CN110673532B - 一种脉冲信号处理和采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工控传感器信号采集技术领域，具体涉及一种脉冲信号处理和采集装置，包括脉冲信号处理模块和AB相方波信号处理模块，脉冲信号处理模块用于抑制脉冲信号干扰并形成方波信号，AB相方波信号处理模块包括，采集单元采集A相波形和B相波形的上升沿和下降沿；编号单元对A相波形上升沿、A相波形下降沿、B相波形上升沿和B相波形下降沿的先后顺序进行边沿编号；微控单元在多个时刻处以边沿触发顺序记录方波信号上升沿和下降沿的边沿编号序列，微控单元将边沿编号序列与预存排序进行匹配，微控单元在匹配失败时丢弃该周期的AB相方波信号。本发明达到滤除幅值较大、持续时间较长的干扰信号的目的，使方波信号后续的计数和频率测量更加精准。

Description

一种脉冲信号处理和采集装置
技术领域
本发明涉及工控传感器信号采集技术领域，具体涉及一种脉冲信号处理和采集装置。
背景技术
在工业控制领域，以脉冲信号形式输出的传感器应用广泛，如编码器、扭矩传感器、直线光栅等，由于传感器工作的电磁环境复杂，导致了传感器输出的脉冲信号常受到外界各种干扰源的影响(如变频器、电机等)，在正常的信号上叠加了很多噪声，影响后续脉冲信号测量的准确性,对于输出AB相信号的传感器影响更甚。如何抑制和消除干扰信号，使脉冲信号尽可能干净，是一个必须要解决的重要问题。
目前，脉冲信号处理常用的方法是光耦隔离、施密特触发器整形、低通滤波、软件处理等，光耦隔离能够阻断电气连接，在一定程度消除外界地线传入的干扰，但对于幅值较大的干扰不能消除；施密特触发器能够使波形更加标准，可以消除掉小幅值干扰，但对于大幅值干扰同样无能为力；低通滤波需考虑有用脉冲信号的频带范围，对干扰信号的抑制效果有限；软件处理会消耗大量处理器资源，且会降低信号采集的实时性。
处理完成后的脉冲信号输入到后端进行采集，测量其频率。目前对脉冲信号的采集测量方式主要有以下两种：
一种测量方式是测量脉冲信号每个周期的时间，从而计算得到波形频率，这种测量方式对计算资源消耗很大，因为实际应用的脉冲信号的频率通常为几千到几万赫兹，每秒钟需进行成千上万次判定和运算。同时，该测量方式可能产生较大的误差，因为脉冲信号周期通常为毫秒或微秒量级，计算结果最终需转换到秒级，从而使单周期测量的微小误差扩大很多倍。
另一种测量方式为定周期测量，即对一定时间间隔内(如5毫秒，10毫秒，100毫秒等)的脉冲信号周期进行计数，从而通过时间和周期数计算得到脉冲信号的频率。这种测量方法缺点是，当测量时间点到来时，脉冲信号不一定刚好输入完整周期，通常情况是不完整的，但计数器的输出结果为整数，因此，会导致测量误差的出现。
发明内容
本发明意在提供一种脉冲信号处理和采集装置，以解决脉冲信号采集测量误差较大的问题。
本方案中的脉冲信号处理和采集装置，包括脉冲信号处理模块，所述脉冲信号处理模块用于抑制脉冲信号干扰并形成方波信号，所述方波信号包括单相方波和双相方波，所述双相方波包括A相波形和B相波形，还包括AB相方波信号处理模块，所述AB相方波信号处理模块包括：
采集单元采集A相波形的上升沿和下降沿，采集单元采集B相波形的上升沿和下降沿；
编号单元对A相波形上升沿、A相波形下降沿、B相波形上升沿和B相波形下降沿的先后顺序进行边沿编号；
微控单元在多个时刻处以边沿触发顺序记录方波信号上升沿和下降沿的边沿编号序列，微控单元将边沿编号序列与预存排序进行匹配，微控单元在匹配失败时丢弃该周期的AB相方波信号。
