CN114401005B - 工频干扰消除方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工频干扰消除方法及装置，方法包括以下步骤：根据ADC采集芯片的特性计算出ADC最小转换分频系数fo；根据工频选择对应时间精度的晶振，将晶振频率倍频后获得采样频率fs，根据采样频率fs和ADC最小转换分频系数fo计算出一个工频周期需采集的数据数量N；进行干扰信号的采集；完成一个采样周期后，控制器发出一个采样完成中断信号，控制器读取采样值并进行累加操作，当控制器进行N次累加操作后进行平均滤波运算，得到理想波形。采样频率更快、时序更准确、灵活性好，同时可以匹配任意工频频率，满足在复杂场景下对某个特定频率信号进行滤波的需求，能够更有效的消除对应工频干扰问题。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理领域，具体的涉及一种工频干扰消除方法及装置。
背景技术
工频干扰是电路设计中常见的现象，工频干扰会对电气设备和电子设备造成干扰，导致设备运行异常。工频干扰的耦合路径主要有两条，一是通过电源管理电路的耦合，二是通过连接传感器的线缆。一根长的线缆很容易和周围的干扰源形成等效阻抗。干扰源可以通过这些等效阻抗耦合到电路上。硬件上可以采用一些模拟滤波器和屏蔽的方式来消除工频干扰，虽然这种方式可以有效减小工频的干扰，但通过模拟滤波器和屏蔽的方式以及现有滤波算法对消除信号干扰效果不理想。
现有的滤波算法只能针对于常规的电网频率进行滤波操作，无法满足在复杂场景下对某个特定频率信号进行滤波；通常都是以一个频率周期为最小单位的整数倍进行采样，因采样次数少、时序误差等问题导致滤波效果差；同时不具有灵活性，硬件和软件之间难以满足自适应匹配；滤波的速度慢、不稳定也不彻底，难达到理想消除效果。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种工频干扰消除方法及装置，能够解决现有的滤波方法存在的滤波效果差、灵活性差的问题。
根据本发明第一方面实施例的工频干扰消除方法，包括以下步骤：
S100、根据ADC采集芯片的特性计算出ADC最小转换分频系数fo；
S200、根据信号的工频选择对应时间精度的晶振，将晶振频率倍频后获得采样频率fs，根据采样频率fs和ADC最小转换分频系数fo计算出一个工频周期需采集的数据数量N；
S300、控制器通过ADC采集芯片进行干扰信号的采集；
S400、完成一个采样周期后，控制器发出一个采样完成中断信号，中断信号产生后，控制器读取采样值并进行累加操作，
S500、当控制器进行N次累加操作后进行平均滤波运算，得到理想波形。
根据本发明第一方面实施例的工频干扰消除方法，至少具有如下技术效果：本发明实施方式通过ADC最小转换分频系数fo和采样频率fs计算出一个工频周期需采集的数据数量N，采样频率fs自适应于任何工频干扰源，然后在一个工频周期内按照数据数量N采集多个数据进行平均滤波计算，能够达到彻底的滤除工频的效果。
本发明采用控制器驱动ADC采集芯片的采样方式，采样频率更快、时序更准确、灵活性好，硬件和软件之间满足自适应匹配，同时可以匹配任意工频频率，满足在复杂场景下对某个特定频率信号进行滤波的需求，能够更有效的消除对应工频干扰问题。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S100中ADC最小转换分频系数fo的计算公式为：
fo=M*DF+Tn
其中M为ADC采集芯片的采样时钟、DF为降频采样因子，Tn为可调的数据转换脉冲数。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S200中根据信号的工频选择对应时间精度的晶振的选择依据为：fo能够被fs/f的结果整除，其中f为信号的工频。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S200中数据数量N的计算公式为
N= fs/f/fo，
其中f为信号的工频。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S200中当工频为50Hz或60Hz时选择32.768MHz的晶振。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S400中控制器通过FSMC读取采样值。
根据本发明第二方面实施例的工频干扰消除装置，包括：控制器和ADC采集芯片，所述控制器通过ADC采集芯片实现上述的工频干扰消除方法。
根据本发明第二方面实施例的工频干扰消除装置，至少具有如下技术效果：本发明实施方式通过ADC最小转换分频系数fo和采样频率fs计算出一个工频周期需采集的数据数量N，采样频率fs自适应于任何工频干扰源，然后在一个工频周期内按照数据数量N采集多个数据进行平均滤波计算，能够达到彻底的滤除工频的效果。
本发明采用控制器驱动ADC采集芯片的采样方式，采样频率更快、时序更准确、灵活性好，硬件和软件之间满足自适应匹配，同时可以匹配任意工频频率，满足在复杂场景下对某个特定频率信号进行滤波的需求，能够更有效的消除对应工频干扰问题。
根据本发明的一些实施例，所述控制器为FPGA。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中工频干扰消除方法的流程图；
图2为本发明实施例中工频为50Hz的滤波原理图；
图3为未采用本方法进行滤波的波形图；
图4为采用本方法进行滤波的波形图；
图5为本方法和现有方法的对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图1，一种工频干扰消除方法，包括以下步骤：
