CN112054798A - 信号采集电路及其采样频率调节方法、计算机存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了信号采集电路及其采样频率调节方法、计算机存储介质，所述信号采集电路包括模数转换器、离散小波包变换模块以及信号频率分析模块。所述模数转换器用于将输入的模拟信号转换为数字信号；所述离散小波包变换模块用于对所述数字信号进行离散小波包变换，以获得所述数字信号对应不同分频频段的频率分量；所述信号频率分析模块，用于根据各个分频频段的频率分量确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段，以控制所述模数转换器选择对应所述主要频段的预设采样频率。本发明实现了信号采集电路对输入信号的自适应调节，从而能在保证信号采集准确性的前提下节省功耗，满足物联网应用的低功耗要求。

Description

信号采集电路及其采样频率调节方法、计算机存储介质

技术领域

本发明涉及信号采集的技术领域，尤其是涉及信号采集电路及其采样频率调节方法。

背景技术

在物联网(IoT)的应用领域，物联网设备受限于边缘节点设备大小和重量等限制，其电池的容量及其有限，其甚至没有设置电池而需要靠无线充电或者能量采集器(Energyharvester)进行供电。那么就要求这些设备除了需要达到功能和性能指标外，还需要能够保持较低功耗进行工作。

而物联网应用中信号的特性是输入信号呈现间隙性的尖峰状信号，比如心电图信号(ECG)、脑电图信号(EEG)和环境监测信号等等，这类信号在信号周期的不同时间段的频率分量会有很大的不同，在信号周期内，低频分量可能占据了信号周期的相当大的部分时间段，而高频分量(对应尖峰处)可能仅仅占据信号周期的小部分时间段。现有的传统信号采集电路采取统一的采样频率进行工作，没有考虑物联网应用中信号的上述特性来进行调节，导致信号采集电路将一直以较高的固定采样频率工作，即一直产生高功耗，不能满足物联网应用的低功耗要求。因此，有必要提出一种能有效降低信号采集电路的功耗的方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供信号采集电路及其采样频率调节方法、计算机存储介质，来解决上述问题。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

本发明提供了一种信号采集电路，包括：模数转换器、离散小波包变换模块以及信号频率分析模块，所述模数转换器用于将输入的模拟信号转换为数字信号；所述离散小波包变换模块用于对所述数字信号进行离散小波包变换，以获得所述数字信号对应不同分频频段的频率分量；所述信号频率分析模块用于根据各个分频频段的频率分量确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段，以控制所述模数转换器选择对应所述主要频段的预设采样频率。

优选地，所述主要频率分量为大于预设分量阈值的频率分量。

优选地，所述信号采集电路还包括时钟模块，所述信号频率分析模块根据所述主要频段向所述时钟模块发送生成的采样频率控制信号，所述时钟模块根据所述采样频率控制信号向所述模数转换器发送对应预设采样频率的时钟信号。

优选地，所述信号采集电路包括多个模拟信号的输入通道，所述模数转换器通过开关可选择地连接到多个所述输入通道中的任意一个。

优选地，所述信号采集电路还包括用于放大所述模拟信号的信号放大器。

本发明提供了一种信号采集电路的采样频率调节方法，包括：将输入的模拟信号转换为数字信号；对所述数字信号进行离散小波包变换，以获得所述数字信号对应不同分频频段的频率分量；根据各个分频频段的频率分量确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段；调节信号采集电路的采样频率为对应所述主要频段的预设采样频率。

优选地，根据各个分频频段的频率分量确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段的方法包括：选定大于预设分量阈值的频率分量为对应所述数字信号的主要频率分量；确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段。

优选地，调节信号采集电路的采样频率为对应所述主要频段的预设采样频率的方法包括：根据所述主要频段生成采样频率控制信号；根据所述采样频率控制信号生成时钟信号，以根据所述时钟信号调节信号采集电路的采样频率为对应的预设采样频率。

本发明提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有信号采集电路的采样频率调节程序，所述信号采集电路的采样频率调节程序用于被处理器执行以实现如上所述的信号采集电路的采样频率调节方法。

本发明提供的信号采集电路及其采样频率调节方法、计算机存储介质，通过设置离散小波包变换模块对信号进行处理，实时且准确地获取信号对应各个分频频段的频率分量大小，并利用设置的信号频率分析模块对其进行分析，从而确定信号的主要频率分量对应的主要频段，根据主要频段控制模数转换器选择适配的预设采样频率，实现了信号采集电路对输入信号的自适应调节，从而能在保证信号采集准确性的前提下节省功耗。

