CN110995192B - 一种pwm信号处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种PWM信号处理方法及系统，该方法包括：检波提取变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内频率、幅值及占空比；根据正常工作电压范围内频率、幅值及占空比，预设一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路的参数；通过一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路过滤调制后，输出变频率、变幅值的PWM信号对应的归一化信号。通过该方案解决了现有PWM信号处理计算量大、过程复杂的问题，可以简化信号处理过程，减少运算，同时稳定可靠，电路结果成本低，具有良好的通用性。

Description

一种PWM信号处理方法及系统

技术领域

本发明涉及汽车电子控制领域，尤其涉及一种PWM信号处理方法及系统。

背景技术

随着汽车消费量的增加，用户对汽车的舒适性、安全性和可靠性提出了越来越高的要求，相对于单一的PWM信号系统，如氛围灯调节系统、空调调节系统等，变频率、变幅值的PWM信号系统可以为用户带来更多样、安全可靠的驾驶体验。

然而伴随着变频率、变幅值的PWM信号的产生，对这些PWM信号处理也变得更为复杂，通过信号归一化可以有效简化信号处理，但现有PWM信号归一化处理计算量大，过程复杂，不便于实际使用。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种PWM信号处理方法及系统，以解决现有PWM信号处理计算量大、过程复杂的问题。

在本发明实施例的第一方面，提供了一种PWM信号处理方法，包括：

检波提取变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内频率、幅值及占空比；

根据正常工作电压范围内频率、幅值及占空比，预设一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路的参数；

通过一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路过滤调制后，输出变频率、变幅值的PWM信号对应的归一化信号。

在本发明实施例的第二方面，提供了一种PWM信号处理系统，包括：

检波模块：用于检波提取变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内频率、幅值及占空比；

设置模块：用于根据正常工作电压范围内频率、幅值及占空比，预设一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路的参数；

处理模块，用于通过一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路过滤调制后，输出变频率、变幅值的PWM信号对应的归一化信号。

本发明实施例中，通过检波输出PWM波在正常工作范围内的变化频率、幅值和占空比，根据频率、幅值及占空比预设滤波参数，进而通过一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路对变频率、变幅值的PWM信号处理得到归一化的PMM信号，以便根据归一化信号进行反馈控制，可以简化信号处理过程，减少运算，有效解决了现有PWM信号处理计算量大、过程复杂的问题。同时，信号处理电路成本低廉，实际CPU处理过程资源占用少、处理简单，该方法通用性好、稳定可靠且支持个性化二次开发及标定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。

图1为本发明的一个实施例提供的PWM信号处理方法的流程示意图；

图2为本发明的一个实施例提供的PWM信号处理电路的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例提供的PWM信号处理电路的另一结构示意图；

图4为本发明的一个实施例提供的PWM信号处理电路的另一结构示意图；

图5为本发明的一个实施例提供的PWM信号处理电路的另一结构示意图；

图6为本发明的一个实施例提供的PWM信号处理系统的结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性10劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。此外，“第一”“第二”用于区分不同对象，并非用于描述特定顺序。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种PWM信号处理方法的流程示意图，包括：

S101、检波提取变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内频率、幅值及占空比；

所述PWM信号即脉冲宽度调制信号，用于调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，实现导通时间的改变。一般在汽车的氛围灯调节开关、汽车空调调节旋钮、汽车多方向电动椅调节系统等结构均会产生变频率、变幅值的PWM信号，采集这些信号进行归一化处理，可以方便反馈调制。

所述正常工作电压范围为外部汽车氛围灯调节系统、汽车空调调节系统及汽车多方向电动座椅调节系统等的工作电压范围，一般变频率、变幅值的PWM信号的幅值与工作电压相关。

优选的，提取所述变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内最大频率值，最小幅值、最小占空比、最大占空比。

