和实时性。

为实现上述目的，本发明提出一种脉冲信号识别装置，包括基线估算模块、减法器和用于识别出峰值的峰值识别模块，所述基线估算模块接收脉冲非持续期间的数据，组成数据阵列，所述基线估算模块包括用于按照采样时间顺序存储数据阵列的数据阵列存储器、按照权重系数大小顺序存储权重数列的权重数列存储器和加权求和单元，所述权重数列为收敛的无穷数列，且该权重数列之和等于1；所述加权求和单元读取数据阵列和权重数列，将数据阵列中的数据按照采样时间先后顺序和权重数列中从小到大的权重系数一一对应、且最新得到的脉冲数据和最大的权重系数对应进行加权求和，得到基线值并输出；所述减法器接收脉冲数据和基线值，将脉冲数据减去基线值后得到相对脉冲数据并输出至峰值识别模块.

还包括脉冲识别模块，所述脉冲识别模块接收减法器输出的相对脉冲数据，用于根据相对脉冲数据的大小是否超过或低于预定的第一阈值，判定一个脉冲的开始或结束，并输出脉冲持续标记、脉冲开始标记和脉冲结束标记；所述基线估算模块响应脉冲识别模块的输出，在脉冲非持续期间工作。

本发明的进一步改进是：所述峰值识别模块包括斜率识别模块和波峰检测模块，所述斜率识别模块接收相对脉冲数据，将前后两个相对脉冲数据相减计算其斜率，用于在该斜率的绝对值在预定的第二阈值范围内时输出波动标记，且在该斜率由正变负时输出下降标记；所述波峰检测模块接收相对脉冲数据，并监测斜率识别模块输出的波动标记和下降标记，用于在波动标记出现且下降标记有效时，输出此时的第一相对脉冲数据。

本发明的更进一步改进是：所述峰值识别模块还包括波谷检测模块、有效性判定模块和存储器；所述斜率识别模块还用于在斜率由负变正时输出上升标记；所述波谷检测模块接收相对脉冲数据，并监测斜率识别模块输出的波动标记和上升标记，用于在波动标记出现且上升标记有效时，输出此时的第二相对脉冲数据；所述有效性判定模块接收第一相对脉冲数据和第二相对脉冲数据，并计算第一相对脉冲数据和同一脉冲内相邻的第二相对脉冲数据相除所得的落差比，用于在所述落差比大于第三阈值时，输出一个使能信号至存储器；且所述有效性判定模块响应脉冲识别模块的输出，用于在接收到脉冲结束标记时，输出一个使能信号至存储器；所述存储器接收波峰检测模块输出的第一相对脉冲数据，用于在接收到使能信号时存储此时的第一相对脉冲数据。

其中，所述斜率识别模块、波峰检测模块和波谷检测模块还响应脉冲识别模块的输出，用于在脉冲持续期间接收相对脉冲数据。

为实现上述目的，本发明还提出一种脉冲信号识别方法，包括以下步骤：

A1、在脉冲非持续期间，将连续采样得到的数据，按照时间顺序排列，得到数据阵列；

B1、将权重系数按照大小顺序排列，得到权重数列，所述权重数列为收敛的无穷数列，且该权重数列之和等于1；

C1、将数据阵列中的数据按照采样时间先后顺序和权重数列中从小到大的权重系数一一对应、且最新得到的数据和最大的权重系数对应进行加权求和，得到基线值；

D1、将采样的脉冲数据减去基线值，得到相对脉冲数据；

E1、根据相对脉冲数据识别出脉冲峰值。

在步骤E1中进一步包括以下步骤：

E11、将前后两个相对脉冲数据相减计算其斜率，在该斜率的绝对值在预定的第二阈值范围内时输出波动标记，且在该斜率由正变负时输出下降标记，在该斜率由负变正时输出上升标记；

