CN102393214A - 连续物理量数据采集方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种对温度、压力等连续物理量数据采集方法，包括，输入代表连续物理量的电压信号(u)；经模拟采样通道获得模拟电压的采样信号(u_k)，其中，采样频率是f_Δh；数字低通滤波(u_k)获得经过低通滤波的电压信号

对

重抽样获得重抽样信号

其中，重抽样频率f_Δy与应用端需要的采样频率相同，采样频率f_Δh是重抽样频率f_Δy的M倍；存储并输出重抽样信号到应用端。本发明还给出了相应的装置。降低了模拟采样通道的成本，

能够代替直接应用于工业自动化中，尤其是输出的中不再包含暂态值，能够满足稳态模型对输入量的要求，并抑制随机干扰、提高测量精度。

Description

连续物理量数据采集方法和装置

技术领域

本发明涉及连续物理量的测量和数据采集技术，尤其是涉及热工、化工、冶金、电力行业的温度、压力、流量、电压、浓度、电流、电压、功率、转速等的数字测量与数据采集方法和电路。

背景技术

在工业自动化中，需要对温度、压力、流量、电压、浓度等连续物理量进行测量和数据采集(以下简称数据采集)。通常，对于连续物理量经过模拟采样通道按照应用端要求对模拟信号进行数据采样，采样频率为f_Δy。为了避免混频，需要在模拟采样通道中设置模拟低通滤波器，其截至频率f_c＜0.5×f_Δy，由于f_Δy较小，所以，f_c很小，将增加模拟低通滤波器的难度和成本。

此外，很大一部分工业自动化采用稳态模型，需要物理量的数据采集稳态值。中国发明专利ZL200910158375.x和ZL200910158370.7(发明人：郝玉山，发明名称“连续物理量测量装置和方法”)中给出了一般物理量的稳态量和全态量的测量与记录，但输出的频率不符合以上数据采集频率、输出内容也较多(包括起止时间等)，不便直接应用于工业自动化中。

发明内容

本发明的目的针对以上问题，旨在给出连续物理量的数据采集方法与装置。

本发明的连续物理量的数据采集方法包括，

输入代表连续物理量的电压信号u；

经模拟采样通道对电压信号采样得到采样信号u_k，采样频率为f_Δh；

对采样信号u_k重抽样获得重抽样信号u_j，重抽样频率f_Δy由应用端规定；

其特征在于：还包括

重抽样之前的数字低通滤波，将采样信号u_k低通滤波后获得

再重抽样，由

获得

数字低通滤波的截至频率f_c＜0.5×f_Δy，以避免重抽样可能产生的混频错误。

模拟低通滤波器的截至频率f_c＜0.5×f_Δh，由于f_Δh大于f_Δy很多倍，与没有数字低通滤波和重抽样相比，本方法能够提高模拟低通滤波器的f_c很多倍，所以，本方法能够降低模拟滤波器的难度和成本，而快速的模数变换尤其是Δ-∑的模数变换器造价很低。

数字低通滤波器的传递函数如下式：

$G\left(z\right)=\frac{1}{a_0+a_1\·z^{-1}+\mathrm{\Λ}+a_n\·z^{-n}}$

其中，n＝2，4，6，8，为滤波器的阶数。G(z)常用特殊函数，如n阶巴特沃斯或n阶切比雪夫滤波器。

按照本发明的一个方面，所述数字低通滤波是变结构的平均算法：

判断u_k是稳态还是暂态，给出标志F，F＝1为暂态，F＝0为稳态；F＝0由采样信号u_k求取平均值

当F＝1时，

为u_k实际应用中不可能达到的值，到达应用端后对

中不可能达到的值作为坏数据予以剔除；当F由1变到0时，将平均值

清零并令k＝1。

平均值计算是： ${\stackrel{\‾}{u}}_k=\frac{1}{k}\·\underset{l=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{u}_l=\frac{1}{k}\·[(k-1)\·{\stackrel{\‾}{u}}_{k-1}+u_k)].$