具体的，在一个实施例中预设正常工作电压范围在[U_IL，U_IH]内，对PWM信号的频率、幅值和占空比作如下提取：

在U_IL工作电压模式下，PWM信号的频率f在[f_1L`，f<sub>1H</sub>`]内变化，对应提取PWM信号幅值U的变化范围[U_1L`，U<sub>1H</sub>`]，PWM信号占空比T的变化范围[T_1L`，T<sub>1H</sub>`]。

在U_IL+(U_IL+U_IH)/2工作电压模式下，PWM信号的频率f在[f_1L``，f<sub>1H</sub>``]内变化，对应提取PWM信号幅值U的变化范围[U_1L``，U<sub>1H</sub>``]，PWM信号占空比T的变化范围[T_1L``，T<sub>1H</sub>``]。

在U_IH工作电压模式下，PWM信号的频率f在[f_1L```，f<sub>1H</sub>```]内变化，对应提取PWM信号幅值U的变化范围[U_1L```，U<sub>1H</sub>```]，PWM信号占空比T的变化范围[T_1L```，T<sub>1H</sub>```]。

在U_IL工作电压模式下，PWM信号的频率f在[f_2L`，f<sub>2H</sub>`]内变化，对应提取PWM信号幅值U的变化范围[U_2L`，U<sub>2H</sub>`]，PWM信号占空比T的变化范围[T_2L`，T<sub>2H</sub>`]。

在U_IL+(U_IL+U_IH)/2工作电压模式下，PWM信号的频率f在[f_2L``，f<sub>2H</sub>``]内变化，对应提取PWM信号幅值U的变化范围[U_2L``，U<sub>2H</sub>``]，PWM信号占空比T的变化范围[T_2L``，T<sub>2H</sub>``]。

在U_IH工作电压模式下，PWM信号的频率f在[f_3L```，f<sub>3H</sub>```]内变化，对应提取PWM信号幅值U的变化范围[U_3L```，U<sub>3H</sub>```]，PWM信号占空比T的变化范围[T_3L```，T<sub>3H</sub>```]。

在U_IL工作电压模式下，PWM信号的频率f在[f_3L`，f<sub>3H</sub>`]内变化，对应提取PWM信号幅值U的变化范围[U_3L`，U<sub>3H</sub>`]，PWM信号占空比T的变化范围[T_3L`，T<sub>3H</sub>`]。

在U_IL+(U_IL+U_IH)/2工作电压模式下，PWM信号的频率f在[f_3L``，f<sub>3H</sub>``]内变化，对应提取PWM信号幅值U的变化范围[U_3L``，U<sub>3H</sub>``]，PWM信号占空比T的变化范围[T_3L``，T<sub>3H</sub>``]。

在U_IH工作电压模式下，PWM信号的频率f在[f_3L```，f<sub>3H</sub>```]内变化，对应提取PWM信号幅值U的变化范围[U_3L```，U<sub>3H</sub>```]，PWM信号占空比T的变化范围[T_3L```，T<sub>3H</sub>```]。

然后对提取的特征参数做如下比较与取样：

(1)、比较f_1L`、f<sub>1H</sub>`、f_1L``、f<sub>1H</sub>``、f_1L```、f<sub>1H</sub>```、f_2L`、f<sub>2H</sub>`、f_2L``、f<sub>2H</sub>``、f_2L```、f<sub>2H</sub>```、f_3L`、f<sub>3H</sub>`、f_3L``、f<sub>3H</sub>``、f_3L```和f<sub>3H</sub>```，取其中的最大值记为f_max。

(2)、比较U_1L`、U<sub>1H</sub>`、U_1L``、U<sub>1H</sub>``、U_1L```、U<sub>1H</sub>```、U_2L`、U<sub>2H</sub>`、U_2L``、U<sub>2H</sub>``、U_2L```、U<sub>2H</sub>```、U_3L`、U<sub>3H</sub>`、U_3L``、U<sub>3H</sub>``、U_3L```和U<sub>3H</sub>```，取其中的最小值记为U_min。

