CN114531137B

CN114531137B - 基于分频数字滤波的转速信号采集方法、装置及存储介质

Info

Publication number: CN114531137B
Application number: CN202210171961.3A
Authority: CN
Inventors: 刘彦民; 周园园; 张姗姗
Original assignee: Technology and Engineering Center for Space Utilization of CAS
Current assignee: Technology and Engineering Center for Space Utilization of CAS
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2042-02-24
Also published as: CN114531137A

Abstract

本发明涉及信号采集技术领域，公开了一种基于分频数字滤波的转速信号采集方法、装置及存储介质。方法包括：对待采集的转速信号进行系统时钟同步处理；对经系统时钟同步处理的转速信号进行分频数字滤波，获得分段转速信号；对分段转速信号进行转速采集，对各分段的转速采集结果进行滑动平均滤波；根据滑动平均滤波结果和待采集的转速信号的实际频率确定采集误差；根据采集误差对分频数字滤波的频率区间划分及滤波频率进行调整，直至采集误差满足预设条件；根据最终确定的频率区间及对应的滑动平均滤波结果整合输出转速采集结果。本发明可有效滤除待采集的转速信号中不同频段的噪声，并结合滑动平均滤波算法，大大提高了采集精度。

Description

基于分频数字滤波的转速信号采集方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及信号采集技术领域，尤其涉及一种基于分频数字滤波的转速信号采集方法、装置及存储介质。

背景技术

转速信号属于频率信号，具有变化迅速、易受干扰地特点。在电子控制系统中，无论使用光电传感器、磁电传感器还是用霍尔传感器采集转速信号，转速检测电路都不可避免的受到噪声干扰，造成信号失真。

转速采集系统中，如果不对前端失真后的转速输入信号进行有效处理，这样无论后端使用何种方法对转速信号进行采样计数(目前常用的转速采集方法有脉冲直接计数方法、脉冲时间计数方法和脉冲时间混合计数方法)都会引起很大的转速采集误差。

现有设计中针对输入转速信号中噪声的处理大体分为两种：一种是采用硬件的低通滤波方法进行处理，将高于正常转速的频率信号进行滤除；另一种是传统基于单频数字滤波方法，也是只能滤除转速采集系统内的某一频段以上的噪声。这两种方法可滤除的干扰信号频率是有限的，这样有些频率范围的转速采集依旧会有很大的采集误差，进而影响转速采集精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种基于分频数字滤波的转速信号采集方法、装置及存储介质。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于分频数字滤波的转速信号采集方法，包括：

S1，对待采集的转速信号进行系统时钟同步处理；

S2，对经系统时钟同步处理的转速信号进行分频数字滤波，获得分段转速信号；

S3，对所述分段转速信号进行转速采集，对各分段的转速采集结果进行滑动平均滤波；

S4，根据滑动平均滤波结果和待采集的转速信号的实际频率确定采集误差；

S5，根据所述采集误差对分频数字滤波已划分的频率区间及对应的滤波频率进行调整，重复执行S2至S5，直至采集误差满足预设条件；

S6，根据最终确定的频率区间及对应的滑动平均滤波结果整合输出转速采集结果。

本发明的有益效果是：通过对待采集的转速信号进行系统时钟同步处理，不仅可以提高系统可靠性，避免亚稳态现象的发生；还可以对转速信号进行第一级滤波，至少可以滤除高于系统时钟以上的高频干扰信号；对经系统时钟同步处理的转速信号进行分频数字滤波、信号采集及滑动平均滤波；根据采集误差对分频数字滤波的频率区间的划分和相应区间采取的滤波频率进行调整，利用调整后的频率区间和滤波频率再进行分频数字滤波、信号采集以及滑动平均滤波等，直至采集误差小于或等于预设值，从而保证输出的转速采集结果满足相应的采集精度要求；本发明可以有效滤除待采集的转速信号中不同频段的噪声，并结合滑动平均滤波算法，可将转速的采集误差控制在预设范围内，大大提高了采集精度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述对经系统时钟同步处理的转速信号进行分频数字滤波，获得分段转速信号，包括：

