CN110702972A - 一种模拟信号自适应采样方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟信号自适应采样方法及装置，所述方法包括：采集传感器输出的模拟信号，并进行信号调理；确定模拟信号在指定模数转换频率下采样得到的数字量以及采集时间戳；确定采集信号模数转换频率调整的阈值；确定当前所采集的信号与之前若干采样时刻所采集的信号之间的差异度；根据所确定的差异度、当前时刻的模数转换频率及模数转换频率调整的阈值，确定新的采样频率。本发明根据采样数据的相对变化率来动态调整数据采集装置的采样率，在不需要测量采样频率的情况下迭代调整采样频率，既保证了采样的准确性，又减少了不必要的采样数据。

Description

一种模拟信号自适应采样方法及装置

技术领域

本发明信号处理领域，具体涉及一种模拟信号自适应采样方法及装置。

背景技术

在工业生产和测试现场，经常需要使用输出模拟信号的各种类型的传感器用于监测生产环节的各项参数和指标。例如，在汽车制动器实验中，大量使用温度传感器，压力传感器，踏板力传感器，位移传感器和其它传感器。由于传感器信号的频率无法确定，传统的数据采集装置一般采用预估的最大信号频率的2倍进行采样。但一般工作情况下，传感器信号的频率远远低于预估的最大信号频率，大部分采样数据是不必要的。在注重功耗的无线数据采集装置中，采集和传输不必要的采样数据会占据了大部分的系统功耗，降低系统工作时间，增加系统维护成本(电池更换等)。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明提供了一种模拟信号自适应采样方法及装置。

根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种模拟信号自适应采样方法，包括：

采集传感器输出的模拟信号，并进行信号调理，使得信号幅值在测量范围内；

设置模数转换频率，确定信号调理后的模拟信号在该模数转换频率下采样得到的数字量以及采集时间戳；

根据模数转换所确定的数字量，确定采集信号模数转换频率调整的阈值T；

根据模数转换所确定的数字量，确定当前时刻采集的信号与过去N个采样点采集的信号之间的差异度δ；

根据所述的差异度δ、当前时刻的模数转换频率f_old、模数转换频率调整的阈值T及公式f_update＝f_old×(1+tanh(δ-T))，确定下一时刻的模数转换频率f_update。

在一种可能的实现方式中，采集传感器输出的模拟信号，并进行信号调理，包括：

采集传感器输出的模拟信号，若信号为电流信号，转化为电压信号；

对采集到的模拟信号进行信号调理，包括信号放大、信号衰减和信号滤波过程。

在一种可能的实现方式中，设置采样频率，确定所述的经过信号调理后的模拟信号经过模数转换所对应的数字量以及采集时间戳，包括：

采样频率默认情况下为最大采样频率；所述的最大采样频率为模数转换过程的最大转换频率；

所述的经过信号调理后的模拟信号按照所设定的采样频率进行模数转换输出所对应的数字量；

所述的采集时间戳为模拟信号按照所设定的采样频率进行模数转换的时刻。

在一种可能的实现方式中，根据模数转换所确定的数字量，确定采集信号模数转换频率调整的阈值T，包括：

确定过去N(N＝20)个采样点采样值的均值m_N；

确定过去N(N＝20)个采样点采样值与均值m_N的相对误差δ_i，即

其中X_i表示过去第i个采样点的采样值；

确定采集信号模数转换频率调整的阈值

在一种可能的实现方式中，根据所述的模数转换所确定的数字量，确定当前所采集的信号与之前所采集的信号之间的差异度，包括：

确定过去N(N＝20)个采样点采样值的均值m_N；

确定当前所采集的信号与过去N个采样点采样值均值m_N的相对误差δ，即

其中X_i表示当前时刻的采样值。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种模拟信号自适应采样的无线数据采集装置，包括：