判据为：对输入量u_k求方差，

${\hat{s}}_k^2=\frac{k-2}{k-1}{\hat{s}}_{k-1}^2+{({\stackrel{\‾}{u}}_k-{\stackrel{\‾}{u}}_{k-1})}^2+\frac{1}{k-1}{({\stackrel{\‾}{u}}_k-u_k)}^2$

若 $|u_k-{\stackrel{\‾}{u}}_k|\≤\sqrt{k}\·t_{\mathrm{\α}/2}(k-1)\·{\hat{s}}_k$ 则为稳态，其中，即平均值，t_α/2为学生分布，α为风险水平。

所述数字低通滤波是变结构的αβ γ滤波：

对输入量u_k进行α β γ滤波，获得u_k的位置分量S_k、速度分量v_k和加速度分量a_k；位置分量S_k即滤波器的输出；

若|a_k|＜a_g和|υ_k|＜υ_g则为稳态，F＝0，S_k保持不变；否则，为暂态，F＝1，S_k为u_k实际应用中不可能达到的值，到达应用端后对S_j中不可能达到的值作为坏数据予以剔除；当F由1变到0时，将S_k清零并令k＝1；输出S_k到重抽样。其中a_g和υ_g为给定值，它们与信号u_k的带宽、即时间常数有关，详见αβγ滤波器设计或卡尔曼滤波器设计的有关资料。

实际应用中，判据还可以简化，取|a_k|＜a_g和|υ_k|＜υ_g两个不等式之一作为判据，若满足则为稳态，否则，不满足为暂态。

本发明还提供了一种连续物理量数据采集装置，包括，

模拟采样通道，用于对输入连续物理量的电压信号u进行模拟采样，采样频率是f_Δh，输出模拟电压的采样信号u_k；

重抽样开关，对采样信号u_k重抽样获得重抽样信号u_j，并输出重抽样信号u_j到寄存器；

寄存器，寄存重抽样信号u_j；

总线，控制寄存器输出数据到总线、并经总线输出数据u_j到应用端；和

定时控制器，用于控制模拟采样通道和重抽样开关；

其特征在于，还包括

数字低通滤波器，接收来自模拟采样通道的模拟电压的采样信号u_k、进行低通滤波、输出滤波后的信号

。数字低通滤波器的截至频率f_c小于0.5倍的重抽样频率f_Δy，而模拟采样通道中的模拟低通滤波器的截至频率f_c小于0.5倍的采样频率f_Δh。

根据本发明的连续物理量数据采集装置的一个方面，在上述方案中，所述数字低通滤波器还可以由平均单元和判断单元组成：

所述判断单元输入来自模拟采样通道的模拟电压的采样信号u_k，求出标志F，输出到平均单元；当模拟采样值u_k处于稳态过程时F＝0，反之，当模拟采样信号u_k处于暂态过程时F＝1；

所述平均单元输入来自模拟采样通道的模拟采样值u_k，当F＝0时，求出平均值

当F＝1时，平均值赋值为u_k不可能达到的值(例如不可能出现的最大值)，该不可能达到的值到达应用端后将作为坏数予以剔除；当F由1变0时，所述平均值

被清零并令k＝1；平均值输出到重抽样开关。

所述数字低通滤波还可以是变结构的αβ γ滤波器：

αβγ滤波器对输入量u_k进行αβγ滤波，获得u_k的位置分量S_k、速度分量υ_k和加速度分量a_k；

若|a_k|＜a_g和|υ_k|＜υ_g则为稳态，F＝0，S_k保持不变；否则，为暂态，F＝1，S_k为u_k实际应用中不可能达到的值，到达应用端后对S_j中不可能达到的值作为坏数据予以剔除；当F由1变到0时，将S_k清零并令k＝1；

