CN103472295B - 一种剩余电压信号采集和处理方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决剩余电压信号的高精度可靠检测问题，提出了一种剩余电压采集信号的数据处理方法和系统。其中，利用最小二乘法实现指数曲线拟合，对观测到的有序对进行建模，从而实现对数据的优化。本发明有效地提高了剩余电压信号采集结果的精度和准确度，解决了现有采集过程中不确定度高，跳数等问题。

Description

一种剩余电压信号采集和处理方法和系统

技术领域

本发明属于模拟信号采集和处理领域，更具体地，涉及一种剩余电压采集信号的数据处理方法。

本发明的申请人于2012年3月23日申请的实用新型专利ZL201220115265.2的全文被在此引用作为参考。

背景技术

随着智能仪器和智能控制技术的发展，家用电器的电子化进程也随之不断加深，而电子化设计会使用电容、电感等储能器件，如果电源回路中储能器件容量足够的大，电阻阻值也足够的大，那么，产生的剩余电压将会引起触电安全事故。

为了保护消费者、操作者或他人的人身安全，防止在断电瞬间触及带电部件而发生危险，电器产品安全检测需要对此项指标进行测试、考核。因此各类基于电路控制的剩余电压检测装置应运而生。

经过检索发现，现有技术中，申请号为CN200920300299.7的实用新型专利公开了一种剩余电压高精度测量装置，设置了控制系统，控制系统连接相位监测模块和测量单元，相位监测模块和测量单元分别连接被测器件。利用相位监测模块监测测量回路的电压，通过电子的方式实现峰值电压判断，并在峰值时断开测试电源电压，并且根据测量标准，在测试前设定测量延时值，在延时之后测量单元读取电压值。该实用新型避开了传统的测量方式所带来的阻抗问题，并且电子计时准确，电压值读取精准，实现对电器产品剩余电压的高精度测量。

申请号为CN201220115265.2的实用新型专利公开了一种剩余电压检测电路，包括相位检测电路，其输入端连接电源回路，输出端连接控制器；控制器，其输入端连接相位检测电路、电压采集电路和电源回路，其输出端连接断电电路；断电驱动电路，其输入端连接所述控制器，输出端连接断电电路；断电电路，其输入端连接电源回路和断电驱动电路，其输出端连接断电执行元件；和电压采集电路，其输入端连接被测器件的电源端和控制器，其输出端连接控制器。该实用新型的剩余电压检测电路采用控制器系统控制，不受输入阻抗的影响，因此测量数据精度高，且测量操作简单。

申请人发现：在实际的剩余电压检测过程中，测量回路的输入阻抗会对电压的测量带来致命的影响，为了能够准确的测量，测量单元完成测量必须要快速，然而测量电路稳态的建立需要时间且其过度过程会产生电磁骚扰，同时测量电路的输入阻抗会影响电压的衰减曲线等众多因素导致采集值不确定度增大而影响测量的可靠性。上述现有技术尚无正面解决高精度可靠检测的方案。

为了有助于更好地理解本发明的技术方案，下面对最小二乘法加以简单介绍：最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便的求得位置的数据，并使得这些求得的数据与实际的数据之间误差的平方和最小。最小二乘法一般用于曲线拟合和直线拟合，在利用最小二乘法实现曲线拟合时，能够很好地拟合有序对，并且有很好的数学理论支持和很高的精确度。

最小二乘法的基本思想：给定一组实验数据，这些数据往往是有序数对，根据误差平方和最小化原则，找出这些数据的最佳函数匹配。

最小二乘法的数学原理为：给定一组数据X_i，设其经验方程为F(x)，方程中含有一些待定系数a_n。将X_i代入方程求差X_i-F(x)，为了考虑整体的误差，可以取平方和，之所以要平方是考虑到误差正负直接相加可以相互抵消，所以记误差为：

e=∑(X_i-F(x_i))²

通过求e的极小值可以求出a_n，从而求出该组数据的最佳拟合函数，该函数误差平方和最小。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，需要设计一套合理有效的剩余电压采集值的数据处理算法提高数据的精度和可靠性。为此，本发明提出了一种剩余电压采集信号的数据处理方法和系统。其中，利用最小二乘法实现指数曲线拟合，对观测到的有序对进行建模，从而实现对数据的优化。