本方案的有益效果是：通过脉冲信号处理模块对采集的脉冲信号进行初步处理，消除信号中的干扰信号，保留真实的有用信号，然后通过AB相方波信号处理模块对得到方波信号的A相波形和B相波形进行处理，将方波信号中的错误信号去掉，达到滤除幅值较大、持续时间较长的干扰信号的目的，使方波信号后续的计数和频率测量更加精准，通过编号序列对A相波形和B相波形中的异常波形进行鉴定，波形异常的鉴定非常有效，而现有技术经过前序的脉冲信号处理后，一般都没有单独对A相波形和B相波形进行处理，在脉冲信号处理后直接就进行后续周期的测量，本方案去掉异常波形后后续的周期计数更准确，因为异常波形的周期数未计算进去，避免了来回对多个包含异常波形的周期计数时存在的差异，针对高精度要求的时候，波形的周期计数更为准确。
进一步，所述脉冲信号处理模块包括第一级电路和第二级电路，所述第一级电路和第二级电路相互串联，所述第一级电路为截止频率可调的低通滤波电路，所述第二级电路为基于运算放大器的上下阈值可调的迟滞电压比较电路。
有益效果是：通过调整低通滤波电路的截止频率来完全消除脉冲信号中的干扰信号(干扰信号总是处于一定的频率范围，通常频率较高)，通常调整好的低通滤波电路截止频率较低，虽然低通滤波电路能够完全滤除干扰信号，但对正常的脉冲信号会产生很大影响，使后续的测量装置无法识别，通过迟滞电压比较电路调整脉冲信号的上限阈值和下限阈值，使输入的非标准波形调整成同频率的标准方波输出，标准方波是不含干扰信号的波形信号。
进一步，所述低通滤波电路包括光电耦合单元，所述光电耦合单元用于输入脉冲信号，所述光电耦合单元对脉冲信号进行电气隔离。
有益效果是：光电耦合单元实现了外界输入电路和后续处理和测量电路的电气隔离，减少外部电路的传导干扰对后续电路的影响。
进一步，所述低通滤波电路还包括运算放大器单元，所述运算放大器单元与RC网络构成有源低通滤波电路，对光电耦合单元输出脉冲信号进行滤波处理。
有益效果是：通过运算放大器单元和RC网络进行滤波，减少噪声信号。
进一步，所述迟滞电压比较电路包括基准电压单元和迟滞比较单元，所述基准电压单元用于向迟滞比较单元提供基准电压，所述迟滞比较单元获取第一级电路处理后的脉冲信号，所述迟滞比较单元根据第一级电路输出脉冲信号幅值的上下限调整迟滞比较器上限阈值和下限阈值，所述迟滞比较单元输出为方波信号。
有益效果是：通过两个模块进行信号波形整形，提高信号波形整形的精确度，通过基准电压单元向迟滞比较单元提供精确的基准电压，以实现对输入脉冲信号的整形，提高信号波形整形的精确度。
进一步，所述预存排序包括A相波形超前B相波形90度和B相波形超前A相波形90度的边沿编号序列。
有益效果是：通过A相波形超前B相波形间的关系来去掉错误信号，提高方波信号周期计数的准确性。
进一步，还包括测量模块，所述测量模块包括定时单元，所述定时单元由AB相方波信号处理模块的方波信号进行边沿触发获取起始时刻，所述定时单元由多个完整周期的方波信号的边沿触发获取结束时刻，所述定时单元获取多个完整周期的总周期。
有益效果是：通过方波信号的边沿触发来精准确定测量的起始和结束时刻，提高测量时间间隔内的方波信号的完整性。
进一步，所述测量模块还包括计数单元，所述计数单元由同一类型边沿触发记录总周期内完整周期的数量，所述微控单元获取总周期和数量计算方波信号的周期。
有益效果是：通过获取多个完整周期方波的持续时间来计算周期，提高周期计算的准确性。
进一步，还包括通信模块，所述通信模块用于将计算的周期发送至后台服务器，所述通信模块通过UDP协议的以太网进行通信。
有益效果是：由于对于常用的通讯方式，目前常见的脉冲信号频率测量装置多使用串口或PCI接口与其他设备进行通讯，使用不灵活，而本通信模块无需在通信前先建立相应的连接，连接便捷，数据传输速率快。
附图说明
图1为本发明脉冲信号处理和采集装置实施例一的示意性框图；
图2为本发明脉冲信号处理和采集装置实施例一中正向A、B相波形的编号示意图；
图3为本发明脉冲信号处理和采集装置实施例一中反向A、B相波形的编号示意图；
图4为本发明脉冲信号处理和采集装置实施例二中第一级电路和部分第二级电路的电路示意图；
图5为本发明脉冲信号处理和采集装置实施例二中的第二级电路中迟滞比较单元的基准电压生成电路示意图；
图6为本发明脉冲信号处理和采集装置实施例一中测量模块的流程框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明。