(3)、比较T_1L`、T<sub>1H</sub>`、T_1L``、T<sub>1H</sub>``、T_1L```、T<sub>1H</sub>```、T_2L`、T<sub>2H</sub>`、T_2L``、T<sub>2H</sub>``、T_2L```、T<sub>2H</sub>```、T_3L`、T<sub>3H</sub>`、T_3L``、T<sub>3H</sub>``、T_3L```和T<sub>3H</sub>```，取其中的最小值记为T_min，最大值记为T_max。

对应的在正常工作电压范围内最大频率值为f_max，最小幅值U_min、最小占空比T_min、最大占空比T_max。

S102、根据正常工作电压范围内频率、幅值及占空比，预设一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路的参数；

基于检波提取的变频率、变幅值的PWM信号特征，预先设置滤波电路和开关电路的参数，可以方便后续直接对变频率、变幅值的PWM信号进行归一化处理。

可选的，所述一次二阶滤波电路与所述开关电路的一端连接，所述开关电路另一端再和所述二次二阶滤波电路连接；

其中，所述一次二阶滤波电路由第一电阻、第二电阻和第一电容和第二电容构成，所述开关电路由第三电阻、第一三极管和第四电阻构成，所述二次二阶滤波电路由第五电阻、第三电容、第四电容、第六电阻、第五电容和第六电容构成。

优选的，所述一次二阶滤波电路参数匹配满足其中，f_max为最大频率值，R₁为第一电阻，C₁为第一电容，R₂为第二电阻，C₂为第二电容。

优选的，所述开关电路参数匹配满足U_min×R₃/(R₁₊R₂₊R₃)≥0.7V，同时U_min/(R₁₊R₂₊R₃)>U_b×5V/R₄，其中，U_min为最小幅值，R₁为第一电阻，R₂为第二电阻，R₃为第三电阻，R₄为第四电阻，U_b表示三极管基极电压。

优选的，所述二次二阶滤波电路参数匹配满足实测电压值U_O，在最小占空比T_min条件下，U_O约等于(1-T_min)×5V；在最大占空比T_max条件下，U_O约等于(1-T_max)×5V，以使变频率、变幅值的PWM信号变为平滑的电压信号。

S103、通过一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路过滤调制后，输出变频率、变幅值的PWM信号对应的归一化信号。

所述一次二阶滤波电路用于滤除变频率、变幅值的PWM信号在有效频率范围以外的干扰信号，使PWM信号不失真通过，所述开关电路用于对PWM信号进行调制，使PWM信号上升或下降更规范，所述二次二阶滤波电路用于滤除PWM信号，并将交流信号转变成直流信号，方便直接采集信号幅值。

归一化处理是一种将有量纲的表达式变换为无量纲的表达式，可以使PWM信号物理系统数值的绝对值变成某种相对值关系，可以简化计算，缩小量值。

可选的，后级信号处理系统根据所述归一化信号判断变频率、变幅值的PWM信号的实时状态，对预调节设备实现反馈控制。经过归一化处理后，可以方便对PWM信号进行特征提取，根据归一化的幅值即可得到对应的频率、幅值和占空比，方便对对应的汽车氛围灯调节系统、汽车空调调节系统及汽车多方向电动座椅调节系统等进行控制反馈，如汽车氛围灯调节系统输出的信号被微控制器(单片机)采集到，单片机会发出控制指令对应调节氛围灯亮度或者模式。

通过本实施例提供的方法，解决了现有方法，计算量大，过程复杂的问题，面向实际PWM波的检波过程最大程度提取了PWM波频率、幅值及占空比等关键物理参数，检波方法通用性好、实际指导意义强；处理电路物理构造简单、成本低廉；可以基于软件实现，CPU资源占用少、处理简单；通用性好、稳定可靠且支持个性化二次开发及标定。

应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

图2为本发明实施例提供的PWM信号处理电路的结构示意图，如图2所示，包括检波电路210、一次二阶滤波电路220、开关电路230、二次二阶滤波电路240，其中，01为变频率、变幅值的PWM信号输入端，02为变频率、变幅值的PWM信号对应归一化信号输出端。

