CN114762301A - 信号处理装置、信号处理方法及信号处理程序 - Google Patents

信号处理装置、信号处理方法及信号处理程序 Download PDF

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CN114762301A CN202080083513.7A CN202080083513A CN114762301A CN 114762301 A CN114762301 A CN 114762301A CN 202080083513 A CN202080083513 A CN 202080083513A CN 114762301 A CN114762301 A CN 114762301A
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Abstract

信号处理装置具备：取得部，取得与频率信号对应的信号波形数据；生成部，生成具有第一频率与第二频率之间的检波频率的检波波形数据的正弦波及余弦波；第一相位计算部，基于第一时刻的信号波形数据与正弦波的相乘结果、及第一时刻的信号波形数据与余弦波的相乘结果而计算第一相位；第二相位计算部，基于比第一时刻前进了小于检波频率的一个周期的规定时间间隔的第二时刻的信号波形数据与正弦波的相乘结果、及第二时刻的信号波形数据与余弦波的相乘结果而计算第二相位；及转换部，基于第一相位及第二相位的比较而输出所取得的频率信号的信号值。

Description

信号处理装置、信号处理方法及信号处理程序
技术领域
本公开涉及与HART通信等混合通信(智能通信)对应的设备的实现方式。
背景技术
以往，已知有HART(Highway Addressable Remote Transducer：可寻址远程传感器高速通道)通信方式等通过在4mA～20mA的模拟信号(直流信号)上重叠数字信号来同时传输多个信号的混合通信(智能通信)方式(例如专利文献1～4)。具体而言，在HART通信中，例如使用调制解调器，以与0值、1值这2值对应的频率分别对与从发送设备向接收设备传输的测量值或控制值对应的直流的模拟信号进行调制，从而重叠数字信号，并向信号线送出。并且，在接收侧，使用调制解调器，根据从信号线接收到的上述重叠信号的频率成分，再现数字信号。另一方面，对于模拟信号，使用滤波器从上述重叠信号中去除频率成分，取出模拟信号。
这样的混合通信例如在工厂设备的工艺仪器中，在混合通信对应设备间进行。在工厂设备中，设置了很多压力差转换器、温度转换器等发送器(测量器)、调节阀这样的成为操作端等的现场设备。另外，通过用单独的信号线分别连接各现场设备和控制装置，在各信号线中传输用于对由各测量器测量到的温度、流量、压力等测量值、对于操作端的阀开度等的指令值进行通信的模拟信号。并且，通过对现场设备与控制装置之间的通信应用混合通信，而在向信号线传输的模拟信号(测定信号、控制信号)上重叠例如与维护信息等设备信息对应的数字信号，由此能够同时对测量值等和设备信息等进行通信。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2013-149256号公报
专利文献2：日本特开2011-50102号公报
专利文献3：日本特开2014-178754号公报
专利文献4：日本特开2012-199779号公报
发明内容
发明所要解决的课题
为了使例如现场设备或控制装置等的设备与HART通信等的混合通信相对应，需要在设备中安装基于重叠在直流信号上的交流信号(频率信号)的频率来判别分配给频率的信号值(0值或1值)的功能。因此，例如在设备中安装上述的调制解调器等硬件的情况下，需要相应的成本。例如，在工厂设备中设置有多个现场设备，但与混合通信对应的设备越多，则成本增大。
