CN105471402A - 一种快速自动增益控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速自动增益控制装置及其控制方法，包括以下部分：信号增益控制模块；峰值检测模块；第二模数转换模块；超限检测模块；第一模数转换模块；模糊推理模块；增益调整模块；输出模块；本方法具有以下优点：1.该方法的快速性一方面体现在当信号在量程时对信号峰值的实时检测及控制，另一方面体现在实时监测信号是否超限，当信号超限时以最快的速度将增益切换至最安全增益，并复位模糊推理过程变量，同时为输出有效数据提供依据。2.因此本方法可实现增益的自动锁定及智能化分档切换，并有效防止了采用精确分类及控制方法时。

Description

一种快速自动增益控制装置及其控制方法

技术领域

本发明属于模拟信号采集及处理技术领域。具体涉及一种快速自动增益控制装置及其控制方法。

背景技术

模拟信号的采集及处理技术是一项应用广泛的技术，但在一些特殊领域对信号的采集精度要求较高，此种情况通常采用增加自动增益环节来解决。自动增益原理如下：自动增益环节自动判断输出信号的幅值，如果幅值小于最佳目标值，采用反馈控制手段，提高前向通道的增益，增大实际信号的输出，使得实际信号幅值接近或达到最佳目标幅值；如果幅值大于最佳目标值，采用反馈控制，通过减小前向通道的增益，减小实际信号的输出，使其幅值接近或达到最佳目标幅值。通过自动增益处理的信号可通过模数转换环节采集，采集的数据供系统使用。

目前的自动增益控制技术，一类是纯模拟电路实现，这种方法灵活性差、调试复杂，如专利“自动增益控制电路(申请号：201280026592.3)”，该专利电路包括峰值检测电路、平均值检测和输出幅度设置电路、电流源电路、滤波器电路等多个组成部分，各个电路又由多个电子元器件组成，参数设计及调试复杂，灵活性不够；另一类是结合微控制器实现，该方法中，一类是控制方法不够合理，增益调节速度不够快，如专利“快速调整自动增益控制值的方法及模块(申请号：200710147354.9)”，该专利首先设置自动增益控制值的初始值和自动增益控制步长的初始值，然后通过统计在一个周期内所接收数据溢出次数，自适应调整控制步长，显然当信号突变导致超量程时，该方案不能及时作出反应，采集的数据会失真；另一类是信号的分级不够合理，如专利“三级自动增益控制装置及其控制方法(申请号：201410407021.5)”，该专利设置三级阈值，根据门限误差分为三级处理，得到不同更新周期的增益步阶，信号误差越大步阶越大，信号误差越小步阶越小，最后一级停止调整，但由于是精确分级的，难免导致信号在分界点附近跳动时所造成的增益频繁切换，容易造成采集系统不稳定。

因此需要开发一种能够克服上述技术缺陷，实现自动增益快速稳定调节的控制装置及方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述不足提供一种快速自动增益控制装置及其控制方法。

一种快速自动增益控制装置，包括以下部分：信号增益控制模块100，用于接收前端输入的原始信号，并根据增益调整模块602的指令对所接收的信号进行增益调整；

峰值检测模块200，用于实时检测信号在量程时的峰值模拟量；

第二模数转换模块300，用于将增益调整后的模拟信号转换为数字信号；

超限检测模块400，用于检测增益调整后的模拟信号是否超过量程的极限电压，若超限则产生中断信号，通知模糊推理模块601、增益调整模块602及输出模块603；

第一模数转换模块500，用于将峰值检测模块200实时检测的信号在量程时的峰值模拟信号转换为数字信号，为模糊推理模块601提供峰值输入；

所述峰值检测模块200、第二模数转换模块300以及超限检测模块400的信号输入端均与信号增益控制模块100的信号输出端相连，所述峰值检测模块200的信号输出端与第一模数转换模块500的信号输入端相连。

模糊推理模块601，用于根据峰值检测计算的结果，对信号峰值的档位归属进行模糊分类及控制，以最佳峰值为目标来推理计算信号的增益，将增益值输出给增益调整模块602，并随时接收超限检测模块400的通知将各变量复位，准备重新进行模糊推理计算；