所述检波电路210用于输出PWM波变化的频率、幅值和占空比的变化规律曲线，方便预设一次二阶滤波电路220、开关电路230、二次二阶滤波电路240的滤波参数。

变频率、变幅值的PWM信号由一次二阶滤波电路220的输入端输入，一次二阶滤波电路220的输出端与开关电路230的输入端连接，开关电路230的输出端与二次二阶滤波电路240的输入端连接，变频率、变幅值的PWM信号对应归一化信号由二次二阶滤波电路240的输出端输出。

如图3所示，所述一次二阶滤波电路220由第一电阻R₁、第二电阻R₂、第一电容C₁和第二电容C₂构成。变频率、变幅值的PWM信号由第一电阻R₁的一端输入，第一电阻R₁的另一端与第一电容C₁、第二电阻R₂的公共端连接，第一电容C₁的另一端接地，第二电阻R₂的另一端与第二电容C₂一端连接，第二电容的另一端接地。

如图4所示，所述开关电路230由第三电阻R₃、第一三极管Q₁和第四电阻R₄构成。经所述一次二阶滤波电路220滤波后的变频率、变幅值的PWM信号输入至第三电阻R₃和第一三极管基极Q₁的公共连接端，第三电阻R₃的另一端和第一三极管Q₁的发射极连接，且都接地，第一三极管Q₁的集电极接第四电阻R₄的一端，第四电阻R₄的另一端接5V电源，其中，1对应于基极一端，2对应于发射极一端，3对应于集电极一端。

如图5所示，所述二次二阶滤波电路240由第五电阻R₅、第三电容C₃、第四电容C₄、第六电阻R₆、第五电容C₅和第六电容C₆构成。经开关电路230调理后的PWM信号由第五电阻R₅的一端输入，第五电阻R₅的另一端与第三电容C₃、第四电容C₄和第六电阻R₆的公共端连接，第三电容C₃和第四电容C₄的另一个公共端接地，第六电阻R₆的另一端与第五电容C₅、第六电容C₆的公共端连接，且输出归一化的变频率、变幅值的PWM信号，第五电容C₅和第六电容C₆的另一个公共端接地。

图6为本发明实施例提供的一种PWM信号处理系统的结构示意图，该系统包括：

检波模块610：用于检波提取变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内频率、幅值及占空比；

可选的，所述检波提取变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内频率、幅值及占空比包括：

提取所述变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内最大频率值，最小幅值、最小占空比、最大占空比。

设置模块620：用于根据正常工作电压范围内频率、幅值及占空比，预设一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路的参数；

可选的，所述设置模块620包括一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路；

所述一次二阶滤波电路与所述开关电路的一端连接，所述开关电路另一端再和所述二次二阶滤波电路连接；

其中，所述一次二阶滤波电路由第一电阻、第二电阻和第一电容和第二电容构成，所述开关电路由第三电阻、第一三极管和第四电阻构成，所述二次二阶滤波电路由第五电阻、第三电容、第四电容、第六电阻、第五电容和第六电容构成。

优选的，所述一次二阶滤波电路参数匹配满足其中，f_max为最大频率值，R₁为第一电阻，C₁为第一电容，R₂为第二电阻，C₂为第二电容。

优选的，所述开关电路参数匹配满足U_min×R₃/(R₁₊R₂₊R₃)≥0.7V，同时U_min/(R₁₊R₂₊R₃)>U_b×5V/R₄，其中，U_min为最小幅值，R₁为第一电阻，R₂为第二电阻，R₃为第三电阻，R₄为第四电阻，U_b表示三极管基极电压。

优选的，所述二次二阶滤波电路参数匹配满足实测电压值U_O，在最小占空比T_min条件下，U_O约等于(1-T_min)×5V；在最大占空比T_max条件下，U_O约等于(1-T_max)×5V。

处理模块630，用于通过一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路过滤调制后，输出变频率、变幅值的PWM信号对应的归一化信号。

