CN102959870A - 传感器信号采样 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于处理来自传感器的信号的系统。所述系统包括模拟-数字转换器。所述系统被配置为根据信号的期望形状来改变所述模拟-数字转换器的采样速率。

Description

传感器信号采样

发明领域

本发明涉及传感器信号采样。

概述

根据本发明的第一方面，提供了用于处理来自传感器的信号的系统，所述系统包括模拟-数字转换器，其中所述系统被配置为根据信号的期望形状来改变，例如，减小所述模拟-数字转换器的采样速率。

通过改变采样速率，可以减小给定信号的采样数量。减小采样数量可以有助于节省功率。减小采样数量还可以有助于减小所使用的处理能力和存储器的总量。

系统可以包括控制器，所述控制器被配置为提供信号到模拟-数字转换器，从而改变采样速率。信号可以触发模拟-数字转换器进行采样。

第n个采样（n为正整数）的采样时间t可以遵循以下关系：

t_n=func(n)

其中func(n)在信号的过程中是单调函数，例如，单调递增函数。函数可以被选择为使得在信号峰值的上半部内期望的采样点的数量（N+1）优选地在3和10之间或者更加优选地在3和5之间。

采样时间可以以比等差级数更快的速率增加，例如以几何速率增加。

在第n个采样和第(n+1)个采样之间的时间间隔Δt_n+1可以为：

Δt_n+1=Δt_n+cn

其中Δt_n是第(n-1)个采样和第n个采样之间的时间间隔，而c是正数，即c>0。

第n个采样（n为正整数）的采样时间t_n可以遵循以下关系：

t_n=a+t₀e^kn

其中a是偏移，其可以是零，即a=0，或者可以是正数，即a>0，t₀是初始采样时间，而k大于0，即k>0。k值可以使用以下公式来计算：

$k=\frac{1}{N}\·\log \left(\frac{t_B}{t_A}\right)$

其中(N+1)是位于期望值t_A和t_B之间的信号峰值上半部内的期望采样点的数量。(N+1)的值可以至少为3。(N+1)的值可以不大于10，并且可选择地不大于5。

k值可以不大于0.5，并且可选择地不大于大约0.3。k值可以大于0.05。

第n个采样（n为正整数）的采样时间t_n可以遵循以下关系：

t_n=a+t₀kⁿ

其中a是偏移，其可以为零，即a=0，或者可以是正数，即a>0，t₀是初始采样时间，而k大于1，即k>1。k值可以被计算为使得在信号峰值的上半部内期望的采样点的数量（N+1）优选地在3和10之间或者更加优选地在3和5之间。

第n个采样（n为正整数）的采样时间t_n可以遵循以下关系：

t_n=a+t₀n^p

其中a是偏移，其可以为零，即a=0，或者a可以是正数，即a>0，t₀是初始采样时间，而p大于1，即p>1。

系统可以是微控制器或者包括微控制器。

根据本发明的第二方面，提供了包括传感器和用于处理来自传感器信号的系统的装置，其中所述系统被操作地连接到传感器，使得当传感器产生信号时，由模拟-数字转换器接收信号。