E12、监测斜率识别模块输出的波动标记和下降标记，在波动标记出现且下降标记有效时，输出此时的第一相对脉冲数据。

在步骤E12之后还可以进一步包括以下步骤：

E13、监测波动标记和上升标记，在波动标记出现且上升标记有效时，输出此时的第二相对脉冲数据；

E14、计算第一相对脉冲数据和同一脉冲内相邻的第二相对脉冲数据相除所得的落差比，在所述落差比大于第三阈值时，输出一个使能信号至存储器，存储此时的第一相对脉冲数据；

E15、在脉冲结束时，输出一个使能信号至存储器，存储此时的第一相对脉冲数据。

为更好的控制各步骤的工作期间，在步骤D1之后还包括以下步骤：根据相对脉冲数据的大小是否超过或低于预定的第一阈值，判定一个脉冲的开始或结束，并输出脉冲持续标记、脉冲开始标记和脉冲结束标记，控制步骤A1-C1在脉冲非持续期间工作，控制其它步骤在脉冲持续期间工作。

本发明的有益效果是：1)通过对基线进行估算，计算出的脉冲数据不是绝对值，而是减去基线后的相对值，从而消除基线波动对脉冲峰值识别的影响，提高了脉冲峰值识别的准确性。2)通过对脉冲数据斜率的计算和判断，消除了微小的扰动。3)通过对波峰值的有效性判断，对于波峰突起程度比较高的脉冲，因该脉冲中可能包含两个粘连的粒子，所以多输出一个使能信号存储其波峰值，从而提高了粒子计数的准确性。4)基于数字逻辑电路的并行处理，不需要存储数据，可节省时间开销和存储资源。实时识别，实时得到结果，尤其对于高速脉冲信号，这种实时性变得非常必要。不需要对整个脉冲进行预先存储，对于高速脉冲信号，节省的存储空间就更为可观。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1为本发明一种实施例的原理方框图；

图2为本发明峰值识别模块的结构方框图；

图3为本发明一种实施例的峰值识别示意图；

图4为本发明一种实施例的波峰识别流程图。

【具体实施方式】

具体实施例一、如图1所示，脉冲信号识别装置包括基线估算模块、减法器、脉冲识别模块和峰值识别模块。基线估算模块接收脉冲非持续期间的数据，组成数据阵列，根据该数据阵列计算当前脉冲的基线值，减法器接收脉冲数据和基线值，将脉冲数据减去基线值后得到相对脉冲数据即脉冲的相对高度，并输出该相对脉冲数据至峰值识别模块进行脉冲峰值识别；脉冲识别模块根据数据点和基线的差值大小，判定该差值是否超过或低于预定的第一阈值，判定一个脉冲的开始或结束，并输出脉冲持续标记、脉冲开始标记和脉冲结束标记，确定脉冲开始和结束的时间点，用于提示其他模块脉冲是否正在延续，其中第一阈值可根据经验来选定；基线估算模块响应脉冲识别模块的输出，在脉冲非持续期间工作，从而使基线估算模块不受脉冲持续期间的脉冲数据的影响，即基线估算模块接收到的是基线数据。

如图1所示，基线估算模块优选包括数据阵列存储器、权重数列存储器和加权求和单元.数据阵列存储器用于按照采样时间顺序存储数据阵列，权重数列存储器用于按照权重系数大小顺序存储权重数列，为保证估算的准确度，权重数列优选为收敛的无穷数列，且该权重数列之和等于1，比如，[......，1/8，1/4，1/2]；加权求和单元读取数据阵列和权重数列，将数据阵列中的数据按照采样时间先后顺序和权重数列中从小到大的权重系数一一对应、且最新得到的脉冲数据和最大的权重系数对应进行加权求和，得到基线值并输出.

