CN101666834B - 一种抗工频及其谐波干扰的信号采样方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于电变量采样测量技术领域，提供了一种抗工频干扰的信号采样方法及系统，所述方法包括以下步骤：步骤A，于输入的市电交流信号中提取工频信号，通过工频信号对叠加在检测信号上的工频干扰信号进行同步跟踪，并产生一工频同步信号；步骤B，根据工频同步信号锁定工频干扰信号的过零点相位，在过零点相位对输入的检测信号进行同步采样。本发明通过同步跟踪工频干扰信号来实现在其过零点相位进行检测信号的同步采样，相对陷波器或滤波技术，本发明实施例在消除工频干扰的同时，可最大程度地保留检测信号中的有效成分，且算法实现简单、资源及耗时少并可实时跟踪工频干扰。
Description
技术领域
本发明属于电变量采样测量技术领域，尤其涉及一种抗工频及其谐波干扰的信号采样方法及系统。
背景技术
在许多基于市电交流供电的工业测控、医疗设备、家用电器中存在微弱信号采样检测系统，由于市电交流电网工频电磁场分布、供电变压器接地方式、热地底板技术的采用等原因常常使得被检测的信号受到工频噪声干扰的影响。
因此，抑制或消除工频及其谐波干扰是重要的技术课题之一。
目前已有的抑制或消除工频及其谐波干扰的技术方法主要有以下几种：
1、在信号采样端设置以工频为中心频率的陷波器，从而阻止或衰减测量信号中的工频成分。
2、采用数字滤波器滤波，一般采用软件数字滤波算法实现，以滤除检测信号中的工频成分。比如无限脉冲响应IIR数字滤波器、有限脉冲响应FIR数字滤波器、自适应滤波、相干模板法滤波等。
3、将工频干扰看成随机干扰，采用多次重复测量叠加求均方的方式，减小检测信号中的工频干扰，牺牲测量时间部分地消除工频干扰。
4、在整个信号路径上设置屏蔽措施，削弱通过感应引入的工频干扰。
以上技术方法中对于1、2而言，采样系统中的软硬件滤波措施，不仅衰减了工频干扰，而且还削弱了有用信号，致使信号采样失真。而上述软件算法的实现都存在资源占用多或时间耗费长等缺点，同时，工频是有一定波动范围的，对于固定中心频率的滤波器或滤波软件，都不具备跟踪工频干扰的功能，效果不理想。而方法3的工作效率偏低且在强干扰地区还可能失效。方法4则明显地增加了系统的复杂程度，成本也较高，且对于某些开放式的检测系统，例如人体接近触摸检测系统，这种方法效果并不好。
工频及其谐波干扰对信号采样具有极大的危害，特别当前流行触摸检测系统中，因工频干扰信号很难通过普通滤波方式解决，一直是行业难题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种抗工频及其谐波干扰的信号采样方法及系统，旨在改善现有技术中存在的无法同时兼顾信号保真、成本、资源占用、计算耗时和实时跟踪等性能的缺陷。
本发明实施例是这样实现的，一种抗工频及其谐波干扰的信号采样方法，包括以下步骤：
步骤A，于输入的市电交流信号中提取工频信号，通过所述工频信号对叠加在检测信号上的工频干扰信号进行同步跟踪，并产生一工频同步信号；
步骤B，根据所述工频同步信号锁定所述工频干扰信号的过零点相位，在所述过零点相位对输入的检测信号进行同步采样；
步骤C，在采样后经过所述工频同步信号的1/8周期的时间段内，对检测信号重采样，比较重采样值与前次采样值的差异，并根据比较结果决定是否需要重新锁定过零点相位。
本发明实施例提供的抗工频及其谐波干扰的信号采样系统包括：
工频同步电路，用于从输入的市电交流信号中提取工频信号，通过所述工频信号对叠加在检测信号上的工频干扰信号进行同步跟踪，并产生一工频同步信号；以及
采样控制器，其与所述工频同步电路连接，用于根据所述工频同步信号锁定工频干扰信号的过零点相位，并在所述过零点相位对输入的检测信号进行同步采样，所述采样控制器包括：
工频干扰信号过零点相位锁定模块，其与所述用于工频同步电路连接，用于根据预设的所述工频同步信号的频率，选择所述工频同步信号的距离过零点相位最近的边沿以锁定所述工频干扰信号的过零点相位，其中工频同步信号的频率为工频的正整数倍；
采样模块，其与所述工频干扰信号过零点相位锁定模块连接，用于在所述工频干扰信号过零点相位锁定模块锁定的工频干扰信号的过零点相位对输入的检测信号进行同步采样，所述采样模块内置一存储器，用于存储采样数据；