附图说明

图1是本发明实施例提供的信号采集电路对应一种实施方式的结构示意图；

图2是所述信号采集电路对应另一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的信号采集电路的采样频率调节方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。

参阅图1所示，本实施例提供了一种信号采集电路，作为一种实施方式，所述信号采集电路包括模数转换器1、离散小波包变换模块2以及信号频率分析模块3。

其中，所述模数转换器1用于将输入的模拟信号转换为数字信号；所述离散小波包变换模块2用于对所述数字信号进行离散小波包变换，以获得所述数字信号对应不同分频频段的频率分量；所述信号频率分析模块3用于根据各个分频频段的频率分量确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段，以控制所述模数转换器1选择对应所述主要频段的预设采样频率。

离散小波包变换(DWPT)能将信号逐级分解为不同分频频段的高频频段和低频频段，相比于每次只能在分解出的低频段分量上继续分解信号的离散小波变换，离散小波包变换可以在更多这些更加精细的频段上分析信号的频率分量，而且离散小波包变换可以更好的滤除不在目标频段内的低频噪声和高频噪声对信号的干扰，适应于更加准确和更加精细的信号频段分析。

所述信号采集电路通过设置离散小波包变换模块2，将模数转换器1转换的数字信号进行离散小波包变换，使得可以在不需要进行复杂的时频变换计算的前提下实时且准确地获得该信号在各个分频频段的频率分量大小，进而利用信号频率分析模块3对该信号在各个分频频段的频率分量大小进行分析，确定信号的主要频率分量所处的主要频段对应于哪些分频频段，即确定了信号的主要频率分量的频段范围，从而可以控制所述模数转换器1根据其对应的主要频段选择适配的预设采样频率来对后续的输入信号进行采样，实现了所述模数转换器1根据输入信号的主要频率分量进行采样频率自动适应的调节。

如当分析后确认信号的主要频率分量分布于高频频段时，即输入信号多数为高频频段的信号，可以控制所述模数转换器1选择对应高频的预设采样频率，提高采样频率，以提高信号采样的准确度；而当分析后确认信号的主要频率分量分布于低频频段时，即信号多数为低频频段的信号，其对信号采样的准确度要求相对较低，因此可以控制所述模数转换器1选择对应低频的预设采样频率，降低采样频率，以降低模数转换器1的功耗，减少后续需要处理和传输的数据量，进一步节省信号采集电路和数据处理电路的功耗。因为这些部分的功耗几乎与需要处理的数据量成正比，故利用本发明实施例提供的信号采集电路能够在确保信号采集的准确度前提下大幅节省资源，有利于物联网应用的信号采集和信号传输。

信号的主要频率分量是信号的频率分布最集中的分量，本实施例可以通过自由设定算法来界定所述主要频率分量，示例性地，所述主要频率分量为大于预设分量阈值的频率分量。所述信号频率分析模块3可以选择以各个分频频段中的大于预设分量阈值的频率分量作为对应所述数字信号的主要频率分量。具体地，所述信号频率分析模块3通过对信号在各个分频频段的频率分量统计，确定其中大于预设分量阈值的主要频率分量，然后确定所述主要频率分量对应哪些分频频段。当然，所述主要频率分量还可以如上所述根据实际需要而由其他自行设定的算法来界定。同理，上述的预设采样频率是包括根据不同的匹配频段自行预先进行设定的多个不同的采样频率，也可以由自行设定的算法根据所述主要频段来算出。

如图2所示，进一步地，所述信号采集电路还包括时钟模块4，所述信号频率分析模块3根据所述主要频段向所述时钟模块4发送生成的采样频率控制信号，所述时钟模块4根据所述采样频率控制信号向所述模数转换器1发送对应预设采样频率的时钟信号。

针对心电图信号、脑电图信号和环境监测信号这类高频分量集中的信号，本发明实施例提供的信号采集电路能起到对输入的模拟信号进行实时监测的作用，当输入的模拟信号的主要频段发生变化，比如从位于波峰的高频段转变为低频段后，所述信号采集电路能根据对模拟信号的分析结果，及时控制模数转换器1将高频的采样频率切换为低频的预设采样频率，从而能节省对信号的采样功耗，满足物联网应用的低功耗要求。

参照图2所示，示例性地，所述信号采集电路包括多个模拟信号的输入通道5，所述模数转换器1通过开关可选择地连接到多个所述输入通道5中的任意一个。利用上述多通道的信号输入结构，所述模数转换器1可以分别对多路不同的模拟信号进行处理，通过切换模拟信号的输入通道5后，所述信号采集电路对从该通道上输入模拟信号进行上述离散小波包变换及频率分量的分析，为模数转换器1重新选择对应的采样频率。