S21，根据待采集的转速信号的特性初步划分频率区间，并确定各频率区间对应的滤波频率；

S22，利用各频率区间对应的滤波频率分别对相应的频率区间进行低通滤波，得到滤波后的分段转速信号。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过划分频率区间，并确定各频率区间对应的滤波频率，对于不同的频率区间采用不同的滤波频率，滤除该频段以上的噪声，克服了单一频率滤波的局限性，进而保证整个转速采集系统的采集精度。

进一步，所述待采集的转速信号的特性包括：转速信号的采集范围和转速信号的占空比；

所述根据待采集的转速信号的特性初步划分频率区间，并确定各频率区间对应的滤波频率，包括：

S211，根据经验值对转速信号的采集范围进行初步划分，获得对应的频率区间；

S212，根据所述频率区间和所述转速信号的占空比确定各频率区间对应的滤波频率。

采用上述进一步方案的有益效果是，根据转速信号的采集范围确定频率区间划分的整体区间范围，根据经验值对整体区间范围进行初步划分，获得对应的频率区间，根据占空比确定滤波频率，可以保证低占空比的转速信号(方波中的窄脉宽)不会被当做噪声滤除，提高滤波准确度，进而提高转速采集精度。

进一步，所述根据所述采集误差对分频数字滤波已划分的频率区间及对应的滤波频率进行调整，包括：根据所述采集误差对已划分的频率区间进行重新划分，以缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围；根据重新划分的频率区间和转速信号的占空比重新计算对应的滤波频率。

采用上述进一步方案的有益效果是，根据经验值对频率区间的划分和相应区间采取的滤波频率的选取是一个初步的粗略的划分和选取，在进行信号采集以及确定采集误差后，根据采集误差对频率区间的划分和相应区间采取的滤波频率进行调整，利用调整后的频率区间和滤波频率再进行分频数字滤波、信号采集以及滑动平均滤波等，直至采集误差小于或等于预设值，从而保证输出的转速采集结果满足相应的采集精度要求。

进一步，所述根据采集误差对已划分的频率区间进行重新划分，以缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围，包括：保持频率区间个数不变，通过改变分界点来重新划分频率区间，以缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围；或者，通过增加频率区间的个数来重新划分频率区间，以缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围。

进一步，所述对待采集的转速信号进行系统时钟同步处理之前，还包括：将非方波形式的待采集的转速信号转换为方波信号。

采用上述进一步方案的有益效果是，如果传感器输入的转速信号是类正弦波信号(比如，磁电式转速传感器采集的转速信号)，需要经过转速信号调理电路和比较电路等硬件处理将输入转换为方波信号，便于进行后续的信号处理。

进一步，采用脉冲直接计数法对对所述分段转速信号进行转速采集。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于分频数字滤波的转速信号采集装置，包括：

系统同步模块，用于对待采集的转速信号进行系统时钟同步处理；

分频数字滤波模块，用于对经系统时钟同步处理的转速信号进行分频数字滤波，获得分段转速信号；

转速采集模块，用于对所述分段转速信号进行转速采集，对各分段的转速采集结果进行滑动平均滤波；

采集误差计算模块，用于根据滑动平均滤波结果和待采集的转速信号的实际频率确定采集误差；

分频滤波调整模块，用于根据所述采集误差对分频数字滤波已划分的频率区间及对应的滤波频率进行调整，重复执行分频数字滤波、转速采集和采集结果滑动平均滤波，直至采集误差满足预设条件；

转速采集结果输出模块，用于根据最终确定的频率区间及对应的滑动平均滤波结果整合输出转速采集结果。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行上述技术方案所述的基于分频数字滤波的转速信号采集方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于分频数字滤波的转速信号采集装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的并可在所述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技术方案所述的基于分频数字滤波的转速信号采集方法。