装置可以是流量计。

根据本发明的第三方面，提供了包括接收模拟信号和对模拟信号数字采样的方法，其中所述模拟信号以取决于期望形状信号的变化的采样速率被采样。

采样之间的时间间隔可以单调递增。

根据本发明的第四方面，提供了传感器和包含了模拟-数字转换器的信号处理系统，其中所述模拟-数字转换器的采样速率随时间变化，以匹配由传感器发出的信号的期望带宽。

附图简述

现在将参考附图，作为示例，对本发明的确定实施方式进行描述，其中：

图1示出了来自电离(ionization)流量计系统的平均信号脉冲的实施例；

图2示出了在渡越时间(time-of-flight)测量期间的理想脉冲；

图3示出了使用均匀采样速率来对图2中示出的理想脉冲进行采样；

图4是测量的脉冲宽度随渡越时间而变化的图示；

图5示出了使用非均匀采样速率来对图2中示出的理想窄脉冲进行采样；

图6示出了使用非均匀采样速率来对图2中示出的理想宽脉冲进行采样；

图7是系统误差随k值而变化的图示；

图8示出了具有非均匀采样点的图1中示出的平均信号脉冲；以及

图9是电离流量计系统的示意性方框图。

特定实施方式的详细描述

电离流量计

电离流量计测量离子化气云在流管内两个点之间往来的时间，第一个点由调制栅极定义，第二点由检波器栅极定义。调制器栅极调制离子化气云的极性。在检波器栅极检测极性变化，并且测量从调制栅极到达检波器栅极的电离过渡的渡越时间。该测量的渡越时间随后用于计算气体在给定时间内穿越系统的体积流率。在WO 2007068869A中描述了电离流量计的实施例，其在此以引用方式并入。

信号特征

对云电离中改变的检测使用了镜像电荷和传感电子的原理以测量检波器栅极上或外的电流流动。随着电离变化接近检波器栅极，观测到稳定增大的电流流动和增大的信号振幅。在电离过渡通过检波器栅极的点观测到峰值电流和峰值信号振幅。随着过渡边沿继续远离检波器栅极，电流像所观测到的信号振幅一样都减小。找到信号峰值的时间可以确定电离过渡的渡越时间以及因此确定体积流率。图1示出了在检波器栅极观测到的平均信号脉冲。信号在若干调制器过渡上平均，以减小观测到的噪声总量。

峰值位置确定

以足够小的采样周期采样检测的信号将允许峰值时间简单地约等于峰值采样时间。如果使用曲线拟合技术来确定峰值位置，可以使用较长的采样周期、以及因此较少的采样和较低的功率消耗。将信号峰值周围的区域近似为二次方程式并将其拟合到采样数据点提供了对峰值位置的良好估算。

脉冲宽度变化

观察电离流量计系统内检测到的脉冲示出了脉冲宽度随渡越时间而变化，从而脉冲随着渡越时间增大而变得更宽，如在图2的理想脉冲中所示出的。因此，任何均匀采样机制必须具有足够小的采样周期，以允许以最短的所期望的渡越时间分辨最窄的所期望的脉冲宽度。这导致以较长渡越时间的对更宽脉冲进行采样中的冗余以及在捕获这些重复采样时所做出的努力的浪费，如在图3中所示出的。

基于所观测到的在脉冲宽度和渡越时间之间的关系，使用非均匀采样间隔提供了减小捕获的采样点数量同时保持峰值位置测量精确度的优点。根据所使用的非均匀采样机制，以看上去类似于后续处理程序的非均匀方式进行数据采样提供了第二个优点。

非均匀采样间隔的确定

为了确定最佳的非均匀采样间隔，需要定量脉冲宽度和渡越时间之间的关系。对电离流量计系统内信号进行的观察示出了脉冲宽度和渡越时间之间的关系近似地为线状，脉冲宽度与渡越时间近似地成比例，如图4中所示出的。该观察得出结论：采样周期应该以类似方式增大，从而采样n和采样(n+1)之间的时间是n的函数。采样时间应该以比等差级数更快的速率增加，等差级数对应于均匀的周期采样。

如果我们设想采样周期与ADC采样的数量成比例，可以得到采样间隔的一个可能的确定：

Δt_n=t_n+1-t_n=kt_n    （1）

将n的该差分方程与微分方程相比较：

$\frac{{\mathrm{dt}}_n}{d_n}={\mathrm{kt}}_n$

得出采样时间的解为：

其中t₀是初始采样所需要的时间，并且选择k值以给出期望的分辨率并确定使用的采样点的数量。

另一个可能的采样间隔确定用到了几何级数：

t_n=t₀kⁿ

以及

Δt_n=t₀(kⁿ-k^n-1)（2）

可以使用采样时间的许多其它序列，它们满足连续采样之间的间隔应该是采样数量的单调递增函数的条件：

Δt_n>Δt_n-1

以及

t_n=func(n)

使用如以上所描述的非均匀采样间隔导致图5和图6中示出的采样点被用于两个理想脉冲。当使用均匀采样时所见到的冗余已被移除。非均匀采样减小了采样点数量同时在信号峰值区域内保持了足够的点，以解析出峰值并通过拟合二次曲线估算峰值位置。

k的确定

等式中的k值

t_n=t₀e^kn

确定给定时间间隔中点的数量，并因此确定特定时间点的采样机制的分辨率。较低的k指示较低的采样间隔、较高的分辨率和较大数量的采样点。k值需要选择成使得较少采样点的优点不会导致没有足够的数据来精确地估算信号峰值。