鉴于上述情况，本发明的至少一个实施方式的目的在于提供一种能够更廉价地制造的将频率信号转换为数字值的信号处理装置。
用于解决课题的技术方案
本发明的至少一个实施方式所涉及的信号处理装置是对具有第一频率或比上述第一频率高的第二频率的频率信号进行处理的信号处理装置，
上述信号处理装置具备：
取得部，构成为取得与上述频率信号对应的信号波形数据；
生成部，构成为生成具有上述第一频率与上述第二频率之间的检波频率的检波波形数据的正弦波及余弦波；
第一相位计算部，构成为基于第一时刻的上述信号波形数据与上述正弦波的相乘结果、及上述第一时刻的上述信号波形数据与上述余弦波的相乘结果而计算第一相位；
第二相位计算部，构成为基于比上述第一时刻前进了小于上述检波频率的一个周期的规定时间间隔的第二时刻的上述信号波形数据与上述正弦波的相乘结果、及上述第二时刻的上述信号波形数据与上述余弦波的相乘结果而计算第二相位；及
转换部，构成为基于上述第一相位及上述第二相位的比较而输出所取得的上述频率信号的信号值。
本发明的至少一个实施方式所涉及的信号处理方法是对具有第一频率或比上述第一频率高的第二频率的频率信号进行处理的信号处理方法，
上述信号处理方法具备如下的步骤：
取得与上述频率信号对应的信号波形数据；
生成具有上述第一频率与上述第二频率之间的检波频率的检波波形数据的正弦波及余弦波；
基于第一时刻的上述信号波形数据与上述正弦波的相乘结果、及上述第一时刻的上述信号波形数据与上述余弦波的相乘结果而计算第一相位；
基于比上述第一时刻前进了小于上述检波频率的一个周期的规定时间间隔的第二时刻的上述信号波形数据与上述正弦波的相乘结果、及上述第二时刻的上述信号波形数据与上述余弦波的相乘结果而计算第二相位；及
基于上述第一相位及上述第二相位的比较而输出所取得的上述频率信号的信号值。
本发明的至少一个实施方式所涉及的信号处理程序是对具有第一频率或比上述第一频率高的第二频率的频率信号进行处理的信号处理程序，
上述信号处理程序用于使计算机实现如下的各部：
取得部，构成为取得与上述频率信号对应的信号波形数据；
生成部，构成为生成具有上述第一频率与上述第二频率之间的检波频率的检波波形数据的正弦波及余弦波；
第一相位计算部，构成为基于第一时刻的上述信号波形数据与上述正弦波的相乘结果、及上述第一时刻的上述信号波形数据与上述余弦波的相乘结果而计算第一相位；
第二相位计算部，构成为基于比上述第一时刻前进了小于上述检波频率的一个周期的规定时间间隔的第二时刻的上述信号波形数据与上述正弦波的相乘结果及上述第二时刻的上述信号波形数据与上述余弦波的相乘结果而计算第二相位；及
转换部，构成为基于上述第一相位及上述第二相位的比较而输出所取得的上述频率信号的信号值。
发明效果
根据本发明的至少一个实施方式，提供一种能够更廉价地制造的将频率信号转换为数字值的信号处理装置。
附图说明
图1是概略地表示本发明的一个实施方式所涉及的对混合通信进行处理的控制装置的输入输出模块的结构的图。
图2是概略地表示本发明的一个实施方式所涉及的信号处理装置的结构的图。
图3是表示本发明的一个实施方式所涉及的直流信号的例子的图。
图4是表示本发明的一个实施方式所涉及的频率信号的例子的图。
图5是表示本发明的一个实施方式所涉及的HART信号的例子的图。
图6是表示本发明的一个实施方式所涉及的信号处理方法的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的几个实施方式进行说明。但是，作为实施方式所记载的或附图所示的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对的配置等并不是将本发明的范围限定于此的意思，只不过是简单的说明例。
