CN112328963A - 信号的有效值计算方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种信号的有效值计算方法、装置，其中，信号为周期性交变信号，所述方法包括以下步骤：采用滑窗算法以预设采样频率对信号进行采样；获取信号的当前频率，并根据当前频率和预设采样频率计算预设采样点数；根据预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整；获取调整后窗口中的采样数据，根据采样数据和预设采样点数计算信号的有效值。本发明通过获取信号的频率，并在频率变化时采用可变窗口的滑窗采集数据计算有效值，从而可以提高频率变化时信号有效值的精度和平滑性。

Description

信号的有效值计算方法、装置

技术领域

本发明涉及信号采样技术领域，具体涉及一种信号的有效值计算方法、信号的有效值计算装置和一种计算机设备。

背景技术

在数字化发展迅猛的今天，数值计算广泛应用于计算机，嵌入式等系统，其中有效值是用来衡量交变量热效应的等价值，常作为保护的门限值，所以其数值的正确性非常重要。正弦信号的有效值有固定的计算公式，而非正弦信号一般使用周期内的均方根值表示。为了计算有效值一般先采集信号，计算平方、累加，并在数据长度等于周期点时计算均方根值，此为跳窗的方法，因为每个周期计算一次有效值，计算结果容易出现波动。

相关技术中，虽然有滑窗算法，但为定频滑窗，即每过一个信元时间窗口向前滑动一次。该算法在信号为定频时，计算结果平滑且；而当信号频率变化时，由于窗口大小不变，窗口中的采样点数会发生变化，频率变大，窗口中的采样点数变多，频率变小，窗口中的采样点数变少，从而导致有效值的计算不准确，有效值结果出现波动，而信号的真实有效值并未变化。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，本发明的第一个目的在于提供一种信号的有效值计算方法，能够通过获取信号的频率，并在频率变化时采用可变窗口的滑窗采集数据计算有效值，从而可以提高频率变化时信号有效值的精度和平滑性。

本发明的第二个目的在于提出了一种信号的有效值计算装置。

本发明的第三个目的在于提出了一种计算机设备。

本发明采用的技术方案如下：

为达到上述目的，本发明的第一方面实施例提出了一种信号的有效值计算方法，所述信号为周期性交变信号，所述方法包括以下步骤：采用滑窗算法以预设采样频率对所述信号进行采样；获取所述信号的当前频率，并根据所述当前频率和所述预设采样频率计算预设采样点数；根据所述预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整；获取调整后窗口中的采样数据，根据所述采样数据和所述预设采样点数计算所述信号的有效值。

根据本发明的一个实施例，根据以下公式(1)计算所述预设采样点数：N＝Fs/F(1)；其中，N为所述预设采样点数，Fs为所述预设采样频率，F为所述信号的当前频率。

根据本发明的一个实施例，根据所述预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整，包括：如果所述前一窗口的采样点数等于所述预设采样点数，则保持所述当前窗口大小不变；如果所述前一窗口的采样点数小于所述预设采样点数，则调整所述当前窗口变大，以使当前窗口采样点数等于所述预设采样点数；如果所述前一窗口的采样点数大于所述预设采样点数，则调整所述窗口变小，以使当前窗口采样点数等于所述预设采样点数。

根据本发明的一个实施例，窗口时间为所述信号周期的整数倍。

为达到上述目的，本发明的第二方面实施例提出了一种信号的有效值计算装置，所述信号为周期性交变信号，所述装置包括：采样模块，所述采样模块用于采用滑窗算法以预设采样频率对所述信号进行采样；获取模块，所述获取模块用于获取所述信号的当前频率，并根据所述当前频率和所述预设采样频率计算预设采样点数；调整模块，所述调整模块用于根据所述预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整；计算模块，所述计算模块用于获取调整后窗口中的采样数据，根据所述采样数据和所述预设采样点数计算所述信号的有效值。