假设在峰值振幅一半处测量的脉冲宽度为50ms（毫秒），在峰值达到200ms，并且在信号峰值的上半部内需要四个点以便获得对峰值位置的准确估算。可以通过观察t₀=175ms、t_N=225ms以及N=3来计算出k，并且：

$k=\frac{1}{N}\·\log \left(\frac{t_N}{t_0}\right)$

得到k值=0.084。该k值被用于确定图5和图6的采样点。

对于来自几何级数的点，k将是：

$k={\left(\frac{t_n}{t_0}\right)}^{1/n}$

可以以类似方式求出其它函数的相应参数，即，通过确定在信号峰值上半部内提供合适数量的点的参数的值。合适数量的点可以在三个点和十个点之间，或者更优地在三个点和五个点之间。

测量误差

如果拟合到采样数据的曲线精确地描述了脉冲峰值，并且在符合拟合曲线的脉冲区域内有足够的采样点，则精确地复原峰值形状并因此复原峰值位置而没有任何误差是可能的。然而，如果拟合曲线近似于在峰值周围采样的区域上脉冲的形状，将引进误差。需要仔细地选择非均匀采样点的参数，以确保较少采样点的优点不会受到误差引入的影响而失去。

实验数据

使用非均匀采样和以上所描述的曲线拟合技术来分析来自电离流量计系统的测试数据，以测得脉冲渡越时间，其中对应于不同采样点数量的k值变化。渡越时间被用于计算流速，所述流速与用于测试的已知流速相比较。计算的流速和已知的流速之间的差异使用均方根方法被结合在一起，以产生单个的误差图，所述误差图可以被用作信号处理系统的指标度量。

图7示出了误差值如何随不同的k值而变化。低k以较大量采样点的耗费给出了低误差值。随着k增大，误差保持低，直到达到阈值为止，在该点误差开始增大。该阈值对应于信号脉冲的峰值区域内没有足够的采样点来精确地确定峰值位置的点。随着k继续增大，误差值延伸开始增大，指示信号处理性能的进一步减小。在检验过的系统中，可以看到最适合于k的值近似为0.2。图8示出了k=0.2时所使用的采样点，且来自图1的平均信号表明这对应于需要低数量的采样同时仍解析出信号峰值和由此解析出渡越时间。

信号处理配置

图9示出了根据本发明的电离流量计1。电离流量计1类似于之前在WO 2007068869A中所描述的电离流量计，其中流量计1包括导管（未示出）、离子发生器（未示出）、调制电极结构2和检波器电极3₁、3₂，其如之前在WO 2007068869A中所描述地进行构造、布置和操作。

检波器3₁、3₂产生相应的信号，所述信号被提供到相应的模拟-数字转换器4₁、4₂（在下文中称为“ADC”）。通过定时发生器5控制ADC 4₁、4₂的采样速率，所述定时发生器5对于单次抽样提供触发信号到ADC 4₁、4₂，例如通过启用ADC时钟、接通采样及维持电路（如果使用的话）、通过触发转换、或者这些技术的组合。定时发生器5以此前所描述的方式在对应于一个调制循环的信号周期内（在开始时间t_α起始，并在完成时间t_ω结束）改变时钟速率。优选地，信号在周期中仅具有一个峰值。

ADC 4₁、4₂输出相应的采样集合，例如以流或者块的形式，其被提供到信号分析仪6₁、6₂。信号分析仪6₁、6₂解析出一组采样内的峰值，并估算峰值位置，例如使用二次曲线拟合过程。