脉冲峰值识别模块可以采用现有的技术，例如识别出脉冲数据的最大值即是峰值，或采用下面介绍的本发明的优选实施例。

本实施例的原理如下：

在一个粒子测量系统中，测量开始后，如图1，传感器产生脉冲信号，经过放大和滤波，形成具有一定幅度范围和一定频带范围的模拟信号，再经具有合适采样频率的ADC(模数转换器)转换为一定位数(即转换精度)的数字信号，是为数字式的脉冲信号。这个信号就是本装置的输入，进入装置内的信号通常又称为数据，包括脉冲数据和基线数据。

如图1所示，输入的脉冲数据首先进入基线估算模块，一个数据对应模拟信号的一个采样点，这个采样的时间点就是所有模块统一工作的节拍。基线估算的方法是这样的：在脉冲非持续期间(即图3的标号1之前、标号5～6之间、标号8之后)把连续采样得到的数据，按照时间顺序，排成一组数列，最新得到的数据排在最后，称为数据阵列，存储在数据阵列存储器中。对应数据阵列选择一组权重系数，按照大小顺序，这组权重系数也排成一组数列，最大的排在最后，称为权重数列，存储在权重数列存储器中。把数据阵列和权重数列一一对应进行加权求和，无数据对应的，令数据为0。这个加权和就是基线值。随着时间的推移，每次新采样的一个数据，插入到数据阵列的最后，其余向前平移，组成一排新的数据阵列，再次与权重数列进行加权求和，得到一个新的基线值。这样每个采样点将对应一个的基线值。如此重复，当采样点足够多时，最后估算得到基线值就能基本与脉冲的真实基线吻合，而且这种方法估算的基线值能跟踪基线的实际波动而不断自我调整。

得到基线值之后，再把缓冲区的脉冲数据与基线值相减，得到相对脉冲数据。

脉冲识别模块根据相对脉冲数据的大小是否超过或低于预定的阈值

(如图3阈值虚线)，判定一个脉冲的开始或结束。输出脉冲持续标记(如图3的标号1～5之间、6～8之间)、脉冲开始标记(如图3的标号1、6)和脉冲结束标记(如图3的标号5、8)。

本实施例输出为相对脉冲数据，消除了基线波动对脉冲数据的影响，提高了识别出的峰值的准确性，并且采用数字逻辑电路的并行处理，不需要存储基线数据，所以不需要大的存储空间，并且具有良好的处理速度。

具体实施例二、在脉冲持续期间，噪声可能引起信号微小的扰动，这很可能会影响波峰的检测，本实施例在具体实施例一的基础上对峰值识别模块进行改进。如图2所示，峰值识别模块包括斜率识别模块和波峰检测模块，斜率识别模块响应脉冲识别模块的输出，在脉冲持续期间接收相对脉冲数据，将前后两个采样点的数据相减计算其斜率，当该斜率的绝对值(即差分)超过预定的第二阈值时，则认为是噪声扰动，当该斜率的绝对值在预定的第二阈值范围内时，则认为是有效波动，输出波动标记。且在该斜率由正变负时，表明脉冲开始下降，输出下降标记(如图3的标号2、4、7)。斜率识别模块可以通过减法器和比较器实现，其中第二阈值可根据经验来选定。波峰检测模块响应脉冲识别模块的输出，在脉冲持续期间接收相对脉冲数据，并监测斜率识别模块输出的波动标记和下降标记，在波动标记出现且下降标记有效时，输出此时的第一相对脉冲数据，该值即为波峰值。

还可以进一步包括波谷检测模块、有效性判定模块和存储器；在斜率由负变正时，表明脉冲开始上升，斜率识别模块输出上升标记(如图3的标号3)；波谷检测模块响应脉冲识别模块的输出，在脉冲持续期间接收相对脉冲数据，并监测斜率识别模块输出的波动标记和上升标记，在波动标记出现且上升标记有效时，输出此时的第二相对脉冲数据，该值即为波谷值；有效性判定模块接收第一相对脉冲数据(即波峰值)和第二相对脉冲数据(即波谷值)，并计算第一相对脉冲数据和同一脉冲内相邻的第二相对脉冲数据相除所得的落差比，在落差比大于第三阈值时，输出一个使能信号至存储器，存储由波峰监测模块输出的此时的波峰值，其中第三阈值可根据经验选定。有效性判定模块还响应脉冲识别模块的输出，在接收到脉冲结束标记时(如图3中的标号5、8)，输出一个使能信号至存储器，存储由波峰监测模块输出的此时的波峰值。如果峰值和相邻波谷的比值越大，表明波峰突起的程度越高，该脉冲中可能包含两个粘连在一起的粒子。反之，表明突起程度不够。有效性判别模块应在脉冲结束标记(图3的标号5、8)或上升标记(图3的标号3)出现时开始工作，原则是出现一个峰值即需判定一次。当判定有效时，输出当前峰值，并给出写使能信号，否则忽略。使能信号便于与存储器连接，进行存储操作，同时也作为峰值有效的一个提示信号。其中波谷检测模块和波峰检测模块可通过数字触发器实现。