根据本发明的一个实施例，所述获取模块根据以下公式(1)计算所述预设采样点数：N＝Fs/F(1)；其中，N为所述预设采样点数，Fs为所述预设采样频率，F为所述信号的当前频率。

根据本发明的一个实施例，所述调整模块进一步用于：如果所述前一窗口的采样点数等于所述预设采样点数，则保持所述当前窗口大小不变；如果所述前一窗口的采样点数小于所述预设采样点数，则调整所述当前窗口变大，以使当前窗口采样点数等于所述预设采样点数；如果所述前一窗口的采样点数大于所述预设采样点数，则调整所述窗口变小，以使当前窗口采样点数等于所述预设采样点数。

根据本发明的一个实施例，窗口时间为所述信号周期的整数倍。

为达到上述目的，本发明的第三方面实施例提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现本发明第一方面实施例所述的信号的有效值计算方法。

本发明的有益效果：

(1)本发明保留了滑窗计算有效值输出平滑特性，利于系统用于保护，状态切换，显示等情景。

(2)本发明在输入信号频率变化时可以平滑跟踪有效值的变化，不需要重新设计程序，不用更改程序参数，也不会因频率的波动导致计算结果出现非预期的波动，有利于设备的正常运行。

(3)本发明使用的资源通用，不受限于程序的载体芯片，提高了软件的兼容性，也利于推广使用。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的信号的有效值计算方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的窗口大小调整的原理示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的窗口大小调整的原理示意图；

图4是根据本发明另一个实施例的信号的有效值计算方法的流程图；

图5是根据本发明一个实施例的信号的有效值计算装置的方框示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的信号为周期性交变信号。

图1是根据本发明一个实施例的信号的有效值计算方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1，采用滑窗算法以预设采样频率对信号进行采样。

S2，获取信号的当前频率，并根据当前频率和预设采样频率计算预设采样点数。

进一步地，根据以下公式(1)计算预设采样点数：

N＝Fs/F (1)

其中，N为预设采样点数，Fs为预设采样频率，F为信号的当前频率。

S3，根据预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整。

S4，获取调整后窗口中的采样数据，根据采样数据和预设采样点数计算信号的有效值。

其中，在本发明的实施例中，窗口时间为信号周期的整数倍。

具体的，采用滑窗算法以预设采样频率对信号进行采样，每过一个采样时间向前滑动一次，窗口时间始终保持为对象的周期(倍数)，更新采样新数据到滑窗，同时去掉对应最早的数据。滑动至新窗口时，获取信号的当前频率，根据公式N＝Fs/F计算预设采样点数N，即当前窗口需要采集的点数。如果信号的频率发生变化，则窗口的实际采样点数会发生变化，如图2所示，如果频率变大，则采样点数会变多，如图3所示，如果频率变小，则采样点数会变少，由于信号的有效值为采样数据求取均方根，采样点数为均方根的除数，如果不改变窗口大小，按照预设采样点数作为均方根的除数，则会导致实际采样点数与预设采样点数不符，从而导致有效值计算不准确。其中，图2和图3中横轴为时间t，纵轴代表信号的瞬时值。

因此，在本发明中，将预设采样点数与之前保存的窗口点数(前一窗口的采样点数)进行对比，根据对比结果对当前窗口的大小进行调整，以使当前窗口采样点数等于预设采样点数。窗口调整完成后，获取调整后窗口中的采样数据，根据采样数据和预设采样点数计算当前窗口信号的有效值即可，并保存当前窗口的采样点数(即预设采样点数)供下一窗口进行对比，当新的窗口数据采集完成后，窗口向前滑动一个点，同时新的数据更新到窗口内，而最早的点则被抛出窗口，数据不断更新，窗口持续向前滑动，当信号的频率不变化时，窗口内始终为信号一个周期的数据。如此循环，完成信号的有效值的计算。