可选的，所述处理模块630还包括：

反馈模块，后级信号处理系统根据所述归一化信号判断变频率、变幅值的PWM信号的实时状态，对预调节设备实现反馈控制。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括步骤S101至S103，所述的存储介质包括如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种PWM信号处理方法，其特征在于，包括：

检波提取变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内频率、幅值及占空比；

根据正常工作电压范围内频率、幅值及占空比，预设一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路的参数；

其中，所述一次二阶滤波电路与所述开关电路的一端连接，所述开关电路另一端再和所述二次二阶滤波电路连接；

所述一次二阶滤波电路由第一电阻、第二电阻和第一电容和第二电容构成，所述开关电路由第三电阻、第一三极管和第四电阻构成，所述二次二阶滤波电路由第五电阻、第三电容、第四电容、第六电阻、第五电容和第六电容构成；

其中，所述一次二阶滤波电路参数匹配满足f_max≤1/(2πR₁C₁R₂C₂)，其中，f_max为最大频率值，R₁为第一电阻，C₁为第一电容，R₂为第二电阻，C₂为第二电容；

所述开关电路参数匹配满足U_min×R₃/(R₁₊R₂₊R₃)≥0.7V，同时满足U_min/(R₁₊R₂₊R₃)>U_b×5V/R₄，其中，U_min为最小幅值，R₁为第一电阻，R₂为第二电阻，R₃为第三电阻，R₄为第四电阻，U_b表示三极管基极电压；

所述二次二阶滤波电路参数匹配满足实测电压值U_O，在最小占空比T_min条件下，U_O约等于(1-T_min)×5V；在最大占空比T_max条件下，U_O约等于(1-T_max)×5V；

通过一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路过滤调制后，输出变频率、变幅值的PWM信号对应的归一化信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检波提取变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内频率、幅值及占空比包括：

提取所述变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内最大频率值，最小幅值、最小占空比、最大占空比。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路过滤调制后，输出变频率、变幅值的PWM信号对应的归一化信号包括：

后级信号处理系统根据所述归一化信号判断变频率、变幅值的PWM信号的实时状态，以对预调节设备实现反馈控制。

4.一种PWM信号处理系统，其特征在于，包括：

检波模块：用于检波提取变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内频率、幅值及占空比；

设置模块：用于根据正常工作电压范围内频率、幅值及占空比，预设一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路的参数；

其中，所述一次二阶滤波电路与所述开关电路的一端连接，所述开关电路另一端再和所述二次二阶滤波电路连接；

所述一次二阶滤波电路由第一电阻、第二电阻和第一电容和第二电容构成，所述开关电路由第三电阻、第一三极管和第四电阻构成，所述二次二阶滤波电路由第五电阻、第三电容、第四电容、第六电阻、第五电容和第六电容构成；

其中，所述一次二阶滤波电路参数匹配满足f_max≤1/(2πR₁C₁R₂C₂)，其中，f_max为最大频率值，R₁为第一电阻，C₁为第一电容，R₂为第二电阻，C₂为第二电容；

所述开关电路参数匹配满足U_min×R₃/(R₁₊R₂₊R₃)≥0.7V，同时满足U_min/(R₁₊R₂₊R₃)>U_b×5V/R₄，其中，U_min为最小幅值，R₁为第一电阻，R₂为第二电阻，R₃为第三电阻，R₄为第四电阻，U_b表示三极管基极电压；

所述二次二阶滤波电路参数匹配满足实测电压值U_O，在最小占空比T_min条件下，U_O约等于(1-T_min)×5V；在最大占空比T_max条件下，U_O约等于(1-T_max)×5V；

处理模块，用于通过一次二阶滤波电路、开关电路和二次二阶滤波电路过滤调制后，输出变频率、变幅值的PWM信号对应的归一化信号。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述检波提取变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内频率、幅值及占空比包括：

提取所述变频率、变幅值的PWM信号在正常工作电压范围内最大频率值，最小幅值、最小占空比、最大占空比。