实施例一
脉冲信号处理和采集装置，如图1所示：包括脉冲信号处理模块、AB相方波信号处理模块、测量模块和通信模块，脉冲信号处理模块用于抑制脉冲信号干扰并形成方波信号，方波信号包括单相方波和双相方波，双相方波包括A相波形和B相波形，单相方波仅由脉冲信号处理模块处理，单相方波无需经过AB相方波信号处理模块处理，AB相方波信号处理模块对双相方波的方波信号进行处理后输出至测量模块测量周期，通信模块将周期发送至后台服务器，后台服务器可以是PC电脑。
脉冲信号处理模块包括第一级电路和第二级电路，第一级电路和第二级电路相互串联，第一级电路为截止频率可调的低通滤波电路，第二级电路为基于运算放大器的上下阈值可调的迟滞电压比较电路。
低通滤波电路包括光电耦合单元和运算放大器单元，光电耦合单元用于输入脉冲信号，光电耦合单元对脉冲信号进行电气隔离，光电耦合单元采用光电耦合器驱动电路，光电耦合单元包括HCPL0630型号的光电耦合芯片，运算放大器单元与RC网络构成有源低通滤波电路，对光电耦合单元输出脉冲信号进行滤波处理，运算放大器单元包括TL062型号的运算放大芯片。
迟滞电压比较电路包括基准电压单元和迟滞比较单元，基准电压单元用于向迟滞比较单元提供基准电压，基准电压单元采用基准电压电路，基准电压单元包括ADR03型号的电压基准芯片，迟滞比较单元获取第一级电路处理后的脉冲信号，迟滞比较单元根据第一级电路输出脉冲信号幅值的上下限调整迟滞比较器上限阈值和下限阈值，迟滞比较单元输出为方波信号，迟滞比较单元采用迟滞电压比较电路，迟滞比较单元包括LM339电压比较器芯片及其外围电路。
AB相方波信号处理模块包括采集单元、编号单元和微控单元，其中：
采集单元采集A相波形的上升沿和下降沿，采集单元采集B相波形的上升沿和下降沿，采集单元通过识别输入信号的变化点来采集上升沿和下降沿，如输入信号的值由0变为1时为上升沿，输入信号的值由1变为0时为下降沿。
编号单元对A相波形上升沿、A相波形下降沿、B相波形上升沿和B相波形下降沿的先后顺序进行边沿编号，边沿编号可通过数字依次进行表示，如A相波形上升沿、A相波形下降沿、B相波形上升沿和B相波形下降沿分别编号为1、2、3和4。
微控单元多个时刻处以边沿触发顺序记录方波信号上升沿和下降沿的边沿编号序列，时刻可设置为在T1、T2、T3和T4时刻处等待A相波形和B相波形的边沿到来，例如若A相波形和B相波形上升沿和下降沿到来的先后顺序依次为：A相波形上升沿、B相波形上升沿、A相波形下降沿和B相波形下降沿，微控单元的边沿编号序列为1-3-2-4，如图2所示，若A相波形和B相波形上升沿和下降沿到来的先后顺序依次为：B相波形上升沿、A相波形上升沿、B相波形下降沿和A相波形下降沿，微控单元的边沿编号序列为3-1-4-2，如图3所示，微控单元可用C8051F120单片机，微控单元将边沿编号序列与预存排序进行匹配，微控单元在匹配失败时丢弃该周期的AB相方波信号，预存排序包括A相波形超前B相波形90度和B相波形超前A相波形90度的边沿编号序列，即A相波形超前B相波形90度时的预存排序为1-3-2-4，B相波形超前A相波形90度的预存排序为3-1-4-2。
测量模块包括定时单元和计数单元，测量模块对输出的方波信号进行测量，定时单元从微控单元的时钟获取起始时刻和结束时刻，微控单元的时钟基准为100MHz，定时单元由AB相方波信号处理模块的方波信号进行边沿触发获取起始时刻，起始时刻记录为TS，定时单元由多个完整周期的方波信号的边沿触发获取结束时刻，结束时刻为TE，例如本实施例一以三个周期的方波为准，由方波信号的第一个周期触发获取起始时刻，由方波信号的第四个周期触发获取结束时刻，定时单元获取多个完整周期的总周期，总周期即三个完整周期方波信号的时长，总周期＝TE-TS，计数单元由同一类型边沿触发记录总周期内完整周期的数量，数量记录为N，如由方波信号的上升沿触发进行计数，微控单元获取总周期和数量计算方波信号的周期，周期＝(TE-TS)/N，通信模块用于将计算的周期发送至后台服务器，通信模块可用现有以太网物理层芯片CP2200进行设计，通信模块通过UDP协议的以太网进行通信。