例如，“在某方向上”、“沿着某方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或者“同轴”等表示相对的或者绝对的配置的表述不仅严格地表示这样的配置，还表示以公差或能够得到相同功能的程度的角度、距离相对位移了的状态。
例如，“相同”、“相等”及“均质”等表示事物为相同的状态的表述不仅严格地表示相同的状态，还表示存在公差或能够得到相同功能的程度的差的状态。
例如，表示四边形状和圆筒形状等形状的表述不仅表示几何学上严格的意义上的四边形状和圆筒形状等形状，而且在能够得到相同效果的范围内，还表示包括凹凸部或倒角部等的形状。
另一方面，“具备”、“具有”、“装备”、“包含”、或“拥有”一个构成要素这样的表述不是排除其他构成要素的存在的排他性的表述。
图1是概略地表示本发明的一个实施方式所涉及的对混合通信进行处理的控制装置的输入输出模块7的结构的图。图2是概略地表示本发明的一个实施方式所涉及的信号处理装置1的结构的图。图3是表示本发明的一个实施方式所涉及的直流信号Hc的例子的图。图4是表示本发明的一个实施方式所涉及的频率信号Ha的例子的图。图5是表示本发明的一个实施方式所涉及的HART信号的例子的图。
如图1所示，能够进行混合通信的设备9(在图1中为控制装置的输入输出模块7)具备后述的信号处理装置1。该信号处理装置1是将设备9接收到的混合信号H中包含的频率信号Ha转换为数字值的装置。混合信号H(参照图5)是通过将使用直流(DC)传输的模拟信号(直流信号Hc)以根据要通信的数字信号对0值及1值分别确定的2个频率进行频率调制而生成的信号，是在直流的直流信号Hc(参照图3)上重叠了与数字信号对应的频率信号Ha(参照图4)的信号。
当进行混合通信的各设备9从连接设备9间的信号线L接收了通信对方的设备9发送的混合信号H时，从该混合信号H取出频率成分(频率信号Ha)，使用上述信号处理装置1将频率信号Ha转换为数字值。另外，通过去除该混合信号H的频率成分(频率信号Ha)，而得到直流信号Hc。
更具体而言，例如进行混合通信的设备9是设置于工厂设备的现场设备91。在工厂设备设置有多个测量温度、流量、压力等的各种测量器(传感器)、调节阀(阀)这样的操作端等现场设备91。另外，各现场设备91与分散控制系统(DCS：Distributed Control System)等控制工厂设备的控制装置通过单独的信号线L连接。并且，上述的模拟信号用于从测量器向控制装置发送的测量值、从控制装置向操作端发送的指令值(向阀发送的阀开度指令值等)的信息(以下，称为模拟主信息Da)的通信。更具体而言，例如以使4mA的电流为0％、20mA的电流为100％的方式，将模拟主信息Da与模拟信号的4mA～20mA的电流值建立对应(映射)，并将模拟主信息Da加载到模拟信号上进行通信。
另一方面，数字信号在用于识别测量了测量值的测量器的编号等、与数字信号的发送源设备相关的设备信息或过程值等的信息(以下，称为数字附加信息Dd)的通信中使用。具体而言，将构成表示数字附加信息Dd的位串b的各位的位值对数字值的种类(0值或1值)的每一个预先分配不同的频率(后述的第一频率Fa及第二频率Fb)，生成与构成表示数字附加信息Dd的位串b的各位的位值对应的频率信号Ha(参照图4)，由此将数字附加信息Dd的各位加载到频率信号Ha上进行通信。
在图1所示的实施方式中，信号处理装置1构成为进行作为混合通信的一种的HART通信。在HART通信中，将数字值的0设为2.2kHz，将1值设为1.2kHz，而按照数字附加信息Dd的各位的排列，调制了4mA～20mA的直流(DC)的模拟信号的混合信号H(HART信号)被传输到信号线L。