增益调整模块602：用于根据模糊推理模块601的结果和超限检测模块400的输出来控制信号增益控制模块100的增益，若此时超限检测模块400未产生中断信号，则按模糊推理模块601的指令正常输出增益，若收到超限检测模块400的中断信号，则输出最安全增益；

输出模块603：用于将采集的数据还原输出给系统，如果当前没有收到超限检测模块400的中断信号，说明信号正常，正常输出结果；如果增益已切换至最安全增益仍然收到超限检测模块400的中断信号，说明信号异常，将当前数据标记为超量程数据；

所述模糊推理模块601的信号输入端同时与超限检测模块400和第一模数转换模块500的信号输出端相连，所述增益调整模块602的信号输入端同时与超限检测模块400和模糊推理模块601的信号输出端相连，所述输出模块603的信号输入端同时与超限检测模块400和第二模数转换模块300的信号输出端相连，所述增益调整模块602的信号输出端与信号增益控制模块100的信号输入端相连。

一种所述的快速自动增益控制装置，其控制方法具体为：

原始信号经过信号增益控制模块后分为并行的三路，三路相互独立且相互关联；第一路用于信号在量程时的峰值检测及采样，第二路直接进行模数转换，为系统提供数据；第三路则用于信号超限的实时检测；峰值检测的结果采用模糊控制策略进行模糊分级处理，并以最佳峰值为目标计算增益，并根据是否超限最终决定增益值，若超限则将增益切换至最安全增益，若不超限则采用正常推理计算的增益值，并以是否超限决定是否为系统提供有效数据；其具体操作步骤，包括：

S01：开始；

S02：将通道增益试设置为1；

S03：通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S04，若不超限转至S07；

S04：此时判断为信号超限，将通道增益切换至最安全增益；

S05：再次通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S06，否则转至S07；

S06：此时判断为在最安全增益下仍然超限，因此判断为超量程，并转至S05；

S07：此时信号正常，完成数模转换；

S08：向系统输出正常数据；

S09：检测采集信号峰值；

S10：接收信号峰值结果，完成增益的模糊推理计算；

S11：根据模糊推理计算结果，调整前向通道增益；

S12：再次通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S13，否则转至S07；

S13：信号已经超限，此时将过程变量全部复位，为下一次计算做好准备，并转至S04。

所述模糊控制策略为：

将基本论域变换为模糊论域，公式为：

$y=\frac{2n}{b-a}(x-\frac{a+b}{2})$

式中：x为基本论域中的值且x∈[a,b]，n为离散度，a，b为基本论域的下限值和上限值，y为模糊论域中的值；

采用三角形隶属函数对信号峰值分档，整个论域分为6档，将目标峰值设在5档；

设计隶属度滞环为[0.3,0.6]，其含义为隶属度逐渐增大时，直到隶属度达到0.6时才确认其属于该档位，当隶属度逐渐减小时，只有隶属度小于0.3才确认信号不属于该档位；

其中档位归属判别规则为：如果首次判别信号峰值档位归属且出现隶属度相等的情况，按取较小档位原则判别档位归属；非首次判别档位归属、信号峰值不在两个相邻的档位之间连续变化且出现隶属度相等的情况时，按与原档位接近的原则判别档位归属；如果信号峰值在相邻的两个档位之间连续变化，则按滞环原则判别档位归属；其它情况按最大隶属度原则判别档位归属；

增益计算公式为：欲更新增益值＝目标峰值/当前采样峰值×当前增益值，并圆整为最接近的增益档位值，且控制在[最小增益，最大增益]区间之内；

增益调整规则为：当信号峰值档位没有发生变化时，则保持当前增益不变，当信号峰值档位发生变化时，则更新增益值；

实时检测超限信号是否有效，若有效则复位计算过程变量。

本方法具有以下优点：

1.该方法的快速性一方面体现在当信号在量程时对信号峰值的实时检测及控制，另一方面体现在实时监测信号是否超限，当信号超限时以最快的速度将增益切换至最安全增益，并复位模糊推理过程变量，同时为输出有效数据提供依据。

2.由于该方法将信号峰值进行分级处理，同时对信号峰值的档位归属进行模糊分类及控制，因此本方法可实现增益的自动锁定及智能化分档切换，并有效防止了采用精确分类及控制方法时，当信号峰值在分界点附近变动时造成的增益频繁切换，使数据采集系统更稳定。