本发明附加的方面及其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，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于分频数字滤波的转速信号采集方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于分频数字滤波的转速信号采集装置框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

图1为本发明实施例提供的基于分频数字滤波的转速信号采集方法流程图。如图1所示，该方法包括：

S1，对待采集的转速信号进行系统时钟同步处理。

在对待采集的转速信号R进行系统时钟同步处理之前，将非方波形式的待采集的转速信号转换为方波信号。如果传感器输入的转速信号是类正弦波信号(比如，磁电式转速传感器采集的转速信号)，需要经过转速信号调理电路和比较电路等硬件处理将输入转换为方波信号。

将待采集的转速信号R进行系统时钟同步处理后得到转速信号R’。本发明实施例中将不同时钟域中的信号同步到系统时钟域下，再进行下一步处理，这样有利于提高系统地可靠性，降低亚稳态现象的发生。常规采用的方法是采用系统时钟对输入转速信号进行三个时钟周期采样后输出。转速信号进行同步处理，除了可以提高采集数据的可靠性，还能对输入转速信号进行第一级滤波，至少可以滤除高于系统时钟以上的高频干扰信号。比如，选用的系统时钟是50MHZ，那么经过同步处理后，转速信号中高于50M以上的干扰信号被滤除。

S2，对经系统时钟同步处理的转速信号进行分频数字滤波，获得分段转速信号。

对转速信号R进行分频数字滤波，处理后的转速信号分别记为R1,R2,……,Rn；n为分频数字滤波过程中划分的频率区间的数量。对不同频率区间采用不同的滤波频率，滤除该频段以上的噪声，这样就克服单一频率滤波的局限性，进而保证整个转速采集系统的采集精度。

S3，对所述分段转速信号进行转速采集，对各分段的转速采集结果进行滑动平均滤波。

可采用脉冲直接计数方法对于滤波后的转速信号R1,R2,……,Rn进行单位时间内的转速信号采集，采集结果计为Z1,Z2,……,Zn。采集时间可取1000ms/N，N取2、4、8，……；其中，N取2的偶数倍，N决定滑动平均滤波时的队列长度。

对采集结果Z1,Z2,……,Zn进行滑动平均滤波，滑动滤波的队列长度为N，滑动平均滤波结果记为Z1＇,Z2＇,……,Zn＇。

S4，根据滑动平均滤波结果和待采集的转速信号的实际频率确定采集误差。

根据滑动平均滤波结果Z1＇,Z2＇,……,Zn＇和待采集的转速信号的实际频率确定采集误差。

上述实施例中，通过对待采集的转速信号进行系统时钟同步处理，不仅可以提高系统可靠性，避免亚稳态现象的发生；还可以对转速信号进行第一级滤波，至少可以滤除高于系统时钟以上的高频干扰信号；对经系统时钟同步处理的转速信号进行分频数字滤波、信号采集及滑动平均滤波；根据采集误差对分频数字滤波的频率区间的划分和相应区间采取的滤波频率进行调整，利用调整后的频率区间和滤波频率再进行分频数字滤波、信号采集以及滑动平均滤波等，直至采集误差小于或等于预设值，从而保证输出的转速采集结果满足相应的采集精度要求；本发明可以有效滤除待采集的转速信号中不同频段的噪声，并结合滑动平均滤波算法，可将转速的采集误差控制在预设范围内(如2HZ以内)，大大提高了采集精度。

转速信号是发动机控制系统的一个重要的基础参数，如何高精度地且快速地测量发动机的转速，对电子控制系统的研究有着重要的意义。本发明实施例根据输入转速传感器信号的特性，设计一种分频数字滤波算法，可以有效滤除输入转速信号中不同频段的噪声，并结合滑动平均滤波算法，将转速的采集误差控制在预设范围以内。