另外，在图1所示的实施方式中，信号处理装置1组装在构成工厂设备的控制装置的模块(输入输出模块)中。该输入输出模块7通过收发部71而与上述信号线L连接，从成为HART通信的通信对方的现场设备91输出到信号线L的混合信号H通过收发部71输入到输入输出模块7。收发部71也可以由例如变压器(变压器)构成。
该收发部71在输入输出模块7的内部与发送处理部72及接收处理部73连接。发送处理部72是构成为取得从上位功能输入(请求)的模拟主信息Da及数字附加信息Dd并生成混合信号H的功能部。在本实施方式中，上位功能是控制装置(DCS)的CPU模块(未图示)。CPU模块(未图示)承担控制装置的整体的运算功能，在该运算部中根据来自多个输入输出模块7中的每一个输入输出模块7的一个以上的输入来对输出进行运算，并将其运算结果输出到成为对象的输入输出模块7等。
上述发送处理部72例如也可以由电气地生成与从上位功能输入的模拟主信息Da对应的直流信号Hc(电流或电压)的功能部、电气地生成重叠同样从上位功能输入的数字附加信息Dd的频率信号Ha的功能部、及与这两个功能部连接且电气地重叠直流信号Hc与频率信号Ha并输出其合成波(混合信号H)的多路复用器构成。多路复用器与上述收发部71连接。或者，也可以根据将频率信号Ha转换为直流信号Hc的DA转换器的输出，利用调制解调器对直流信号Hc进行调制，形成在4mA～20mA的直流信号Hc上合成了调制波形的混合信号H。
另一方面，上述接收处理部73是构成为取得利用所输入的混合信号H进行通信的模拟主信息Da及数字附加信息Dd，并传送给上位功能的功能部。接收处理部73作为用于从混合信号H再现模拟主信息Da的结构，具备：低通滤波器74，提取成为混合信号H的直流成分的频率信号Ha；及第一AD转换部75(AD：Analog to Digital Convert：模数转换)，与该低通滤波器74连接。
另外，作为用于从混合信号H再现数字附加信息Dd的结构，接收处理部73具备：高通滤波器76，提取成为混合信号H的交流成分的频率信号Ha；及信号处理装置1，与该高通滤波器76连接。并且，高通滤波器76与信号处理装置1连接，将输入的频率信号Ha对信号处理装置1依次输出。
以下，关于上述信号处理装置1，使用图2并以在搭载有该信号处理装置1的设备9即控制装置与通信对方的设备9即现场设备91之间进行HART通信的情况为例进行说明。
信号处理装置1是判定通过HART通信等混合通信进行通信的频率信号Ha等具有被分配了数字值的1值的1.2kHz(以下，称为第一频率Fa)或被分配了数字值的0值的比第一频率高的2.2kHz(以下，称为第二频率Fb)的规定周期量(在图2中，为一个周期量)的频率信号Ha的信号值，并转换为数字值(2进制数的1值或0值)的装置。如图2所示，信号处理装置1具备：取得部2、生成部3、第一相位计算部41、第二相位计算部42及转换部5。
对这些信号处理装置1所具备的功能部分别进行说明。
另外，在下述说明中，控制装置具备信号处理装置1，但控制装置或现场设备91中的至少一方具备上述信号处理装置1。在现场设备91具备信号处理装置1的情况下，只要将控制装置替换为现场设备91即可。另外，信号处理装置1也可以使用例如MCU、FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)这样的PLD(Programmable Logic Device：可编程逻辑器件)等设计者能够构成任意的逻辑电路的集成电路来实现。例如，也可以在FPGA上形成未图示的CPU(处理器)、ROM、RAM这样的存储器，CPU按照加载到存储器中的程序(信号处理程序)的命令进行动作(数据的运算等)，由此实现信号处理装置1所具备的上述各功能部。