以及
采样相位检测和校正模块，其与所述采样模块、所述工频干扰信号过零点相位锁定模块连接，用于在所述采样模块采样后经过所述工频同步信号的1/8周期的时间段内，对检测信号重采样，比较重采样值与所述采样模块中存储的前次采样值的差异，并根据比较结果决定是否需要重新锁定过零点相位，若需要重新锁定，则将比较结果反馈至所述工频干扰信号过零点相位锁定模块以重新锁定过零点相位。
本发明实施例还提供了一种基于交流供电的电子设备，其包括一如上所述的抗工频及其谐波干扰的信号采样系统。
本发明实施例通过同步跟踪工频干扰信号来实现在其过零点相位进行检测信号的同步采样，相对陷波器或滤波技术，本发明实施例在消除工频干扰的同时，可最大程度地保留检测信号中的有效成分，且算法实现简单、资源及耗时少并可实时跟踪工频干扰。
附图说明
图1是本发明实施例提供的抗工频及其谐波干扰的信号采样方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的抗工频及其谐波干扰的信号采样系统的结构原理图；
图3是图2所示系统中相关信号的波形示意图；
图4是采用本发明实施例的电磁炉触摸检测系统示意图；
图5是图4所示应用实例中优选的一种100Hz工频同步信号电路示意图；
图6是图4所示的实施例中的相关信号波形对比示意图；
图7A是图4所示检测系统不采用本发明采样方法时的采样数据波形图；
图7B是图4所示检测系统有采用本发明采样方法时的采样数据波形图；
图8是采用本发明实施例的电热水器触摸检测系统的结构示意图；
图9是图8所示的实施例中的工频同步信号电路示意图；
图10是图8所示的实施例中的相关信号波形对比示意图；
图11A是图8所示检测系统不采用本发明采样方法时的采样数据波形图；
图11B是图8所示检测系统有采用本发明采样方法时的采样数据波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，首先对工频干扰信号同步跟踪，然后锁定其过零点相位，再对检测信号进行同步采样。
图1示出了本发明实施例提供的抗工频及其谐波干扰的信号采样方法的实现流程，详述如下：
在步骤S12中，于输入的市电交流信号中提取工频信号，通过所述工频信号对叠加在检测信号上的工频干扰信号进行同步跟踪，并产生一工频同步信号。
考虑到检测信号上叠加的工频干扰信号由市电交流信号中的工频信号干扰所产生，因此为得到工频干扰信号的过零点相位，本发明实施例通过市电交流信号中的工频信号实现对工频干扰信号的同步跟踪，并产生一同步的信号。
在步骤S22中，根据所述工频同步信号锁定所述工频干扰信号的过零点相位，在所述过零点相位对输入的检测信号进行同步采样。
可首先判断上述工频同步信号的频率是否满足要求，该频率可以设置为工频的任意正整数倍，而当该工频同步信号的频率大于工频时，在工频干扰信号的两个过零点之间，工频同步信号必然跳变多次，即存在多个边沿，此时只选择距离过零点相位最近的边沿来锁定，例如，若通过设置的同步信号的频率参数可得出在工频干扰信号的两个过零点之间工频同步信号具有两次跳变，而第2个(最后一个)边沿离过零点最近，因此选择第2个边沿来锁定过零点相位。
进一步地，为保证能够正确地锁定过零点相位，上述方法还包括以下步骤：
在采样后经过所述工频同步信号的1/8周期的时间段内，对检测信号重采样，比较重采样值与前次采样值的差异，并根据比较结果决定是否需要重新锁定过零点相位。其中，在采样后经过1/8周期时间内重采样是考虑到工频干扰信号是由工频信号耦合而得，在1/8工频周期时间内工频干扰信号与工频信号波形基本一致，此时间段内重采样可以准确地判断已锁定的过零点相位是否正确，而超过1/8周期后工频干扰信号与工频信号波形已经相差较远，从而无法准确地根据工频同步信号来锁定工频干扰信号的过零点相位。
图2示出了本发明实施例提供的抗工频及其谐波干扰的信号采样系统的结构原理，该系统可内置于任何基于交流供电的电子设备中。为了便于描述，图2仅示出了与本发明相关的部分。