本实施例通过对波峰值的有效性判断，对于波峰突起程度比较高的脉冲，因该脉冲中可能包含两个粘连的粒子，所以输出两个使能信号存储其波峰值，从而保证粒子计数的准确性。

上述各个模块可以通过FPGA建立。

如图4所示为本发明的一种优选的处理流程图，包括以下步骤：

在步骤10，在脉冲非持续期间，将连续采样得到的基线数据，按照时间顺序排列，得到数据阵列，然后执行步骤11；

在步骤11，将权重系数按照大小顺序排列，得到权重数列，权重数列为收敛的无穷数列，且该权重数列之和等于1，然后执行步骤12；

在步骤12，将数据阵列中的数据按照采样时间先后顺序和权重数列中从小到大的权重系数一一对应、且最新得到的数据和最大的权重系数对应进行加权求和，得到基线值，然后执行步骤13；

在步骤13，将采样的脉冲数据减去基线值，得到相对脉冲数据，然后执行步骤14；

在步骤14，将前后两个相对脉冲数据相减计算其斜率，在该斜率的绝对值在预定的第二阈值范围内时输出波动标记，且在该斜率由正变负时输出下降标记，在该斜率由负变正时输出上升标记，然后执行步骤15；

在步骤15，监测斜率识别模块输出的波动标记和下降标记，在波动标记出现且下降标记有效时，输出此时的第一相对脉冲数据，即波峰值；在波动标记出现且上升标记有效时，输出此时的第二相对脉冲数据，即波谷值，然后执行步骤16；

在步骤16，计算第一相对脉冲数据和同一脉冲内相邻的第二相对脉冲数据相除所得的落差比，在所述落差比大于阈值时，输出一个使能信号至存储器，存储此时的第一相对脉冲数据；并在脉冲结束时，输出一个使能信号至存储器，存储此时的第一相对脉冲数据。

综上所述，本发明基于数字逻辑电路的并行处理，不需要存储数据，直接识别，根据预定的识别准则对输入的脉冲信号进行峰值识别，输出规定时间段里所有脉冲内含有的符合准则的峰值，同时给出每个峰值数据的所对应写使能信号，用于存储操作，不但提高了峰值识别的准确性，还具有较快的处理速度.本发明还可多个特征同时识别.

Claims (9)

1.一种脉冲信号识别装置，包括用于识别出峰值的峰值识别模块，其特征在于：还包括基线估算模块和减法器，所述基线估算模块接收脉冲非持续期间的数据，组成数据阵列，所述基线估算模块包括用于按照采样时间顺序存储数据阵列的数据阵列存储器、按照权重系数大小顺序存储权重数列的权重数列存储器和加权求和单元，所述权重数列为收敛的无穷数列，且该权重数列之和等于1；所述加权求和单元读取数据阵列和权重数列，将数据阵列中的数据按照采样时间先后顺序和权重数列中从小到大的权重系数一一对应、且最新得到的脉冲数据和最大的权重系数对应进行加权求和，得到基线值并输出；所述减法器接收脉冲数据和基线值，将脉冲数据减去基线值后得到相对脉冲数据并输出至峰值识别模块。

2.如权利要求1所述的脉冲信号识别装置，其特征在于：还包括脉冲识别模块，所述脉冲识别模块接收减法器输出的相对脉冲数据，用于根据相对脉冲数据的大小是否超过或低于预定的第一阈值，判定一个脉冲的开始或结束，并输出脉冲持续标记、脉冲开始标记和脉冲结束标记；所述基线估算模块响应脉冲识别模块的输出，在脉冲非持续期间工作。