输出S_k到重抽样。

其中a_g和υ_g为给定值，它们与信号u_k的带宽、即时间常数有关，详见αβγ滤波器设计或卡尔曼滤波器设计的有关资料。

实际应用中，上述判据允许简化，例如只取|a_k|＜a_g或|υ_k|＜υ_g中的一个作为判据。

采用数字低通滤波器和重抽样开关后，模拟采样通道能够采用便宜的ADC和便已的模拟低通滤波器，从而降低模拟采样通道的成本。

或S_j代替u_j直接应用于工业自动化中，尤其是

或S_j中不再包含暂态值，能够满足稳态模型对输入量的要求，并抑制随机干扰、提高测量精度。

附图说明

图1是本发明的连续物理量的数采方法和装置的一个方案。

图2是本发明的连续物理量的数采方法和装置的另一个方案。

图3是本发明的一种连续物理量的稳态值数据采集方法和电路。

实施例

图1给出了一种连续物理量的数采方法和装置。

图1中，包括模拟采样通道1、寄存器2、总线3和定时控制器4，本发明人的贡献在于，还包括重抽样开关5和数字低通滤波器6。输入连续物理量的电压信号u，经模拟采样通道1后给出模拟电压的采样值u_k；采样值u_k经过数字低通滤波器6滤除高频，避免后续重抽样过程可能产生的混频错误，输出经过低通滤波的信号

滤波后的信号

输出到重抽样开关5，进行重抽样，输出重抽样值

存储到寄存器2中；寄存器2在总线3的控制下经总线3输出数据到应用端；模拟采样通道1和重抽样开关5受控于定时控制器4。

数字低通滤波器的截至频率f_c小于0.5倍的重抽样频率f_Δy；而重抽样频率f_Δy由应用端规定。

图2给出了连续物理量的稳态值数据采集方法和电路。

图2将图1中的数字低通滤波器6更换成图2的平均单元7和判断单元8，其它电路配置和作用都同图1的描述。图2中，模拟采样通道1的输出u_k一方面经过平均单元7后给出平均值

再经过采样开关5寄存到寄存器2中；u_k另一方面输入到判断单元8，输出标志F到平均单元7；当u_k处于稳态过程时F＝0，反之，当u_k处于暂态过程时F＝1；其中，当F＝0时，平均单元7求出平均值

当F＝1时，赋平均单元7中平均值为不可能达到的值(例如不可能出现的极大值)，该不可能达到的值到应用端后将作为坏数据予以剔除，当F由1变0时，所述平均值被清零和k＝1；输出平均值

到重抽样开关。

平均值计算是： ${\stackrel{\‾}{u}}_k=\frac{1}{k}\·\underset{l=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{u}_l=\frac{1}{k}\·[(k-1)\·{\stackrel{\‾}{u}}_{k-1}+u_k)].$

判断单元8的判据为：对采样信号(u_k)求方差，

${\hat{s}}_k^2=\frac{k-2}{k-1}{\hat{s}}_{k-1}^2+{({\stackrel{\‾}{u}}_k-{\stackrel{\‾}{u}}_{k-1})}^2+\frac{1}{k-1}{({\stackrel{\‾}{u}}_k-u_k)}^2$

若 $|u_k-{\stackrel{\‾}{u}}_k|\≤\sqrt{k}\·t_{\mathrm{\α}/2}(k-1)\·{\hat{s}}_k$ 则为稳态，否则为暂态，其中，

即平均值，t_α/2为学生分布，α为风险水平。

图3给出了另一种连续物理量的稳态值数据采集方法和电路。

图3将图1中的数字低通滤波器6更换成图3的αβ γ滤波器

赋值单元(B)和判断单元(C)，其它电路配置和作用都同图1的描述。图3中，模拟采样通道1的输出u_k经过αβ γ滤波器(A)后输出位置分量S_k、速度分量v_k和加速度分量a_k，位置分量S_k即滤波器的输出，经过赋值单元(B)后、再经重抽样开关5寄存到寄存器2中；速度分量υ_k和加速度分量a_k输入到判断单元(C)，当u_k处于稳态过程时F＝0，反之，当u_k处于暂态过程时F＝1，判断单元(C)输出标志F到赋值单元(B)；当F＝0时，赋值单元(B)的输出等于位置分量S_k，当F＝1时，赋值单元(B)的输出等于u_k不可能达到的值，该不可能达到的值到应用端后将作为坏数据予以剔除。