参照图2，该信号采样系统包括工频同步电路21和与工频同步电路21连接的采样控制器22，其中工频同步电路21用于从输入的市电交流信号中提取工频信号，通过所述工频信号对叠加在检测信号上的工频干扰信号进行同步跟踪，并产生一工频同步信号，采样控制器22接收该工频同步信号，根据所述工频同步信号锁定工频干扰信号的过零点相位，并在所述过零点相位对输入的检测信号进行同步采样，其中，采样控制器22可以通过比较运算或外部中断触发或I/O状态查询的方式接收工频同步信号。
进一步地，如图3所示，采样控制器22还包括工频干扰信号过零点相位锁定模块221和与工频干扰信号过零点相位锁定模块221连接的采样模块222，工频干扰信号过零点相位锁定模块221与工频同步电路21连接，根据预设的所述工频同步信号的频率，选择工频同步信号的距离过零点相位最近的边沿以锁定工频干扰信号的过零点相位，其中工频同步信号的频率可预设为工频的正整数倍，而工频干扰信号过零点相位锁定模块221还可在锁定过零点相位之前首先判断上述工频同步信号的频率是否满足要求，若不符合，则需重新设定，然后采样模块222在工频干扰信号过零点相位锁定模块221锁定的工频干扰信号的过零点相位对输入的检测信号进行同步采样。
进一步地，为保证能够正确地锁定过零点相位，采样控制器22还包括一采样相位检测和校正模块223，同时采样模块222中内置一用于存储采样数据的存储器，采样相位检测和校正模块224与采样模块222、工频干扰信号过零点相位锁定模块221连接，用于在采样模块222采样后经过所述工频同步信号的1/8周期的时间段内，对检测信号重采样，比较重采样值与采样模块222中存储的前次采样值的差异，并根据比较结果决定是否需要重新锁定过零点相位，若需要重新锁定，则将比较结果反馈至工频干扰信号过零点相位锁定模块221以重新锁定过零点相位。
考虑到同步电路本身的相移和扫描所有检测通道需要占用一定的时间，硬件上要做到工频完全同相跟踪难度和成本太大，本发明仅要求工频同步电路21的输出信号的每20ms(50Hz)对应的边沿处在干扰信号的过零点相位附近，即图2所示的“最佳采样区域”，与过零点相位差小于5ms，同时软件上考虑进行微量延时，可得到更接近真实信号的采样值。图2中同步采样控制对应实际采样点(首次)，同步信号校正检测为重采样点，比较这两次采样值的差异即可判别为边沿选择是否正确，不正确则自动校正。
以下仅以目前流行的触摸检测系统来说明本发明的具体实施，具体为工频干扰现象极具典型的电磁炉和电热水器触摸IC，以下详细进行说明：
实施例1：
图4为一个应用于电磁炉触摸检测系统的实施例，采用的是单片机内置的滞回比较器功能接收同步信号，检测采样则是通过一个带多路开关的AD转换器进行数据采集而得到。
图5为此应用实例中优选的一种100Hz工频同步电路示意图，该电路利用了电磁炉的整流桥的地线来形成回路。市电50Hz交流信号经过D1、D2整流后得到100Hz全波信号，R1起分流和续流作用，C1隔直流通交流，R2与C1形成分压，C1、R1和R2配合组成高通滤波电路，输出的为C1上的充放电电压波形，C2、R2和C3为RC-π型滤波电路，用于滤除高频杂波，后端的D3和R4为稳压保护电路，防止输出的电压因市电抖动而超过触摸IC比较器输入端的电压范围。
图6为基于以上电路和检测系统测量相关IO的电压波形，输入到比较器的两路信号，其中一路是以地信号为比较参考电压，比较器结果输出的翻转边沿对应同步电路输出端电压的过零点时刻。同时由于稳压管的稳压作用，所以本电路可适应市电在规定的范围内波动时正常工作。
在实际的工频干扰环境下测试并记录，图7A是没有采用本发明采样方法时的采样数据波形图，显然工频干扰对采样检测数据的影响很严重，而图7B则是采用本发明采样方法后得到的非常稳定的采样检测数据。
实施例2：
图8为一个应用于电热水器触摸检测系统的实施例，本应用中工频同步信号电路直接输出到单片机外部中断口，通过其中断功能控制数据采样，检测采样则是通过多通道AD转换器(可同时转换多个通道)进行数据采集而得。
图9为此应用实例中优选的一种50Hz工频同步电路示意图，该电路地线与电热水器的地线连接形成回路。另一端连接到市电的L线或N线端，先后经过阻容降压模块、RC-π型滤波模块、稳压保护模块后得到稳定的数字方波同步信号。
图10为基于图8所述的检测系统和图8所述的同步电路测量相关IO的电压波形，同步电路输出的VOUT直接用于触发单片机的外部中断口INT，可选择产生触发事件的边沿类型(上升沿或下降沿)，即得到图中1002-“同步采样控制信号”，通过该控制信号进行采样，如图中1003和1004的干扰信号波形，可采得非常稳定并且最接近真实值的数据，该采样相位点即对应干扰耦合波形的过零点。