根据本发明的一方面，提供了一种剩余电压信号采集和处理方法，包括如下步骤：

（1）初始化设置，包括初始化串口通信参数、相位延时标志位和测量标志位；

（2）设置待采样电压信号的采样方式和采样时间间隔；

（3）从上位机获得电压检测控制指令，并进行指令解析；

（4）收到电压检测开始指令后，开始进行初始相位的检测；当检测到初始相位后，继续检测下一个初始相位的前沿，当下一个初始相位的前沿到来时，置相位延时标志位；其中，对电压初始相位的检测过程为：通过零点相位电路触发单片机中断判定电压的初始相位，即电压过零点相位；

（5）由于交流电压的频率为50HZ（周期为0.02s）,根据交流电压的周期性，初始相位延时1/4个周期到达电压峰值，此时触发断电继电器，清相位延时标志位，经预设的时间后，闭合测量继电器，置测量标志位，从而实现断电控制过程；

（6）测量和基于最小二乘法处理剩余电压信号：得到剩余电压采样序列为X_i(X₁,X₂,X₃,…X_n)，然后：

（6.1）将采样序列按照指数函数拟合得Y_i=b*e^ai，其中a和b是待定系数，Y_i为剩余电压待求序列；

（6.2）对所述指数函数两边取对数，得：lnY_i=lnb+ai，其中，lnb和a是待定系数；

（6.3）设S(a,b)是lnX_i和lnY_i的误差平方和，即S(a,b)=∑(lnX_i-lnY_i)²，利用最小二乘法求得a和b的值，进而求得Yi；

（6.4）对采样点X_i进行评估；

其中，步骤（6.3）包括：

由最小二乘法原理，令a₀=lnb，a₁=a，参数a₀和a₁应使取得最小值，根据极小值的求法解得a₀和a₁：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0=\frac{1}{n}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\ln X}_i-\frac{a_1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\\ a_1=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\·{\ln X}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\ln X}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\right)}^2}\end{array}\right.$

由a₀和a₁解得b和a，进而求得Y_i。

进一步地，所述剩余电压信号采集和处理方法还包括：将拟合后得到的剩余电压信号进行显示。

进一步地，所述步骤（3）中，通过从相位零点检测电路检测输出信号的方式检测初始相位。

进一步地，所述步骤（4）中预设的时间是通过定时器计数实现的。

进一步地，所述步骤（6）中测量剩余电压信号的过程采用中断式采样。

进一步地，所述步骤（6.4）包括：若符合|X_i-Y_i|≤σ，则保留该采样点X_i，否则删除X_i并由补充被删掉的X_i，从而得到新的采样序列，然后重新用最小二乘法曲线拟合计算，直到所有的X_i满足|X_i-Y_i|≤σ，最后得出剩余电压序列，其中，σ为预先设定的采样误差阈值。

根据本发明的另一方面，提供了一种剩余电压信号采集和处理系统，包括：

控制模块，用于初始化设置，包括初始化串口通信参数、相位延时标志位和测量标志位；

人机交互模块，用于设置待采样电压信号的采样方式和采样时间间隔；

串口通信模块，用于从上位机获得电压检测控制指令，并进行指令解析；

相位检测模块，用于在收到电压检测开始指令后，检测初始相位，当检测到初始相位后，继续检测下一个初始相位的前沿，当下一个初始相位的前沿到来时，置相位延时标志位；

断电控制模块，用于按照所述相位延时标志位，经过相位延时到电压峰值，触发断电继电器，清相位延时标志位，经预设的时间后，闭合测量继电器，置测量标志位，从而实现断电控制过程；

剩余电压数据采集处理模块，用于测量和基于最小二乘法处理剩余电压信号：得到剩余电压采样序列为X_i(X₁,X₂,X₃,…X_n)，然后：

（6.1）将采样序列按照指数函数拟合得Y_i=b*e^ai，其中a和b是待定系数，Y_i为剩余电压待求序列；

（6.2）对所述指数函数两边取对数，得：lnY_i=lnb+ai，其中，lnb和a是待定系数；

（6.3）设S(a,b)是X_i和Y_i的误差平方和，即S(a,b)=∑(lnX_i-lnY_i)²，利用最小二乘法求得a和b的值，进而求得Y_i；

（6.4）对采样点X_i进行评估；

其中，步骤（6.3）包括：

由最小二乘法原理，令a₀=lnb，a₁=a，参数a₀和a₁应使取得最小值，根据极小值的求法解得a₀和a₁：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0=\frac{1}{n}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\ln X}_i-\frac{a_1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\\ a_1=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\·{\ln X}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\ln X}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\right)}^2}\end{array}\right.$