判断单元(C)的判据是：若|a_k|＜a_g和|υ_k|＜υ_g则为稳态，F＝0；否则，为暂态，F＝1。

允许判断单元(C)的判据简化：取|a_k|＜a_g和|υ_k|＜υ_g中的一个作为判断依据，例如，只有|a_k|＜a_g(或|υ_k||＜υ_g)，若满足则为稳态，否则，|a_k|≥a_g(或|υ_k|≥υ_g)为暂态。其中a_g和υ_g为给定值，它们与信号u_k的时间常数有关，详见αβ γ滤波器设计或卡尔曼滤波器设计的有关资料。

上述实施方案可用CPLD、FPGA、ASIC或类似数字电路完成，也可由DSP的程序实现，详见它们的开发说明书。也可以将上述实施方案全部集成在一个芯片内加以实现。

本发明的实施例仅给出了一些具体实施方式，本领域的普通技术人员在不脱离本申请的发明精神和构思的情况下，可以做出各种变型，这些都属于本申请的权利要求所要求保护的范围。

Claims (13)

1.一种连续物理量数据采集方法，包括，

输入代表连续物理量的电压信号(u)；

经模拟采样通道对电压信号采样得到采样信号(u_k)，采样频率为(f_Δh)；

对采样信号(u_k)重抽样获得重抽样信号(u_j)，重抽样频率(f_Δy)由应用端规定；

其特征在于：还包括

重抽样之前的数字低通滤波，将采样信号(u_k)低通滤波后获得

再重抽样，由

获得

存储并输出重抽样电压信号

到应用端。

2.根据权利要求1的连续物理量数据采集方法，其特征在于，所述数字低通滤波的截至频率f_c小于0.5倍的重抽样频率f_Δy。

3.根据权利要求1或2的连续物理量数据采集方法，其特征在于，所述数字低通滤波的传递函数如下式：

$G\left(z\right)=\frac{1}{a_0+a_1\·z^{-1}+\mathrm{\Λ}+a_n\·z^{-n}}$

其中，n＝2，4，6，8，为滤波器的阶数；G(z)常用特殊函数，如n阶巴特沃斯或n阶切比雪夫滤波器。

4.根据权利要求1的连续物理量数据采集方法，其特征在于，所述数字低通滤波是变结构的平均算法：

判断u_k是稳态还是暂态，给出标志F，F＝1为暂态，F＝0为稳态；F＝0由采样信号u_k求取平均值

当F＝1时，

为u_k实际应用中不可能达到的值，到达应用端后对

中不可能达到的值作为坏数据予以剔除；当F由1变到0时，将平均值

清零并令k＝1。

5.根据权利要求4的连续物理量数据采集方法，其特征在于，所述平均值计算公式是： ${\stackrel{\‾}{u}}_k=\frac{1}{k}\·\underset{l=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{u}_l=\frac{1}{k}\·[(k-1)\·{\stackrel{\‾}{u}}_{k-1}+u_k)].$

6.根据权利要求4的连续物理量数据采集方法，其特征在于，所述判断步骤的判据为：对物理量的输入量(u_k)求方差，

${\hat{s}}_k^2=\frac{k-2}{k-1}{\hat{s}}_{k-1}^2+{({\stackrel{\‾}{u}}_k-{\stackrel{\‾}{u}}_{k-1})}^2+\frac{1}{k-1}{({\stackrel{\‾}{u}}_k-u_k)}^2$

若 $|u_k-{\stackrel{\‾}{u}}_k|\≤\sqrt{k}\·t_{\mathrm{\α}/2}(k-1)\·{\hat{s}}_k$ 则为稳态，否则为暂态，其中，

即平均值，t_α/2为学生分布，α为风险水平。

7.根据权利要求1的连续物理量数据采集方法，其特征在于，所述数字低通滤波是变结构的αβγ滤波：

对输入量u_k进行αβγ滤波，获得u_k的位置分量S_k、速度分量v_k和加速度分量a_k；位置分量S_k即滤波器的输出；

若|a_k|＜a_g和|υ_k|＜υ_g则为稳态，F＝0，S_k保持不变；否则，为暂态，F＝1，S_k为u_k实际应用中不可能达到的值，到达应用端后对u_j中不可能达到的值作为坏数据予以剔除；当F由1变到0时，将S_k清零并令k＝1；