第一确定模块，用于采集传感器输出的模拟信号，并进行信号调理，使得信号幅值在测量范围内；

第二确定模块，用于设置模数转换频率，确定信号调理后的模拟信号在该模数转换频率下采样得到的数字量以及采集时间戳；

第三确定模块，用于根据模数转换所确定的数字量，确定采集信号模数转换频率调整的阈值T；

第四确定模块，用于根据模数转换所确定的数字量，确定当前时刻采集的信号与之前N个采样点采集的信号之间的差异度δ；

第五确定模块，用于根据所述的差异度、当前时刻所设置的模数转换频率以及模数转换频率调整的阈值，确定新的模数转换频率。

在一种可能的实现方式中，所述的第一确定模块包括：

第一确定子模块，用于采集各传感器输出的模拟信号；

第一调理子模块，用于对采集到的模拟信号进行进行信号调理，包括信号放大、信号衰减和信号滤波过程。

在一种可能的实现方式中，所述的第二确定模块包括：

第二确定子模块，用于设置模数转换的采样频率，采样频率默认情况下为最大采样频率；所述的最大采样频率为模数转换过程的最大转换频率；

第三确定子模块，用于确定所述的经过信号调理后的模拟信号按照所设定的采样频率进行模数转换输出所对应的数字量；

第四确定子模块，用于确定采集时间戳，即模拟信号按照所设定的采样频率进行模数转换的时刻。

在一种可能的实现方式中，所述的第三确定模块包括：

第五确定子模块，用于确定之前N(N＝20)个采样点采样值的均值m_N；

第六确定子模块，用于确定之前N(N＝20)个采样点采样值与均值m_N的相对误差δ_i；

第七确定子模块，用于确定采集信号模数转换频率调整的阈值

在一种可能的实现方式中，所述的第四确定模块包括：

第八确定子模块，用于确定过去N个采样点采样值的均值m_N；

第九确定子模块，用于确定当前所采集的信号与过去N个采样点采样值均值m_N的相对误差

其中X_cur表示当前时刻的采样值。

在一种可能的实现方式中，所述的第五确定模块包括：

第十确定子模块，用于根据所述的差异度δ、当前时刻的模数转换频率f_old、模数转换频率调整的阈值T及公式f_update＝f_old×(1+tanh(δ-T))，确定新的采样频率f_update；

第一传输子模块，用于采用无线传输的方式将采集到的模拟信号的数字量以及对应的时间戳发送至处理端。

本发明的有益效果是：

本发明根据采样数据的相对变化率来动态调整数据采集装置的采样率，在不需要测量采样信号频率的情况下迭代调整采样频率，既保证了采样的准确性，又减少了不必要的采样数据。采用自适应采样的无线数据采集装置减少了不必要的采样以及数据传输，降低了系统功耗。

应当理解的是，以上的一般性描述和后文的细节描述仅是示范性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

图1是根据一示范性实施例示出的一种模拟信号自适应采样方法的流程图；

图2是根据一示范性实施例示出的步骤100的流程图；

图3是根据一示范性实施例示出的步骤101的流程图；

图4是根据一示范性实施例示出的步骤102的流程图；

图5是根据一示范性实施例示出的实际信号与采样信号波形；

图6是根据一示范性实施例示出的一种装置的功能框图；

图7是根据一示范性实施例示出的一种装置的组件框图。

具体实施方式

这里将详细地对示范性实施例进行说明，其示范表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表述，不同附图中的相同数字表示相同或者相似的要素。以下示范性实施例中所描述的实施方式并不表示与本公开的所有实施方式一致。相反，它们只是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面一致的装置和方法的例子。

图1是根据一示范性实施例示出的一种模拟信号自适应采样方法的流程图。如图1所示，该方法可以包括：

步骤100，采集传感器输出的模拟信号，并进行信号调理，使得信号幅值在测量范围内；所述的传感器为输出模拟信号的传感器；

所述的信号调理包括信号放大、信号衰减和信号滤波过程；

步骤101，设置模数转换的采样频率，确定所述的经过信号调理后的模拟信号经过模数转换所对应的数字量以及采集时间戳；所述的模数转换过程均有采样频率可设置功能；

步骤102，根据模数转换所确定的数字量，确定采集信号模数转换频率调整的阈值T；

步骤103，根据所述的模数转换所确定的数字量，确定当前所采集的信号与之前所采集的信号之间的差异度δ。

步骤104，根据步骤103得到的差异度δ、当前时刻的模数转换频率f_old、步骤102得到的模数转换频率调整的阈值T及公式f_update＝f_old×(1+tanh(δ-T))，确定下一时刻的模数转换频率f_update，转到步骤102；

步骤105，采用无线传输的方式将采集到的模拟信号的数字量以及对应的时间戳发送至处理端。

作为本实施例的一个示范，若传感器包括温度传感器，则步骤100可以包括：采集温度传感器输出的模拟电压信号，并将信号放大至合适的测量范围。步骤101可以包括：设置模数转换频率为采集装置的最大采样频率，对模拟信号进行模数转换并记录转换的时间戳。步骤102可以包括：计算之前N(N＝20)个采样点的均值，确定之前N(N＝20)个采样点与均值之间的相对误差，确定采集信号模数转换频率调整的阈值T。步骤103可以包括：计算当前采样值与前20个采样值均值的相对误差。步骤104可以包括：根据步骤104计算所得的相对误差更新采样频率。