由a₀和a₁解得b和a，进而求得Y_i。

进一步地，所述人机交互模块还用于将拟合后得到的剩余电压信号进行显示。

进一步地，所述人机交互模块包括键盘和显示器。

本发明的有益效果如下：

（1）在对实验数据数据进行处理的过程中，能明显地简化数学模型的建立和减少计算，能够更好的对采样点进行拟合，有效地提高了剩余电压信号采集结果的精度和准确度。

（2）解决了现有采集过程中不确定度高，跳数等问题。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的剩余电压信号采集和处理方法的流程图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的测量和基于最小二乘法处理剩余电压信号的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的具体实施例。

如图1所示的实施例，提供了一种剩余电压信号采集和处理方法，包括如下步骤：

（1）初始化设置，包括初始化串口通信参数、相位延时标志位和测量标志位；

（2）设置待采样电压信号的采样方式和采样时间间隔；

（3）从上位机获得电压检测控制指令，并进行指令解析；

（4）收到电压检测开始指令后，开始进行初始相位的检测；当检测到初始相位后，继续检测下一个初始相位的前沿，当下一个初始相位的前沿到来时，置相位延时标志位；其中，对电压初始相位的检测过程为：通过零点相位电路触发单片机中断判定电压的初始相位，即电压过零点相位；

（5）由于交流电压的频率为50HZ（周期为0.02s）,根据交流电压的周期性，初始相位延时1/4个周期到达电压峰值，此时触发断电继电器，清相位延时标志位，经预设的时间后，闭合测量继电器，置测量标志位，从而实现断电控制过程；

（6）测量剩余电压信号，得到剩余电压采样序列为X_i(X₁,X₂,X₃,…X_n)，此时的剩余电压序列符合指数衰减规律。将采样序列按照指数函数拟合得Y_i=b*e^ai，其中a和b是待定系数，Y_i为剩余电压待求序列。函数两边取对数，得：lnY_i=lnb+ai，这是一个一次函数，lnb和a是待定系数。S(a,b)是相应的误差平方和，其返回值为∑(lnX_i-lnY_i)²。

由最小二乘法原理，令a₀=lnb，a₁=a，参数a₀和a₁应使取得最小值，根据极小值的求法可解得a₀和a₁。

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0=\frac{1}{n}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\ln X}_i-\frac{a_1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\\ a_1=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\·{\ln X}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\ln x}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right)}^2}\end{array}\right.$

由a₀和a₁可解得b和a，进而求得Y_i。

在本发明的一个优选的实施例中，为了降低测量误差，将采样点X_i进行评估，若符合|X_i-Y_i|≤σ（σ为预先设定的采样误差阈值），则保留该采样点X_i，否则删除X_i并由补充被删掉的采样点X_i，从而得到新的采样序列，重新用最小二乘法曲线拟合计算Y'_i=b'*e^a'i。直到所有的X_i满足|X_i-Y_i|≤σ，最后得出剩余电压序列。