输出S_k到重抽样。其中a_g和υ_g为给定值。

8.根据权利要求7的连续物理量数据采集方法，其特征在于，稳态的判据可以弱化为|a_k|＜a_g或|υ_k|＜υ_g其中之一，若满足为稳态，否则，为暂态。

9.一种连续物理量数据采集装置，包括，

模拟采样通道(1)，用于对输入连续物理量的电压信号u进行模拟采样，采样频率是f_Δh，输出模拟电压的采样信号u_k；

重抽样开关(2)，对采样信号u_k重抽样获得重抽样信号u_j，并输出重抽样信号u_j到寄存器(3)；

寄存器(3)，寄存重抽样信号u_j；

总线(4)，控制寄存器(3)输出数据到总线(4)、并经总线(4)输出数据u_j到应用端；和

定时控制器(5)，用于控制模拟采样通道(1)和重抽样开关(2)；

其特征在于，还包括

数字低通滤波器(6)，接收来自模拟采样通道(1)的模拟电压的采样信号u_k、进行低通滤波、输出滤波后的信号

数字低通滤波器(6)的截至频率f_c小于0.5倍的重抽样频率f_Δy，而模拟采样通道中的模拟低通滤波器的截至频率f_c小于0.5倍的采样频率f_Δh。

10.根据权利要求9的连续物理量数据采集装置，其特征在于，所述数字低通滤波器(6)由平均单元(7)和判断单元(8)组成：

所述判断单元(8)输入来自模拟采样通道(1)的模拟采样值(u_k)，求出标志F，输出到平均单元(7)；当模拟采样值(u_k)处于稳态过程时F＝0，反之，当模拟采样值(u_k)处于暂态过程时F＝1；

所述平均单元(7)输入来自模拟采样通道(1)的模拟采样值u_k，当F＝0时，求出平均值

当F＝1时，平均值赋值为u_k不可能达到的值(例如不可能出现的最大值)，该不可能达到的值到达应用端后将作为坏数予以剔除；当F由1变0时，所述平均值

被清零并令k＝1；

平均值

输出到重抽样开关(2)。

11.根据权利要求10的连续物理量数据采集装置，其特征在于，所述平均单元(7)计算公式是： ${\stackrel{\‾}{u}}_k=\frac{1}{k}\·\underset{l=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{u}_l=\frac{1}{k}\·[(k-1)\·{\stackrel{\‾}{u}}_{k-1}+u_k)].$

12.根据权利要求10的连续物理量数据采集装置，其特征在于，所述判断单元(8)的判据为：对物理量的输入量(u_k)求方差，

${\hat{s}}_k^2=\frac{k-2}{k-1}{\hat{s}}_{k-1}^2+{({\stackrel{\‾}{u}}_k-{\stackrel{\‾}{u}}_{k-1})}^2+\frac{1}{k-1}{({\stackrel{\‾}{u}}_k-u_k)}^2$

若 $|u_k-{\stackrel{\‾}{u}}_k|\≤\sqrt{k}\·t_{\mathrm{\α}/2}(k-1)\·{\hat{s}}_k$ 则为稳态，否则为暂态，其中，

即平均值，t_α/2为学生分布，α为风险水平。

13.根据权利要求9的连续物理量数据采集装置，其特征在于，所述数字滤波器(6)是变结构的αβγ滤波器，对来自模拟采样通道(1)的模拟采样值(u_k)进行αβγ滤波，获得(u_k)的位置分量(S_k)、速度分量(υ_k)和加速度分量(a_k)；若|a_k＜a_g和|υ_k|＜υ_g则为稳态，F＝0，S_k保持不变；；否则为暂态，F＝1，S_k为u_k实际应用中不可能达到的值，到达应用端后对S_j中不可能达到的值作为坏数据予以剔除；当F由1变到0时，将S_k清零并令k＝1；输出S_k到重抽样开关(2)。

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