图2是根据一示范性实施例示出的步骤100的流程图。如图2所示，步骤100可以包括：

步骤1001，采集传感器输出的模拟信号，若信号为电流信号，转化为电压信号；

步骤1002，对采集到的模拟信号进行信号调理，包括信号放大、信号衰减和信号滤波过程。

图3是根据一示范性实施例示出的步骤101的流程图。如图3所示，步骤101可以包括：

步骤1011，采样频率默认情况下为最大采样频率；所述的最大采样频率为模数转换过程的最大转换频率；

步骤1012，确定信号调理后的模拟信号经过模数转换所对应的数字量；

步骤1013，确定模拟信号按照所设定的采样频率进行模数转换的时刻。

图4是根据一示范性实施例示出的步骤103的流程图。如图4所示，步骤102可以包括：

步骤1021，确定过去N个采样点采样值的均值；

步骤1022，确定当前所采集的信号与过去N个采样点采样值均值的相对误差。

图5是根据一示范性实施例示出的原始信号与采样信号，以震动传感器为例，其原始信号即采用最大模数转换频率采集所得波形如图5中(a)所示。采用自适应采样方法采集信号波形如图5中(b)所示。可以看出，采用自适应采样方法采集所得的信号波形在保证信号完整性的情况下减少了采样次数，进而降低了采集功耗和传输功耗。

图6是根据一示范性实施例示出的一种模拟信号自适应采样的无线数据采集装置500的功能框图，该装置包括：

第一确定模块51，用于采集传感器输出的模拟信号，并进行信号调理，使得信号幅值在测量范围内；

第二确定模块52，用于设置采样频率，确定信号调理后的模拟信号在该模数转换频率下采样得到的数字量以及采集时间戳；

第三确定模块53，用于根据模数转换所确定的数字量，确定采集信号模数转换频率调整的阈值T；

第四确定模块，用于根据模数转换所确定的数字量，确定当前时刻采集的信号与之前N个采样点采集的信号之间的差异度δ；

第五确定模块，用于根据所述的差异度、当前时刻所设置的模数转换频率以及模数转换频率调整的阈值，确定新的模数转换频率。

在一种可能的实现方式中，所述的第一确定模块51包括：

第一确定子模块511，用于采集各传感器输出的模拟信号；

第一调理子模块512，用于对采集到的模拟信号进行进行信号调理，包括信号放大、信号衰减和信号滤波过程。

在一种可能的实现方式中，所述的第二确定模块52包括：

第二确定子模块521，用于设置模数转换的采样频率，采样频率默认情况下为最大采样频率；所述的最大采样频率为模数转换过程的最大转换频率；

第三确定子模块522，用于确定所述的经过信号调理后的模拟信号按照所设定的采样频率进行模数转换输出所对应的数字量；

第四确定子模块533，用于确定采集时间戳，即模拟信号按照所设定的采样频率进行模数转换的时刻。

在一种可能的实现方式中，所述的第三确定模块53包括：

第五确定子模块531，用于确定之前N(N＝20)个采样点采样值的均值m_N；

第六确定子模块532，用于确定之前N(N＝20)个采样点采样值与均值m_N的相对误差δ_i；

第七确定子模块533，用于确定采集信号模数转换频率调整的阈值

在一种可能的实现方式中，所述的第四确定模块包括：

第八确定子模块541，用于确定过去N个采样点采样值的均值m_N；

第九确定子模块542，用于确定当前所采集的信号与过去N个采样点采样值均值m_N的相对误差

其中X_cur表示当前时刻的采样值。

在一种可能的实现方式中，所述的第五确定模块包括：

第十确定子模块551，用于根据所述的差异度δ、当前时刻的模数转换频率f_old、模数转换频率调整的阈值T及公式f_update＝f_old×(1+tanh(δ-T))，确定新的采样频率f_update；

第一传输子模块552，用于采用无线传输的方式将采集到的模拟信号的数字量以及对应的时间戳发送至处理端。

图7是根据一示范性实施例示出的一种模拟信号自适应采样的无线数据采集装置的组件框图。装置600可以包括以下一个或多个组件：电源组件601，模数转换组件602，信号输入组件603，处理组件604，通信组件605以及存储组件606。

处理组件604通常控制装置600的整体操作，诸如模拟信号模数转换，信号特征提取。处理组件604可以包括一个或者多个处理器610来执行指令。此外，处理组件604可以包括一个或者多个模块，便于处理组件604和其它组件之间的交互。