根据本发明的一个优选的实施例，最终的剩余电压信号的测量和处理结果还将加以显示。

本发明的另一个实施例提供了一种剩余电压信号采集和处理系统，包括：控制模块、人机交互模块、串口通信模块、相位检测模块、断电控制模块，以及剩余电压数据采集处理模块。

2.1控制模块

控制模块主要的任务是对各子模块初始化，系统逻辑判断和调用子模块。

根据本发明的一个优选的实施例，控制模块用来初始化串口通信模块的串口通信参数、相位检测模块的相位延时标志位和断电控制模块的测量标志位。

2.2串口通信模块

在本发明的一个实施例中，装置通过RS232接口与上位机通信，采用串口中断接收上位机的下达的指令，进行指令解析。

在另一个实施例中，串口通信模块还把标志的信息和剩余电压信号的采集和处理结果传送到上位机，在上位机的操作界面（例如上位机的显示屏）上显示出来。

2.3人机交互模块

在本发明的一个实施例中，人机交互模块由LCD与按键组成，实现设置待采样电压信号的采样方式和采样时间间隔、数据查阅和显示等功能的一种或多种。

根据本发明的一个优选的实施例，人机交换界面非常适合用多级菜单来实现，这样可以很方便地通过修改单独的菜单项来更新菜单，扩展方便，节约资源。

2.4相位检测模块

当人机交互模块收到并解析出电压检测开始指令后，相位检测模块检测初始相位。根据本发明的一个优选的实施例，相位检测模块接收相位零点检测电路输出的100HZ窄方波信号，从中检出初始相位，由于100HZ中初始零点方波和180度零点方波在宽度上有差异，通过脉宽的判别，很容易判出初始相位。

检测到初始相位后，再检测下一个初始相位。当下一个初始相位前沿到来时，置相位延时标志位。

2.5断电控制模块

按照所述相位延时标志位，经过相位延时，到达电压峰值，触发断电继电器，实现电源的峰值断电，经定时器计数延时1s后，闭合测量继电器，置测量标志位，实现断电控制过程。

2.6剩余电压数据采集处理模块

本模块主要完成以下功能：采用中断接收的方式，启动A/D在2ms内进行等间隔采样，得到剩余电压采集信号的采样序列；利用最小二乘法对的采样序列进行曲线拟合。

根据本发明的一个优选的实施例，人机交互模块还将拟合后的数据用LCD显示。

由于剩余电压是由储能元件的残余能量引起的，其能量是有限的，因此归纳起来有2个特征：（1）自我衰减性，剩余电压会因放电回路存在而逐渐趋向于零；（2）不稳定性，会受到测量仪器的介入阻抗构成放电回路而影响到测量精度。数据处理算法应在确保精度和可靠性的前提下进行数据处理。

基于上述考虑，剩余电压电路理论表明剩余电压的衰减符合指数衰减规律，在数据处理部分，本发明提出利用最小二乘法来实现剩余电压采集值的指数曲线拟合的方法，对采集到的数据对进行优化。

在测量继电器闭合后，采样回路测量得到剩余电压采样值为X_i(X₁,X₂,X₃,…X_n)，此时的剩余电压序列符合指数衰减规律。将采样序列按照指数函数拟合得Y_i=b*e^ai，其中a和b是待定系数，Y_i为剩余电压待求序列。函数两边取对数，得：lnY_i=lnb+ai，做变换得：这是一个一次函数，lnb和a是待定系数。S(a,b)是相应的误差平方和，其返回值为

由最小二乘法原理，令a₀=lnb，a₁=a，参数a₀和a₁应使取得最小值，根据极小值的求法可解得a₀和a₁。

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0=\frac{1}{n}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\ln X}_i-\frac{a_1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\\ a_1=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\·{\ln X}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\ln X}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\right)}^2}\end{array}\right.$

由a₀和a₁可解得b和a，进而求得Y_i。

在本发明的一个优选的实施例中，为了降低测量误差，将采样点X_i进行评估，若符合阈值判定条件|X_i-Y_i|≤σ（σ为预先设定的采样误差阈值），则保留该采样点X_i，否则删除X_i并由补充被删掉的采样点X_i，从而得到新的采样序列，重新用最小二乘法曲线拟合计算Y'_i=b'*e^a'i，直到所有的X_i和X'_i均满足阈值判定条件上述，最后得出剩余电压序列。

参考图2，示出了根据本发明的一个实施例的基于最小二乘法的剩余电压信号处理的流程。

上面以文字和附图说明的方式阐释了本发明一些具体实施方式的结构，并非详尽无遗或限制于上述所述具体形式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种剩余电压信号采集和处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)初始化设置，包括初始化串口通信参数、相位延时标志位和测量标志位；

(2)设置待采样电压信号的采样方式和采样时间间隔；

(3)从上位机获得电压检测控制指令，并进行指令解析；

(4)收到电压检测开始指令后，进行电压初始相位的检测；当检测到初始相位后，继续检测下一个初始相位的前沿，当下一个初始相位的前沿到来时，置相位延时标志位；

(5)根据交流电压的周期性，初始相位延时1/4个周期到达电压峰值；此时触发断电继电器，清相位延时标志位，经预设的时间后，闭合测量继电器，置测量标志位，从而实现断电控制过程；