在具体实施时，通过第一级电路和第二级电路串联来抑制脉冲信号干扰，脉冲信号通过第一级电路中的光电耦合单元输入，脉冲信号由光电耦合单元进行共模抑制，脉冲信号经过光电耦合单元输出至运算放大器单元进行信低通滤波处理，即为基于运算放大器的有缘低通滤波电路的滤波处理，经过低通滤波处理后的脉冲信号输入至迟滞比较单元进行处理；经过第一级电路后的脉冲信号输出至迟滞比较单元，基准电压单元向迟滞比较单元提供基准电压，迟滞比较单元根据有源低通滤波电路输出信号调整迟滞比较器的上阈值和下阈值，从迟滞比较单元输出为方波信号。
将方波信号输入至采集单元，通过编号单元对A相方波和B相方波的上升沿和下降沿编号，A相波形上升沿编号为1，下降沿编号为2；B相波形上升沿编号为3，下降沿编号为4，通过边沿触发模式，在T1，T2，T3，T4时刻采集边沿信号且获取相应的边沿编号序列，由微控模块判定两相波形的边沿信号，即将获得的边沿编号序列与预存排序进行匹配，当匹配失败时，微控模块丢弃该周期的AB相方波信号。
将经过AB相方波信号处理模块处理后的方波信号输入测量模块，若是单相方波，就不经过AB相方波信号处理模块处理直接输入测量模块，如图6所示，启动微控单元的内部100MHz时钟基准，设置测量间隔时间预设值到达时刻，如Tc，启动定时单元和计数单元，当到达Tc时，触发边沿触发机制，测量模块通过定时单元获取方波信号多个完整周期的起始时刻TS和结束时刻TE，通过计数模块计算完整周期的数量，并由微控模块计算得到周期时间，由周期时间得到频率，将频率发送至后台服务器。
针对本实施例一的内容，在通常的应用中，低通滤波模块的截止频率不能设置得很低(设置太低会影响正常信号的波形形状，导致后续采集端无法识别)，因此干扰信号滤除效果有限，但是本发明中的低通滤波电路截止频率可以设置得很低，能最大限度地滤除信号中的干扰，通过调整低通滤波电路的截止频率来完全消除脉冲信号中的干扰信号(干扰信号总是处于一定的频率范围，通常频率较高)，通常调整好的低通滤波电路截止频率较低，虽然低通滤波电路能够完全滤除干扰信号，但对正常的脉冲信号会产生很大影响，使后续的测量装置无法识别，通过调整迟滞电压比较电路的上下阈值，使输入的非标准波形调整成同频率的标准方波输出，标准方波是指经过处理滤除干扰信号后的方波信号。
在通过脉冲信号处理模块对采集的脉冲信号进行初步处理后，通过AB相方波信号处理模块对得到方波信号的A相波形和B相波形进行处理，将方波信号中的错误信号去掉，达到滤除幅值较大、持续时间较长的干扰信号的目的，提高测量方波信号周期的完整性，使方波信号后续的计数和频率测量更加精准。
实施例二
在实施例一的基础上提供了脉冲信号干扰抑制的电路图，如图4和图5所示，第一级电路中，脉冲信号经过光电耦合芯片的VO1引脚通过电阻R5、电容C1组成的低通滤波电路连接到运算放大芯片的1IN+引脚，脉冲信号经过光电耦合芯片的VO2引脚通过电阻R7、电容C2组成低通滤波电路连接到运算放大芯片的2IN+引脚上，信号经过RC网络及运算放大器构成的有源低通滤波电路后通过1OUT引脚输出至第二级电路中LM339电压比较器芯片的1IN-引脚上，LM339电压比较器芯片的1IN+引脚电连接至一CON3电位器的2引脚上，CON3电位器的1引脚串联电阻R13作为VREF引脚，CON3电位器的3引脚串联电阻R14，电阻R14电连接至LM339电压比较器芯片的OUT1引脚上；LM339电压比较器芯片的3IN+引脚电连接至另一CON3电位器的2引脚上，该另一CON3电位器的1引脚串联电阻R15作为另一VREF引脚，该另一CON3电位器的3引脚串联电阻R16，电阻R16电连接至LM339电压比较器芯片的OUT3引脚上，在调节迟滞电压比较电路的上下阈值时，通过两个CON3电位器调整迟滞电压比较电路的比例系数来实现上下阈值的调整，电位器即图4中的两个CON3，通过2OUT引脚输出至3IN-引脚上，1IN-引脚与3IN-引脚并联R3电阻和R6电阻，R3电阻和R6电阻串联，R3电阻和R6电阻之间引出导线接地。