电源组件601为装置600的各种组件提供电力，电源组件601可以包括电源管理系统，一个或者多个电源，及其它与为装置600生成、管理和分配电力相关联的组件。

信号输入组件603将传感器输出的模拟信号经过调理之后输出至模数转换组件，调理过程包括滤波、放大和衰减中的一种或者多种。例如，当传感器输入信号为电流信号时，将电流信号转换为电压信号输出。

模数转换组件602将信号输入组件输出的电压信号转换为数字信号；

通信组件605被配置为方便装置600和其它设备之间无线方式的通信，装置600可以接入基于通信标准的无线网络，如Wi-Fi，2G，3G或者4G，或者它们的组合。

在示范性实施例中，装置600可以被一个或者多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其它电子设备实现，用于执行上述方法。

在示范性实施例中，还提供了一种包括指令的非临时性计算计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器606，上述指令可由装置600的处理器610执行以完成上述方法。例如，所述的非临时性计算机可读存储介质可以时ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并可以在不脱离其范围内各种变形和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种模拟信号自适应采样方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采集传感器输出的模拟信号，并进行信号调理，使得信号幅值在测量范围内。

(2)设置模数转换频率，确定信号调理后的模拟信号在该模数转换频率下采样得到的数字量以及采集时间戳。

(3)根据模数转换所确定的数字量，确定采集信号模数转换频率调整的阈值T。

(4)根据模数转换所确定的数字量，确定当前时刻采集的信号与之前N个采样点采集的信号之间的差异度δ。

(5)根据所述的差异度δ、当前时刻的模数转换频率f_old、模数转换频率调整的阈值T及公式f_update＝f_old×(1+tanh(δ-T))，确定下一时刻的模数转换频率f_update，转到步骤(4)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体包括：

采样频率默认情况下为最大采样频率；所述的最大采样频率为模数转换过程的最大转换频率；

所述的信号调理后的模拟信号按照所设定的采样频率进行模数转换输出所对应的数字量；

所述的采集时间戳为模拟信号按照所设定的采样频率进行模数转换的时刻。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：

确定过去N个采样点采样值的均值m_N；

确定过去N个采样点采样值与均值m_N的相对误差δ_i，即

其中X_i表示过去第i个采样点的采样值；

确定采集信号模数转换频率调整的阈值

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)具体包括：

确定过去N个采样点采样值的均值m_N；

确定当前所采集的信号与过去N个采样点采样值均值m_N的相对误差δ，即

其中X_cur表示当前时刻的采样值。

5.一种模拟信号自适应采样的无线数据采集装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于采集传感器输出的模拟信号，并进行信号调理，使得信号幅值在测量范围内；

第二确定模块，用于设置模数转换频率，确定调理后的模拟信号在该模数转换频率下采样得到的数字量以及采集时间戳；

第三确定模块，用于根据模数转换所确定的数字量，确定采集信号模数转换频率调整的阈值；

第四确定模块，用于根据模数转换所确定的数字量，确定当前时刻采集的信号与过去N个采样点采集的信号之间的差异度；

第五确定模块，用于根据所述的差异度、当前时刻所设置的模数转换频率以及模数转换频率调整的阈值，确定新的模数转换频率。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的第一确定模块包括：

第一确定子模块，用于采集各传感器输出的模拟信号；

第一调理子模块，用于对采集到的模拟信号进行进行信号调理，包括信号放大、信号衰减和信号滤波过程。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的第二确定模块包括：

第二确定子模块，用于设置模数转换的采样频率，采样频率默认情况下为最大采样频率；所述的最大采样频率为模数转换过程的最大转换频率；

第三确定子模块，用于确定所述的经过信号调理后的模拟信号按照所设定的采样频率进行模数转换输出所对应的数字量；

第四确定子模块，用于确定采集时间戳，即模拟信号按照所设定的采样频率进行模数转换的时刻。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的第三确定模块包括：

第五确定子模块，用于确定过去N个采样点采样值的均值m_N；

第六确定子模块，用于确定过去N个采样点采样值与均值m_N的相对误差δ_i；

第七确定子模块，用于确定采集信号模数转换频率调整的阈值

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的第四确定模块包括

第八确定子模块，用于确定过去N个采样点采样值的均值m_N；

第九确定子模块，用于确定当前所采集的信号与过去N个采样点采样值均值m_N的相对误差

其中X_cur表示当前时刻的采样值。

10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的第五确定模块包括：

第十确定子模块，用于根据所述的差异度δ、当前时刻的模数转换频率f_old、模数转换频率调整的阈值T及公式f_update＝f_old×(1+tanh(δ-T))，确定新的采样频率f_update；

第一传输子模块，用于采用无线传输的方式将采集到的模拟信号的数字量以及对应的时间戳发送至处理端。

Images