可选地，所述对经系统时钟同步处理的转速信号进行分频数字滤波，获得分段转速信号，包括：

S21，根据待采集的转速信号的特性初步划分频率区间，并确定各频率区间对应的滤波频率。

上述实施例中，通过划分频率区间，并确定各频率区间对应的滤波频率，对于不同的频率区间采用不同的滤波频率，滤除该频段以上的噪声，克服了单一频率滤波的局限性，进而保证整个转速采集系统的采集精度。

可选地，所述所述根据待采集的转速信号的特性初步划分频率区间，并确定各频率区间对应的滤波频率，包括：

上述实施例中，根据转速信号的采集范围确定频率区间划分的整体区间范围，根据经验值对整体区间范围进行初步划分，获得对应的频率区间，根据占空比确定滤波频率，可以保证低占空比的转速信号(方波中的窄脉宽)不会被当做噪声滤除，提高滤波准确度，进而提高转速采集精度。

可选地，所述根据所述采集误差对分频数字滤波已划分的频率区间及对应的滤波频率进行调整，包括：根据所述采集误差对已划分的频率区间进行重新划分，从而缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围；根据重新划分的频率区间和转速信号的占空比重新计算对应的滤波频率。

其中，缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围可以是保持频率区间个数不变，通过改变分界点来重新划分频率区间；也可以是通过增加频率区间的个数来重新划分频率区间。

上述实施例中，根据经验值对频率区间的划分和相应区间采取的滤波频率的选取是一个初步的粗略的划分和选取，在进行信号采集以及确定采集误差后，根据采集误差对频率区间的划分和相应区间采取的滤波频率进行调整，利用调整后的频率区间和滤波频率再进行分频数字滤波、信号采集以及滑动平均滤波等，直至采集误差小于或等于预设值，从而保证输出的转速采集结果满足相应的采集精度要求。

下面以一具体实例进行测试验证。

验证中选取磁电式转速传感器采集转速信号，转速输入频率范围为0～5000HZ，经过处理电路(信号调理电路和滞回比较电路)转换为方波信号经过IO输入FPGA,系统时钟为50M。

转速信号采集处理如下：

步骤1：输入转速信号R。

步骤2：使用系统时钟50M对输入的转速信号进行同步后输出转速信号R＇。这样就将转速信号同步到系统时钟的时钟域。

步骤3：根据输入转速信号的特性初步划分转速信号滤波的频段和各个频段需要滤除干扰信号的频率。

验证中，硬件电路转换后的方波信号占空比为20％，要采集转速信号的频率为0～5000HZ。先将0～5000HZ转速输入划分为：0～1000HZ和1001～5000HZ两个频率段，分别记为R1和R2；其中，1000HZ的分界线为根据经验值确定的。

要采集0～1000HZ的转速，最理想情况是把1000HZ(1ms)以上的噪声滤除，按照占空比20％，那方波比例是200us：800us，要保证200us的脉宽不被会当做噪声滤除，200us换算出来就是5KHZ的频率。同理，对区间1001～5000HZ的频率区间就是按照最大值5000HZ及占空比选定对应的滤波频率，为25KHz。

因此，对区间0～1000HZ的转速信号滤除5KHZ(200us)以上的高频信号，对区间1001～5000HZ的转速信号滤除25KHZ(40us)的高频信号。

步骤4：采用脉冲直接计数方法对滤波后的转速信号R1和R2进行时间为250ms的转速信号采集，采集结果记为Z1和Z2。

步骤5：对采集结果Z1和Z2进行滑动平均滤波，滑动滤波的队列长度N固定取4，滑动平均滤波结果记为Z1＇和Z2＇。

步骤6：将滑动平均滤波结果Z1＇和Z2＇和待采集的转速信号的实际频率进行比较分析，发现转速采集结果Z1＇在转速信号频率低于50HZ时，误差比较大，而高于50HZ的转速信号采集误差在2HZ以内。