由此，通过获取信号的频率，并在频率变化时采用可变窗口的滑窗采集数据计算有效值，从而可以提高频率变化时信号有效值的精度和平滑性。

需要说明的是，在本发明中，信号为周期性的交变信号，其频率变化范围是已知的，并根据最小频率预设滑窗的最大窗口点数。若最小频率计算出的窗口点数不为整数，应向上取整，取大于该数字的最小整数；在P1阶段若当前频率计算出的采样点数不为整数，取为整数。

获取采样数据时可根据需要获取瞬时值或平方值，而窗口的累加和值应增加一个新值并去掉对应的旧值窗口的大小进行调整时，窗口时间始终为对象的周期，累加和对应周期内的数值总和。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，根据预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整，包括：

S301，如果前一窗口的采样点数等于预设采样点数，则保持当前窗口大小不变；

S302，如果前一窗口的采样点数小于预设采样点数，则调整当前窗口变大，以使当前窗口采样点数等于预设采样点数。

S303，如果前一窗口的采样点数大于预设采样点数，则调整窗口变小，以使当前窗口采样点数等于预设采样点数。

具体的，当信号频率没有变化时，窗口内保持一个或N个周期的对象数据长度，保持所述当前窗口大小不变，以此计算的有效值是准确的。如图2所示，而当频率变大时，若窗口保持不变，可见窗口内的数据长度大于一个或N个周期，因此计算的有效值是不准确的，为了获取一个周期或N个周期数据，窗口需要变小以适应频率的变大，去掉最早及更早的数据，当窗口内数据长度为频率变大后的一个周期时，计算得到的有效值重新变的准确。同理，如图3所示，当对象的频率变小时，若窗口保持不变，窗口内的数据长度小于一个周期，为了获取一个周期的数据，窗口需要变大以适应频率的变小，调整窗口变大，不需要去除数据，而当数据长度为频率变小后的一个周期时，计算得到的有效值重新变得准确。

由上述可知，本发明实施例的信号的有效值计算方法保留了滑窗计算有效值输出平滑特性，利于系统用于保护，状态切换，显示等情景；在输入信号频率变化时可以平滑跟踪有效值的变化，不需要重新设计程序，不用更改程序参数，也不会因频率的波动导致计算结果出现非预期的波动，有利于设备的正常运行；使用的资源通用，不受限于程序的载体芯片，提高了软件的兼容性，也利于推广使用。

综上所述，根据本发明实施例的信号的有效值计算方法，采用滑窗算法以预设采样频率对信号进行采样；获取信号的当前频率，并根据当前频率和预设采样频率计算预设采样点数；根据预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整；获取调整后窗口中的采样数据，根据采样数据和预设采样点数计算信号的有效值。由此，通过获取信号的频率，并在频率变化时采用可变窗口的滑窗采集数据计算有效值，从而可以提高频率变化时信号有效值的精度和平滑性。

与上述的信号的有效值计算方法相对应，本发明还提出一种信号的有效值计算装置。由于本发明的装置实施例与上述的方法实施例相对应，对于装置实施例中未披露的细节可参照上述的方法实施例，本发明中不再进行赘述。

图5是根据本发明一个实施例的信号的有效值计算装置的方框示意图。信号为周期性交变信号，如图5所示，该计算装置包括：采样模块1、获取模块2、调整模块3、计算模块4。

采样模块1用于采用滑窗算法以预设采样频率对信号进行采样；获取模块2用于获取信号的当前频率，并根据当前频率和预设采样频率计算预设采样点数；调整模块3用于根据预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整；计算模块4用于获取调整后窗口中的采样数据，根据采样数据和预设采样点数计算信号的有效值。

根据本发明的一个实施例，获取模块2根据以下公式(1)计算预设采样点数：

N＝Fs/F (1)

其中，N为预设采样点数，Fs为预设采样频率，F为信号的当前频率。

根据本发明的一个实施例，调整模块3进一步用于：如果前一窗口的采样点数等于预设采样点数，则保持当前窗口大小不变；如果前一窗口的采样点数小于预设采样点数，则调整当前窗口变大，以使当前窗口采样点数等于预设采样点数；如果前一窗口的采样点数大于预设采样点数，则调整窗口变小，以使当前窗口采样点数等于预设采样点数。