在实际的工频干扰环境下测试并记录，图11A是没有采用本发明采样方法时的采样数据波形图，显然工频干扰对采样检测数据的影响很严重，而图11B则是采用本发明采样方法后得到的非常稳定的采样检测数据。
本发明实施例通过同步跟踪工频干扰信号来实现在其过零点相位进行检测信号的同步采样，相对陷波器或滤波技术，本发明实施例在消除工频干扰的同时，可最大程度地保留检测信号中的有效成分，且算法实现简单、资源及耗时少并可实时跟踪工频干扰，最大程度地保证了采样信噪比，从而避开工频干扰的影响。其中的工频同步电路采用普通的元器件就可实现(如图5、图9)，相对于锁相环等技术实现的同步电路，还可降低成本，并且采样控制器可灵活采用比较器比较运算、外部中断触发、普通IO状态查询等方式接收同步信号，适合应用于以普通MCU为核心的电路设计中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种抗工频及其谐波干扰的信号采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，于输入的市电交流信号中提取工频信号，通过所述工频信号对叠加在检测信号上的工频干扰信号进行同步跟踪，并产生一工频同步信号；
步骤B，根据所述工频同步信号锁定所述工频干扰信号的过零点相位，在所述过零点相位对输入的检测信号进行同步采样；
步骤C，在采样后经过所述工频同步信号的1/8周期的时间段内，对检测信号重采样，比较重采样值与前次采样值的差异，并根据比较结果决定是否需要重新锁定过零点相位。
2.如权利要求1所述的抗工频及其谐波干扰的信号采样方法，其特征在于，所述工频同步信号的频率为工频的正整数倍；所述步骤B具体为：
步骤B1，根据预设的所述工频同步信号的频率，选择所述工频同步信号的距离过零点相位最近的边沿以锁定所述工频干扰信号的过零点相位；
步骤B2，在所述过零点相位对输入的检测信号进行同步采样。
3.如权利要求1所述的抗工频及其谐波干扰的信号采样方法，其特征在于，在步骤B之前，所述方法还包括：
步骤B0，判断所述工频同步信号的频率是否符合要求。
4.一种抗工频及其谐波干扰的信号采样系统，其特征在于，包括：
工频同步电路，用于从输入的市电交流信号中提取工频信号，通过所述工频信号对叠加在检测信号上的工频干扰信号进行同步跟踪，并产生一工频同步信号；以及
采样控制器，其与所述工频同步电路连接，用于根据所述工频同步信号锁定工频干扰信号的过零点相位，并在所述过零点相位对输入的检测信号进行同步采样，所述采样控制器包括：
工频干扰信号过零点相位锁定模块，其与所述工频同步电路连接，用于根据预设的所述工频同步信号的频率，选择所述工频同步信号的距离过零点相位 最近的边沿以锁定所述工频干扰信号的过零点相位，其中工频同步信号的频率为工频的正整数倍；
采样模块，其与所述工频干扰信号过零点相位锁定模块连接，用于在所述工频干扰信号过零点相位锁定模块锁定的工频干扰信号的过零点相位对输入的检测信号进行同步采样，所述采样模块内置一存储器，用于存储采样数据；
以及
采样相位检测和校正模块，其与所述采样模块、所述工频干扰信号过零点相位锁定模块连接，用于在所述采样模块采样后经过所述工频同步信号的1/8周期的时间段内，对检测信号重采样，比较重采样值与所述采样模块中存储的前次采样值的差异，并根据比较结果决定是否需要重新锁定过零点相位，若需要重新锁定，则将比较结果反馈至所述工频干扰信号过零点相位锁定模块以重新锁定过零点相位。
5.如权利要求4所述的抗工频及其谐波干扰的信号采样系统，其特征在于，所述采样控制器以比较运算或外部中断触发或I/O状态查询的方式接收工频同步信号。
6.如权利要求4所述的抗工频及其谐波干扰的信号采样系统，其特征在于，所述工频干扰信号过零点相位锁定模块还用于判断所述工频同步信号的频率是否符合要求。
7.一种基于交流供电的电子设备，其特征在于，其包括一如权利要求4至6任一项所述的抗工频及其谐波干扰的信号采样系统。
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