(6)测量和基于最小二乘法处理剩余电压信号：得到剩余电压采样序列为X_i(X₁,X₂,X₃,…X_n)，然后：

(6.1)将采样序列按照指数函数拟合得Y_i＝b*e^ai，其中a和b是待定系数，Y_i为剩余电压待求序列；

(6.2)对所述指数函数两边取对数，得：lnY_i＝lnb+ai，其中，lnb和a是待定系数；

(6.3)设S(a,b)是lnX_i和lnY_i的误差平方和，即S(a,b)＝∑(lnX_i-lnY_i)²，利用最小二乘法求得a和b的值，进而求得Y_i；

(6.4)对采样点X_i进行评估；

其中，步骤(6.3)包括：

由最小二乘法原理，令a₀＝lnb，a₁＝a，参数a₀和a₁应使取得最小值，根据极小值的求法解得a₀和a₁：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0=\frac{1}{n}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\ln X_i-\frac{a_1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}i\\ a_1=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}i\·\ln X_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}i\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\ln X_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}i\right)}^2}\end{array}\right.$

由a₀和a₁解得b和a，进而求得Y_i；其中

所述剩余电压信号采集和处理方法还包括：将拟合后得到的剩余电压信号进行显示；

所述步骤(3)中，通过从相位零点检测电路检测输出信号的方式检测初始相位，所述步骤(4)中预设的时间是通过定时器计数实现的，所述步骤(6)中测量剩余电压信号的过程采用中断式采样，所述步骤(6.4)包括：若符合|X_i-Y_i|≤σ，则保留该采样点X_i，否则删除X_i并由补充被删掉的X_i，从而得到新的采样序列，然后重新用最小二乘法曲线拟合计算，直到所有的X_i满足|X_i-Y_i|≤σ，最后得出剩余电压序列，其中，σ为预先设定的采样误差阈值，并且相位检测期间通过接收相位零点检测电路输出的100Hz窄方波信号从中检出初始相位，利用100Hz中初始零点方波和180度零点方波在宽度上的差异，通过脉宽的判别判出初始相位。

2.一种剩余电压信号采集和处理系统，其特征在于，包括：

控制模块，用于初始化设置，包括初始化串口通信参数、相位延时标志位和测量标志位；

人机交互模块，用于设置待采样电压信号的采样方式和采样时间间隔；

串口通信模块，用于从上位机获得电压检测控制指令，并进行指令解析；

相位检测模块，用于在收到电压检测开始指令后，检测初始相位，当检测到初始相位后，继续检测下一个初始相位的前沿，当下一个初始相位的前沿到来时，置相位延时标志位；相位检测模块接收相位零点检测电路输出的100Hz窄方波信号，从中检出初始相位，利用100Hz中初始零点方波和180度零点方波在宽度上的差异，通过脉宽的判别判出初始相位；

断电控制模块，用于按照所述相位延时标志位，经过相位延时到电压峰值，触发断电继电器，清相位延时标志位，经预设的时间后，闭合测量继电器，置测量标志位，从而实现断电控制过程；

剩余电压数据采集处理模块，用于测量和基于最小二乘法处理剩余电压信号：得到剩余电压采样序列为X_i(X₁,X₂,X₃,…X_n)，然后：

(6.1)将采样序列按照指数函数拟合得Y_i＝b*e^ai，其中a和b是待定系数，Y_i为剩余电压待求序列；

(6.2)对所述指数函数两边取对数，得：lnY_i＝lnb+ai，其中，lnb和a是待定系数；

(6.3)设S(a,b)是lnX_i和lnY_i的误差平方和，即S(a,b)＝∑(lnX_i-lnY_i)²，利用最小二乘法求得a和b的值，进而求得Y_i；

(6.4)对采样点X_i进行评估；

其中，步骤(6.3)包括：

由最小二乘法原理，令a₀＝lnb，a₁＝a，参数a₀和a₁应使取得最小值，根据极小值的求法解得a₀和a₁：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0=\frac{1}{n}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\ln X_i-\frac{a_1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}i\\ a_1=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}i\·\ln X_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}i\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\ln X_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}i\right)}^2}\end{array}\right.$

由a₀和a₁解得b和a，进而求得Y_i，其中

所述人机交互模块还用于将拟合后得到的剩余电压信号进行显示，所述人机交互模块包括键盘和显示器。