根据本发明的一个实施例，窗口时间为信号周期的整数倍。

根据本发明实施例的信号的有效值计算装置，通过采样模块采用滑窗算法以预设采样频率对信号进行采样，获取模块获取信号的当前频率，并根据当前频率和预设采样频率计算预设采样点数，调整模块根据预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整，计算模块获取调整后窗口中的采样数据，根据采样数据和预设采样点数计算信号的有效值。由此，通过获取信号的频率，并在频率变化时采用可变窗口的滑窗采集数据计算有效值，从而可以提高频率变化时信号有效值的精度和平滑性。

此外，本发明还提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现上述的信号的有效值计算方法。

根据本发明实施例的计算机设备，存储在存储器上的计算器程序被处理器运行时，采用滑窗算法以预设采样频率对信号进行采样；获取信号的当前频率，并根据当前频率和预设采样频率计算预设采样点数；根据预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整；获取调整后窗口中的采样数据，根据采样数据和预设采样点数计算信号的有效值，从而可以提高频率变化时信号有效值的精度和平滑性。

在本发明中，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种信号的有效值计算方法，其特征在于，所述信号为周期性交变信号，所述方法包括以下步骤：

采用滑窗算法以预设采样频率对所述信号进行采样；

获取所述信号的当前频率，并根据所述当前频率和所述预设采样频率计算预设采样点数；

根据所述预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整；

获取调整后窗口中的采样数据，根据所述采样数据和所述预设采样点数计算所述信号的有效值。

2.根据权利要求1所述的信号的有效值计算方法，其特征在于，根据以下公式(1)计算所述预设采样点数：

N＝Fs/F (1)

其中，N为所述预设采样点数，Fs为所述预设采样频率，F为所述信号的当前频率。

3.根据权利要求1所述的信号的有效值计算方法，其特征在于，根据所述预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整，包括：

如果所述前一窗口的采样点数等于所述预设采样点数，则保持所述当前窗口大小不变；

如果所述前一窗口的采样点数小于所述预设采样点数，则调整所述当前窗口变大，以使当前窗口采样点数等于所述预设采样点数；

如果所述前一窗口的采样点数大于所述预设采样点数，则调整所述窗口变小，以使当前窗口采样点数等于所述预设采样点数。

4.根据权利要求1-3任一项所述的信号的有效值计算方法，其特征在于，窗口时间为所述信号周期的整数倍。

5.一种信号的有效值计算装置，其特征在于，所述信号为周期性交变信号，所述装置包括：

采样模块，所述采样模块用于采用滑窗算法以预设采样频率对所述信号进行采样；

获取模块，所述获取模块用于获取所述信号的当前频率，并根据所述当前频率和所述预设采样频率计算预设采样点数；

调整模块，所述调整模块用于根据所述预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整；

计算模块，所述计算模块用于获取调整后窗口中的采样数据，根据所述采样数据和所述预设采样点数计算所述信号的有效值。

6.根据权利要求5所述的信号的有效值计算装置，其特征在于，所述获取模块根据以下公式(1)计算所述预设采样点数：

N＝Fs/F (1)

其中，N为所述预设采样点数，Fs为所述预设采样频率，F为所述信号的当前频率。

7.根据权利要求5所述的信号的有效值计算装置，其特征在于，所述调整模块进一步用于：

如果所述前一窗口的采样点数等于所述预设采样点数，则保持所述当前窗口大小不变；

如果所述前一窗口的采样点数小于所述预设采样点数，则调整所述当前窗口变大，以使当前窗口采样点数等于所述预设采样点数；

如果所述前一窗口的采样点数大于所述预设采样点数，则调整所述窗口变小，以使当前窗口采样点数等于所述预设采样点数。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的信号的有效值计算装置，其特征在于，窗口时间为所述信号周期的整数倍。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现如权利要求1-4中任一项所述的信号的有效值计算方法。

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