S100、根据ADC采集芯片的特性计算出ADC最小转换分频系数fo，其中，ADC最小转换分频系数fo的计算公式为：
fo=M*DF+Tn
其中M为ADC采集芯片的采样时钟、DF为降频采样因子、Tn为可调的数据转换脉冲数，可以通过灵活调节Tn的值来实现被（fs/f）整除。
本实施例中ADC采集芯片采用ADI公司的芯片，通过查阅芯片的手册可知芯片最大支持1M的采样率，经驱动调试M系数最小不能低于64。此处配置的采样时钟M=84；该ADC采集芯片采用高精度的模式，DF的值可以通过查阅芯片手册得到。本实施例中ADC采集芯片的DF可以取值256，1024，4096，16384。DF取值越小对应越快的采样速度。为了满足采样次数高的需求，特选择DF=256即最快速度进行采样；Tn值根据被(fs/f)整除后的fo值选取。
S200、根据工频选择对应时间精度的晶振，将晶振频率倍频后获得采样频率fs，根据采样频率fs和ADC最小转换分频系数fo计算出一个工频周期需采集的数据数量N。其中，数据数量N的计算公式为
N= fs/f/fo
其中f为信号的工频，使得fo能被fs/f的结果整除即可，这样才能达到对应的时间精度。
参考图2，本实施例中以干扰源为50Hz的工频为例，采用32.768MHz的晶振以满足整除50Hz工频，倍频后得到采样频率fs=98.304MHz。当然，也可以选择其他规格晶振，只要fo够被fs/f的结果整除。然后根据公式计算出一个工频周期我们需要采集的数据数量N：
N=fs/f/fo=98304000/50/24576=80
由S100可知，fo=84*256+Tn=24576，故此时Tn值为3072；若Tn=256，计算出fo=84*256+256=21760，此时fo将不能被fs/f整除即21760不能够被98304000/50整除。由此可见，通过调节Tn值，表现出本算法具有高度的灵活性和适配性。
S300、控制器对ADC采集芯片进行驱动信号采集；
S400、完成一个采样周期后，控制器发出一个采样完成中断信号，中断信号产生后，控制器读取采样值并进行累加操作，本实施例中控制器通过FSMC读取采样值；
S500、累加到指定N个值后，进行平均滤波运算，这样便得到了一个彻底的、稳定的、快速的理想波形。
参考图3和图4，通过对比未加入工频滤波方法的波形和加入本申请中工频滤波方法的波形效果差异，可以得出加入本申请的工频滤波方法后实现了极好的滤除工频干扰效果；得到了一个彻底的、稳定的、快速的理想波形，使得采样回读值更稳定，准确。
本发明还涉及一种工频干扰消除装置，包括控制器和ADC采集芯片，控制器通过ADC采集芯片实现上述的工频干扰消除方法。控制器采用FPGA，信号源受到干扰源干扰后形成干扰信号，控制器会根据干扰源的周期和ADC采集芯片的具体型号计算出ADC最小转换分频系数fo；再通过本申请的工频干扰消除方法可以自适应的完成采样频率fs的配置，即配置后的fs能够整除干扰源频率值；为了在采集中时序不会存在偏差从而进一步有效消除干扰，本申请的工频干扰消除方法灵活采用一个灵活可调的Tn来满足ADC采集芯片采集数据量N为整数。
综上所述，参考图5，本发明了一种工频干扰消除方法及装置，通过ADC最小转换分频系数fo和采样频率fs计算出一个工频周期需采集的数据数量N，采样频率fs自适应于任何工频干扰源，然后在一个工频周期内按照数据数量N采集多个数据进行平均滤波计算，能够达到彻底的滤除工频的效果。
本发明采用FPGA驱动ADC采集芯片的采样方式，采样频率更快、时序更准确、灵活性好，硬件和软件之间满足自适应匹配，同时可以匹配任意工频频率，满足在复杂场景下对某个特定频率信号进行滤波的需求，能够更有效的消除对应工频干扰问题。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种工频干扰消除方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、根据ADC采集芯片的特性计算出ADC最小转换分频系数fo；ADC最小转换分频系数fo的计算公式为：
fo=M*DF+Tn
其中M为ADC采集芯片的采样时钟；DF为降频采样因子；Tn为可调节的数据转换脉冲数；
S200、根据工频选择对应时间精度的晶振，将晶振频率倍频后获得采样频率fs，根据采样频率fs和ADC最小转换分频系数fo计算出一个工频周期需采集的数据数量N；根据信号的工频选择对应时间精度的晶振的选择依据为：fo能够被fs/f的结果整除，其中f为信号的工频；
S300、控制器通过ADC采集芯片进行干扰信号的采集；
S400、完成一个采样周期后，控制器发出一个采样完成中断信号，中断信号产生后，控制器读取采样值并进行累加操作；
S500、当控制器进行N次累加操作后进行平均滤波运算，得到理想波形。
2.根据权利要求1所述的工频干扰消除方法，其特征在于：所述步骤S200中数据数量N的计算公式为：
N= fs/f/fo，
其中f为信号的工频。
3.根据权利要求1所述的工频干扰消除方法，其特征在于：所述步骤S200中当工频为50Hz或60Hz时选择32.768MHz的晶振。
4.根据权利要求1所述的工频干扰消除方法，其特征在于：所述步骤S400中控制器通过FSMC读取采样值。
5.一种工频干扰消除装置，其特征在于，包括：控制器和ADC采集芯片，所述控制器通过ADC采集芯片实现权利要求1至4任意一项所述的工频干扰消除方法。
6.根据权利要求5所述的工频干扰消除装置，其特征在于：所述控制器为FPGA。
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| CN202210297828.2A CN114401005B (zh) | 2022-03-25 | 2022-03-25 | 工频干扰消除方法及装置 |
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