信号分析仪6₁、6₂输出峰值位置，其被馈入渡越时间计算器7以测量渡越时间。

渡越时间计算器7输出一值，该值被提供到流速计算器8以计算在给定时间穿越系统的气体体积流率。

一旦完成一个循环，时钟速率被重置，并且对下一个循环重复过程。

ADC 4₁、4₂、定时发生器5、信号分析仪和计算器7、8可以通过微控制器9来方便地实施。

减小采样数量可以有助于节省功率、减小所需的处理功率的总量和/或减小所使用的存储器的总量。这有利于使用小的不贵的微控制器的嵌入式系统。

将理解到可以对以上所描述的实施方式进行许多改进。例如，可以使用外部ADC。可以使用具有多个信道的单个ADC模块。

在一些实施方式中，定时发生器可以根据测量的流速输出可变的时钟速率。随着流速变化，信号形状变化，并且因此，用于产生采样速率的特定k值可能不再提供最好的拟合，例如，或者是因为峰值包括太少采样，或者是因为峰值包括太多采样。因此，定时发生器可以接收来自信号分析仪和/或来自流速计算器的反馈，并选择新的k值。定时发生器可以包括一表格，其列出流速以及可以被用于计算时钟速率的相应k值或者预先计算的时钟速率的相应集合。

在一些实施例中，可以不需要两个传感器。例如，渡越时间测量时间的开始时间可以是已知的或者推测出来的。因此，可以使用一个传感器和一个ADC。

在一些应用中，可以使用单调递减函数。因此指数（例如k）是负数。

改变ADC采样速率可以用于其它类型的感应设备、系统和应用。例如，设备可以是任何形式的示踪流动测量设备，例如热质量流动控制器。改变ADC采样速率可以用于声纳系统，例如测距仪和岩土地震勘察装置。其可以用于基于共振的感测系统，例如音叉传感器。其可以用于基于脉冲的测量系统，例如射程定位系统。其可以被使用在用于均衡的助听器信道测量系统中。其可以用于防撞雷达和激光测距仪。

Claims (16)

1.一种用于处理来自传感器的信号的系统，所述系统包括模拟-数字转换器，其中所述系统被配置为根据所述信号的期望形状来改变所述模拟-数字转换器的采样速率。

2.根据权利要求1所述的系统，其中第n个采样的采样时间t_n遵循以下关系：

t_n=func(n)

其中func(n)是单调函数。

3.根据权利要求1或者2所述的系统，其中采样时间以比等差级数更快的速率增加。

4.根据任一前述权利要求所述的系统，其中第n个采样的采样时间t_n遵循以下关系：

t_n=a+t₀e^kn

其中a是偏移，该偏移能够为零，即a=0，或者能够是正数，即a>0，t₀是初始采样时间，且k大于0，即k＞0。

5.根据权利要求4所述的系统，其中：

$k=\frac{1}{N}\·\log \left(\frac{t_B}{t_A}\right)$

其中(N+1)是位于期望值t_A和t_B之间的信号峰值上半部内的期望采样点的数量。

6.根据权利要求5所述的系统，其中(N+1)至少为3。

7.根据权利要求5或者6所述的系统，其中(N+1)不大于10，并且可选择地不大于5。

8.根据权利要求3到7中任一项所述的系统，其中k不大于0.5，并且可选择地不大于大约0.3。

9.根据权利要求3到8中任一项所述的系统，其中k大于0.05。

10.根据权利要求1到4中任一项所述的系统，其中第n个采样的采样时间t_n遵循以下关系：

t_n=a+t₀kⁿ

其中a是偏移，该偏移能够为零，即a=0，或者能够是正数，即a>0，t₀是初始采样时间，且k大于1，即k＞0。

11.根据权利要求1到4中任一项所述的系统，其中第n个采样的采样时间t_n遵循以下关系：

t_n=a+t₀n^p

其中a是偏移，该偏移能够为零或者正数，即a≥0，t₀是初始采样时间，并且p大于1。

12.根据任一前述权利要求所述的系统，所述系统是微控制器。

13.一种装置，包括：

传感器；以及

根据任一前述权利要求所述的系统，

其中所述系统操作地连接到所述传感器，使得当所述传感器产生信号时，该信号由所述模拟-数字转换器接收。

14.根据权利要求13所述的装置，所述装置是流量计。

15.一种方法，包括：

接收模拟信号；以及

对所述模拟信号进行数字采样；

其中以变化的采样速率对所述模拟信号进行采样，所述变化的采样速率取决于所述信号的期望形状。

16.根据权利要求15所述的方法，其中采样之间的时间间隔单调递增。

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