图5的迟滞比较单元的基准电压生成电路通过VREF引脚将基准参考电压输出给迟滞比较电路，将经过第一级电路处理得到的方波信号输入至第二级电路，第二级电路中电压基准芯片从VIN引脚得到电源电压12V，GND引脚接地，VIN引脚与GND引脚间并联电容C7，GND引脚与VOUT引脚间并联电容C9，VOUT引脚串联电阻R18后电连接至运算放大芯片的1IN-引脚上，1IN-引脚与1OUT引脚间并联电阻R17,2IN-引脚串联电阻R20后并联至1OUT引脚，2OUT引脚串联电阻R19后连接至2IN-引脚，测量模块对OUT0和OUT1的输出信号进行测量，本实施例二的电路图能够滤除脉冲信号中的干扰信号，形成标准的方波输出。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种脉冲信号处理和采集装置，包括脉冲信号处理模块，所述脉冲信号处理模块用于抑制脉冲信号干扰并形成方波信号，所述方波信号包括单相方波和双相方波，所述双相方波包括A相波形和B相波形，其特征在于：还包括AB相方波信号处理模块，所述AB相方波信号处理模块包括：
采集单元采集A相波形的上升沿和下降沿，采集单元采集B相波形的上升沿和下降沿；
编号单元对A相波形上升沿、A相波形下降沿、B相波形上升沿和B相波形下降沿的先后顺序进行边沿编号；
微控单元在多个时刻处以边沿触发顺序记录方波信号上升沿和下降沿的边沿编号序列，微控单元将边沿编号序列与预存排序进行匹配，微控单元在匹配失败时丢弃该周期的AB相方波信号。
2.根据权利要求1所述的脉冲信号处理和采集装置，其特征在于：所述脉冲信号处理模块包括第一级电路和第二级电路，所述第一级电路和第二级电路相互串联，所述第一级电路为截止频率可调的低通滤波电路，所述第二级电路为基于运算放大器的上下阈值可调的迟滞电压比较电路。
3.根据权利要求2所述的脉冲信号处理和采集装置，其特征在于：所述低通滤波电路包括光电耦合单元，所述光电耦合单元用于输入脉冲信号，所述光电耦合单元对脉冲信号进行电气隔离。
4.根据权利要求3所述的脉冲信号处理和采集装置，其特征在于：所述低通滤波电路还包括运算放大器单元，所述运算放大器单元与RC网络构成有源低通滤波电路，对光电耦合单元输出脉冲信号进行滤波处理。
5.根据权利要求2所述的脉冲信号处理和采集装置，其特征在于：所述迟滞电压比较电路包括基准电压单元和迟滞比较单元，所述基准电压单元用于向迟滞比较单元提供基准电压，所述迟滞比较单元获取第一级电路处理后的脉冲信号，所述迟滞比较单元根据第一级电路输出脉冲信号幅值的上下限调整迟滞比较器上限阈值和下限阈值，所述迟滞比较单元输出为方波信号。
6.根据权利要求1所述的脉冲信号处理和采集装置，其特征在于：所述预存排序包括A相波形超前B相波形90度和B相波形超前A相波形90度的边沿编号序列。
7.根据权利要求1所述的脉冲信号处理和采集装置，其特征在于：还包括测量模块，所述测量模块包括定时单元，所述定时单元由AB相方波信号处理模块的方波信号进行边沿触发获取起始时刻，所述定时单元由多个完整周期的方波信号的边沿触发获取结束时刻，所述定时单元获取多个完整周期的总周期。
8.根据权利要求7所述的脉冲信号处理和采集装置，其特征在于：所述测量模块还包括计数单元，所述计数单元由同一类型边沿触发记录总周期内完整周期的数量，所述微控单元获取总周期和数量计算方波信号的周期。
9.根据权利要求8所述的脉冲信号处理和采集装置，其特征在于：还包括通信模块，所述通信模块用于将计算的周期发送至后台服务器，所述通信模块通过UDP协议的以太网进行通信。
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