3.如权利要求2所述的脉冲信号识别装置，其特征在于：所述峰值识别模块还包括斜率识别模块和波峰检测模块，所述斜率识别模块接收相对脉冲数据，将前后两个相对脉冲数据相减计算其斜率，用于在该斜率的绝对值在预定的第二阈值范围内时输出波动标记，且在该斜率由正变负时输出下降标记；所述波峰检测模块接收相对脉冲数据，并监测斜率识别模块输出的波动标记和下降标记，用于在波动标记出现且下降标记有效时，输出此时的第一相对脉冲数据。

4.如权利要求3所述的脉冲信号识别装置，其特征在于：所述峰值识别模块还包括波谷检测模块、有效性判定模块和存储器；所述斜率识别模块还用于在斜率由负变正时输出上升标记；所述波谷检测模块接收相对脉冲数据，并监测斜率识别模块输出的波动标记和上升标记，用于在波动标记出现且上升标记有效时，输出此时的第二相对脉冲数据；所述有效性判定模块接收第一相对脉冲数据和第二相对脉冲数据，并计算第一相对脉冲数据和同一脉冲内相邻的第二相对脉冲数据相除所得的落差比，用于在所述落差比大于第三阈值时，输出一个使能信号至存储器；且所述有效性判定模块响应脉冲识别模块的输出，用于在接收到脉冲结束标记时，输出一个使能信号至存储器；所述存储器接收波峰检测模块输出的第一相对脉冲数据，用于在接收到使能信号时存储此时的第一相对脉冲数据。

5.如权利要求4所述的脉冲信号识别装置，其特征在于：所述斜率识别模块、波峰检测模块和波谷检测模块还响应脉冲识别模块的输出，用于在脉冲持续期间接收相对脉冲数据。

6.一种脉冲信号识别方法，其特征在于包括以下步骤：

A1、在脉冲非持续期间，将连续采样得到的数据，按照时间顺序排列，得到数据阵列；

B1、将权重系数按照大小顺序排列，得到权重数列，所述权重数列为收敛的无穷数列，且该权重数列之和等于1；

C1、将数据阵列中的数据按照采样时间先后顺序和权重数列中从小到大的权重系数一一对应、且最新得到的数据和最大的权重系数对应进行加权求和，得到基线值；

D1、将采样的脉冲数据减去基线值，得到相对脉冲数据；

E1、根据相对脉冲数据识别出脉冲峰值。

7.如权利要求6所述的脉冲信号识别方法，其特征在于：在步骤E1包括以下步骤：

E11、将前后两个相对脉冲数据相减计算其斜率，在该斜率的绝对值在预定的第二阈值范围内时输出波动标记，且在该斜率由正变负时输出下降标记，在该斜率由负变正时输出上升标记；

E12、监测斜率识别模块输出的波动标记和下降标记，在波动标记出现且下降标记有效时，输出此时的第一相对脉冲数据。

8.如权利要求7所述的脉冲信号识别方法，其特征在于：在步骤E12之后还包括以下步骤：

E13、监测波动标记和上升标记，在波动标记出现且上升标记有效时，输出此时的第二相对脉冲数据；

E14、计算第一相对脉冲数据和同一脉冲内相邻的第二相对脉冲数据相除所得的落差比，在所述落差比大于第三阈值时，输出一个使能信号至存储器，存储此时的第一相对脉冲数据；

E15、在脉冲结束时，输出一个使能信号至存储器，存储此时的第一相对脉冲数据。

9.如权利要求8所述的脉冲信号识别方法，其特征在于：在步骤D1之后还包括以下步骤：根据相对脉冲数据的大小是否超过或低于预定的第一阈值，判定一个脉冲的开始或结束，并输出脉冲持续标记、脉冲开始标记和脉冲结束标记，控制步骤A1-C1在脉冲非持续期间工作，控制其它步骤在脉冲持续期间工作。

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