附图说明

图1为快速自动增益控制装置图。

图2为信号峰值档位隶属函数图。

图3为超限检测模块原理图。

图4为快速自动增益控制流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

本方案可以采用FPGA构建微控制模块，实现模糊推理模块、增益调整模块及输出模块，并控制模数转换模块、接收超限信号；模数转换芯片采用AD7656，建立具有快速自动增益控制功能的数据采集系统，几个主要模块设计如下：

信号增益控制模块设计：采用两片AD526串联，该程控放大器放大倍数档位为1、2、4、8、16，将前向通道固定增益设计为1/16，因此整个前向通道放大倍数范围是[1/16,16]，步进因子为2ⁿ，n为整数且n∈[0,8]。

超限检测模块设计：其核心元件为LM139比较器，设计必要的外围电路实现其功能。其原理图如图(3)所示。图中，实际信号(即图中的signal)由4脚和7脚并联接入LM139，用于比较的量程上限电压(即图中的VMAX)值由5脚接入，量程下限电压(即图中的VMIN)由6脚接入，由图可知，当信号在正常范围时，比较器不翻转，正常输出1，当信号值大于上限电压或低于下限电压时，比较器翻转为0，从而及时发出中断信号。电路的输出由电阻R1上拉到电源正端VCC，电阻R1一端接电源正端(即标号为VCC的一端)，另一端接中断信号线(即标号为INT信号线)，同时设置过压保护电路，由二极管D1(型号为1N4148)构成电压钳位电路，二极管的阴极接电源正端(即标号为VCC的一端)，二极管的阳极接中断信号线(即标号为INT信号线)，当中断信号电平小于电源电压时可正常输出，当大于电源电压时通过电源构成回路，从而将中断信号线的电平钳位在电源电压之内，保护微控制器不会过压损坏。

模糊推理模块的设计：根据说明书中的公式(1)将实际论域变换到模糊论域，整个论域分为6档，目标峰值设在5档，信号峰值档位变量在论域上的模糊子集均采用图(1)所示的三角形隶属函数，增益控制方法采用本专利设计的模糊控制策略。

峰值检测模块采用TI公司的型号为opa615的芯片构建。

其控制流程包括以下步骤，如图(4)：

S01：开始；

S02：将通道增益试设置为1；

S03：通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S04，若不超限转至S07；

S04：此时判断为信号超限，将通道增益切换至最安全增益；

S05：再次通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S06，否则转至S07；

S06：此时判断为在最安全增益下仍然超限，因此判断为超量程，并转至S05；

S07：此时信号正常，完成模数转换；

S08：向系统输出正常数据；

S09：检测采集信号峰值；

S10：接收信号峰值结果，完成增益的模糊推理计算；

S11：根据模糊推理计算结果，调整前向通道增益；

S12：再次通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S13，否则转至S07；

S13：信号已经超限，此时将过程变量全部复位，为下一次计算做好准备，并转至S04。

Claims (3)

1.一种快速自动增益控制装置，包括以下部分：信号增益控制模块(100)，用于接收前端输入的原始信号，并根据增益调整模块(602)的指令对所接收的信号进行增益调整；

峰值检测模块(200)，用于实时检测信号在量程时的峰值模拟量；

第二模数转换模块(300)，用于将增益调整后的模拟信号转换为数字信号；

超限检测模块(400)，用于检测增益调整后的模拟信号是否超过量程的极限电压，若超限则产生中断信号，通知模糊推理模块(601)、增益调整模块(602)及输出模块(603)；

第一模数转换模块(500)，用于将峰值检测模块(200)实时检测的信号在量程时的峰值模拟信号转换为数字信号，为模糊推理模块(601)提供峰值输入；

其特征在于：所述峰值检测模块(200)、第二模数转换模块(300)以及超限检测模块(400)的信号输入端均与信号增益控制模块(100)的信号输出端相连，所述峰值检测模块(200)的信号输出端与第一模数转换模块(500)的信号输入端相连。