进一步地，所述信号采集电路还包括用于放大所述模拟信号的信号放大器6，所述信号放大器6在所述模拟信号输入所述模数转换器1前对其进行放大，以便提高数据采样的准确度。示例性地，上述多个模拟信号的输入通道5上各自设置有所述信号放大器6。

本实施例提供的信号采集电路中，执行离散小波包变换对信号的分解层数越多，可获得的信号内容越多，潜在的采样频率选择越多，模数转换器1的采样频率就与输入信号越匹配，但是，相对需要消耗更多的时间和功耗，因此，离散小波包变换的基函数和阶数都可以调整，根据对目标应用的信号的先验知识，可以设定不同的离散小波包变换的基函数和阶数，以适应信号采集电路和输入信号的具体情况。

如图3所示，本发明还提供了一种上述的信号采集电路的采样频率调节方法，包括：

S1、将输入的模拟信号转换为数字信号；

S2、对所述数字信号进行离散小波包变换，以获得所述数字信号对应不同分频频段的频率分量；

S3、根据各个分频频段的频率分量确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段；

S4、调节信号采集电路的采样频率为对应所述主要频段的预设采样频率。

具体地，上述步骤S3中，根据各个分频频段的频率分量确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段的方法包括：

选定大于预设分量阈值的频率分量为对应所述数字信号的主要频率分量；

确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段。

具体地，所述步骤S4中，调节信号采集电路的采样频率为对应所述主要频段的预设采样频率的方法包括：

根据所述主要频段生成采样频率控制信号；

根据所述采样频率控制信号生成时钟信号，以根据所述时钟信号调节信号采集电路的采样频率为对应的预设采样频率。

本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有信号采集电路的采样频率调节程序，所述信号采集电路的采样频率调节程序用于被处理器执行以实现如上所述的信号采集电路的采样频率调节方法。

综上所述，本发明提供的信号采集电路及其采样频率调节方法、计算机存储介质，基于离散小波包变换对输入信号进行处理，通过分析输入信号对应各个分频频段的频率分量大小来确定输入信号的主要频率分量所处的主要频段，从而可以针对所述主要频段来控制所述模数转换器1选择对应的预设采样频率，使得能够在输入信号集中于高频频段时通过选择高频的预设采集频率而确保信号采样的准确性，避免失真，而在输入信号集中于低频频段时通过选择低频的预设采集频率而降低电路功耗，实现了对物联网应用中的低功耗要求。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种信号采集电路，其特征在于，包括：

模数转换器，用于将输入的模拟信号转换为数字信号；

离散小波包变换模块，用于对所述数字信号进行离散小波包变换，以获得所述数字信号对应不同分频频段的频率分量；

信号频率分析模块，用于根据各个分频频段的频率分量确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段，以控制所述模数转换器选择对应所述主要频段的预设采样频率。

2.根据权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述主要频率分量为大于预设分量阈值的频率分量。

3.根据权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述信号采集电路还包括时钟模块，所述信号频率分析模块根据所述主要频段向所述时钟模块发送生成的采样频率控制信号，所述时钟模块根据所述采样频率控制信号向所述模数转换器发送对应预设采样频率的时钟信号。

4.根据权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述信号采集电路包括多个模拟信号的输入通道，所述模数转换器通过开关可选择地连接到多个所述输入通道中的任意一个。

5.根据权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述信号采集电路还包括用于放大所述模拟信号的信号放大器。

6.一种信号采集电路的采样频率调节方法，其特征在于，包括：

将输入的模拟信号转换为数字信号；

对所述数字信号进行离散小波包变换，以获得所述数字信号对应不同分频频段的频率分量；

根据各个分频频段的频率分量确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段；

调节信号采集电路的采样频率为对应所述主要频段的预设采样频率。

7.根据权利要求6所述的信号采集电路的采样频率调节方法，其特征在于，根据各个分频频段的频率分量确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段的方法包括：

选定大于预设分量阈值的频率分量为对应所述数字信号的主要频率分量；

确定所述数字信号的主要频率分量所处的主要频段。

8.根据权利要求6所述的信号采集电路的采样频率调节方法，其特征在于，调节信号采集电路的采样频率为对应所述主要频段的预设采样频率的方法包括：

根据所述主要频段生成采样频率控制信号；

根据所述采样频率控制信号生成时钟信号，以根据所述时钟信号调节信号采集电路的采样频率为对应的预设采样频率。

9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有信号采集电路的采样频率调节程序，所述信号采集电路的采样频率调节程序用于被处理器执行以实现如权利要求6至8中任一项所述的信号采集电路的采样频率调节方法。

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