根据采集误差对已划分的频率区间进行调整，从而缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围。

缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围可以是保持频率区间个数不变，通过改变分界点来重新划分频率区间。如以50HZ为基准频率，重新确定分界点为100HZ(在50HZ的基础上预留了一些余量)，则重新划分的频率区间为0～100HZ和101～5000HZ两个频率段，再分别计算两个频率段对应的滤波频率分别为1KHZ和25KHZ。对区间0～100HZ的转速信号采用频率500HZ(2ms)的数字滤波，滤除高于500HZ的频率信号；对区间1001～5000HZ的转速信号采用频率25KHZ(40us)数字滤波，滤除高于25KHZ的高频信号。

缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围也可以是通过增加频率区间的个数来重新划分频率区间。如将0～1000HZ的频率区间划分为0～100HZ和101～1000HZ两个频率区间，1001～5000HZ的频率区间保持不变。这样频率区间的个数就变为三个频率区间，计算三个频率区间的滤波频率分别为500HZ、5KHZ和25KHZ，以三个滤波频率分别对相应的频率区间进行滤波处理。

步骤7：以改变分界点的情况为例，如重新划分的频率区间为0～100HZ和101～5000HZ两个频率段，根据转速采集结果进行判断，低于100HZ输出Z1＇，其他输出Z2＇，满足系统对于转速的采集误差控制在2HZ以内的要求。

如图2所示，本发明实施例提供一种基于分频数字滤波的转速信号采集装置，包括：系统同步模块210、分频数字滤波模块220、转速采集模块230、采集误差计算模块240、分频滤波调整模块250和转速采集结果输出模块260。

系统同步模块210用于对待采集的转速信号进行系统时钟同步处理；分频数字滤波模块220用于对经系统时钟同步处理的转速信号进行分频数字滤波，获得分段转速信号；转速采集模块230用于对所述分段转速信号进行转速采集，对各分段的转速采集结果进行滑动平均滤波；采集误差计算模块240用于根据滑动平均滤波结果和待采集的转速信号的实际频率确定采集误差；分频滤波调整模块250用于根据所述采集误差对分频数字滤波已划分的频率区间及对应的滤波频率进行调整，重复执行分频数字滤波、转速采集和采集结果滑动平均滤波，直至采集误差满足预设条件；转速采集结果输出模块260用于根据最终确定的频率区间及对应的滑动平均滤波结果整合输出转速采集结果。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行上述实施例提供的基于分频数字滤波的转速信号采集方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于分频数字滤波的转速信号采集装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的并可在所述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实施例提供的基于分频数字滤波的转速信号采集方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，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单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于分频数字滤波的转速信号采集方法，其特征在于，包括：

S1，对待采集的转速信号进行系统时钟同步处理；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对经系统时钟同步处理的转速信号进行分频数字滤波，获得分段转速信号，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述待采集的转速信号的特性包括：转速信号的采集范围和转速信号的占空比；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述采集误差对分频数字滤波已划分的频率区间及对应的滤波频率进行调整，包括：

根据采集误差对已划分的频率区间进行重新划分，以缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围；

根据重新划分的频率区间和转速信号的占空比重新计算对应的滤波频率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据采集误差对已划分的频率区间进行重新划分，以缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围，包括：

保持频率区间个数不变，通过改变分界点来重新划分频率区间，以缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围；

或者，通过增加频率区间的个数来重新划分频率区间，以缩小采集误差大于预设值的频率区间的区间范围。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述对待采集的转速信号进行系统时钟同步处理之前，还包括：将非方波形式的待采集的转速信号转换为方波信号。

7.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，采用脉冲直接计数法对所述分段转速信号进行转速采集。

8.一种基于分频数字滤波的转速信号采集装置，其特征在于，包括：

9.一种计算机可读存储介质，包括指令，其特征在于，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行根据权利要求1至7任一项所述的基于分频数字滤波的转速信号采集方法。

10.一种基于分频数字滤波的转速信号采集装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述的基于分频数字滤波的转速信号采集方法。