模糊推理模块(601)，用于根据峰值检测计算的结果，对信号峰值的档位归属进行模糊分类及控制，以最佳峰值为目标来推理计算信号的增益，将增益值输出给增益调整模块(602)，并随时接收超限检测模块(400)的通知将各变量复位，准备重新进行模糊推理计算；

增益调整模块(602)：用于根据模糊推理模块(601)的结果和超限检测模块(400)的输出来控制信号增益控制模块(100)的增益，若此时超限检测模块(400)未产生中断信号，则按模糊推理模块(601)的指令正常输出增益，若收到超限检测模块(400)的中断信号，则输出最安全增益；

输出模块(603)：用于将采集的数据还原输出给系统，如果当前没有收到超限检测模块(400)的中断信号，说明信号正常，正常输出结果；如果增益已切换至最安全增益仍然收到超限检测模块(400)的中断信号，说明信号异常，将当前数据标记为超量程数据；

所述模糊推理模块(601)的信号输入端同时与超限检测模块(400)和第一模数转换模块(500)的信号输出端相连，所述增益调整模块(602)的信号输入端同时与超限检测模块(400)和模糊推理模块(601)的信号输出端相连，所述输出模块(603)的信号输入端同时与超限检测模块(400)和第二模数转换模块(300)的信号输出端相连，所述增益调整模块(602)的信号输出端与信号增益控制模块(100)的信号输入端相连。

2.一种如权利要求1所述的快速自动增益控制装置，其控制方法具体为：

原始信号经过信号增益控制模块后分为并行的三路，三路相互独立且相互关联；第一路用于信号在量程时的峰值检测及采样，第二路直接进行模数转换，为系统提供数据；第三路则用于信号超限的实时检测；峰值检测的结果采用模糊控制策略进行模糊分级处理，并以最佳峰值为目标计算增益，并根据是否超限最终决定增益值，若超限则将增益切换至最安全增益，若不超限则采用正常推理计算的增益值，并以是否超限决定是否为系统提供有效数据；其具体操作步骤，包括：

S01：开始；

S02：将通道增益试设置为1；

S03：通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S04，若不超限转至S07；

S04：此时判断为信号超限，将通道增益切换至最安全增益；

S05：再次通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S06，否则转至S07；

S06：此时判断为在最安全增益下仍然超限，因此判断为超量程，并转至S05；

S07：此时信号正常，完成数模转换；

S08：向系统输出正常数据；

S09：检测采集信号峰值；

S10：接收信号峰值结果，完成增益的模糊推理计算；

S11：根据模糊推理计算结果，调整前向通道增益；

S12：再次通过超限检测模块检测信号是否超限，若超限则转至S13，否则转至S07；

S13：信号已经超限，此时将过程变量全部复位，为下一次计算做好准备，并转至S04。

3.根据权利要求2所述的快速自动增益装置的控制方法，其特征在于所述模糊控制策略为：

将基本论域变换为模糊论域，公式为：

$y=\frac{2n}{b-a}(x-\frac{a+b}{2})$

式中：x为基本论域中的值且x∈[a,b]，n为离散度，a，b为基本论域的下限值和上限值，y为模糊论域中的值；

采用三角形隶属函数对信号峰值分档，整个论域分为6档，将目标峰值设在5档；

设计隶属度滞环为[0.3,0.6]，其含义为隶属度逐渐增大时，直到隶属度达到0.6时才确认其属于该档位，当隶属度逐渐减小时，只有隶属度小于0.3才确认信号不属于该档位；

其中档位归属判别规则为：如果首次判别信号峰值档位归属且出现隶属度相等的情况，按取较小档位原则判别档位归属；非首次判别档位归属、信号峰值不在两个相邻的档位之间连续变化且出现隶属度相等的情况时，按与原档位接近的原则判别档位归属；如果信号峰值在相邻的两个档位之间连续变化，则按滞环原则判别档位归属；其它情况按最大隶属度原则判别档位归属；

增益计算公式为：欲更新增益值＝(目标峰值/当前采样峰值)×当前增益值，并圆整为最接近的增益档位值，且控制在[最小增益，最大增益]区间之内；

增益调整规则为：当信号峰值档位没有发生变化时，则保持当前增益不变，当信号峰值档位发生变化时，则更新增益值；

实时检测超限信号是否有效，若有效则复位计算过程变量。