取得部2是构成为取得与从设备9接收到的混合信号H中分离出的频率信号Ha对应的信号波形数据S的功能部。信号波形数据S是由频率信号Ha的任意时刻的振幅值的AD转换后的值中的至少一个值构成的数据，通过按时间序列排列多个时刻的AD转换后的值而得到波形。在图2所示的实施方式中，取得部2由第二AD转换部21和带通滤波器部22(BPF)构成。另外，第二AD转换部21与上述的高通滤波器76(参照图1)连接，对从高通滤波器76依次输入的频率信号Ha依次进行AD转换，并输入到带通滤波器部22。
生成部3是构成为生成具有上述第一频率Fa与第二频率Fb之间的检波频率Fr(Fa＜Fr＜Fb)的检波波形数据R的正弦波Rs及余弦波Rc的功能部。在图2所示的实施方式中，检波频率Fr为具有2.2kHz即第一频率Fa与1.2kHz即第二频率Fb的中间程度的值的例如1.6kHz。另外，上述余弦波Rc是通过使检波波形数据R的正弦波(sin)的相位偏移90°而生成的。
第一相位计算部41是构成为基于作为任意时刻的第一时刻Ta的信号波形数据S(以下，称为第一信号波形数据Sa)与上述检波波形数据R的正弦波Rs的相乘结果、及该第一时刻Ta的上述第一信号波形数据Sa与上述检波波形数据R的余弦波Rc的相乘结果而计算第一相位φa的功能部。
相同地，第二相位计算部42是构成为基于比第一时刻Ta前进了小于检波频率Fr的一个周期的规定时间间隔B(B＝Tb－Ta。0＜B＜1/Fr)的第二时刻Tb(Tb＞Ta)的信号波形数据S(以下，称为第二信号波形数据Sb)与上述检波波形数据R的正弦波Rs的相乘结果、及第二时刻Tb的上述第二信号波形数据Sb与上述检波波形数据R的余弦波Rc的相乘结果而计算第二相位φb的功能部。
上述规定时间间隔B例如也可以是检波波形数据R的周期的1/N(N为整数)。在图2所示的实施方式中，规定时间间隔B为检波波形数据R的1/4周期(B＝1/4×1/Fr)。更详细而言，上述第一时刻Ta是具有第一频率Fa或第二频率Fb的信号波形数据S的相位成为0°的时刻，第二时刻Tb为该信号波形数据S的相位成为90°的时刻。另外，上述相乘是指得到相当于相乘的运算结果，实际上也可以构成为通过相加而得到相当于相乘的运算结果。
在此，已知通过用低通滤波器分别处理对同步检波等输入信号(在图2中为信号波形数据S)分别乘以参考信号(在图2中为检波波形数据R)的正弦波Rs及余弦波Rc而得到的两个相乘结果，而取出与输入信号的同相成分I和正交相位成分Q成比例的低频的信号。并且，通过简单地计算上述同相成分I和正交相位成分Q的平方和的平方根，得到输入信号的振幅(振幅＝√{Q2+I2})。另外，通过计算tan－1(Q/I)，得到参考信号与输入信号之间的相位差。
由此，第一相位计算部41基于相对于输入到第二相位计算部42的第二信号波形数据Sb延迟了规定时间间隔B的第一信号波形数据Sa和检波波形数据R的正弦波Rs及余弦波Rc，计算第一时刻Ta的例如第一信号波形数据Sa相对于检波波形数据R的相位差作为第一相位φa。第二相位计算部42基于相对于输入到第一相位计算部41的第一信号波形数据Sa前进了规定时间间隔B的第二信号波形数据Sb和检波波形数据R的正弦波Rs及余弦波Rc，计算第二时刻Tb的例如第二信号波形数据Sb相对于检波波形数据R的相位差作为第二相位φb。
转换部5是构成为基于由上述的第一相位计算部41及第二相位计算部42分别计算出的第一相位φa及第二相位φb而判定频率信号Ha的信号值(0值或1值)的功能部。详细而言，第一相位φa及第二相位φb是相隔规定时间间隔B的两个时刻各自的信号波形数据S相对于检波波形数据R的相位差。假设在信号波形数据S具有检波频率Fr的情况下，第二相位φb应该为0，但实际的信号波形数据S的频率为第一频率Fa或第二频率Fb，比检波频率Fr高或低。这样，由于信号波形数据S和检波波形数据R的频率不同，因此相隔规定时间间隔B的两个时刻的上述相位差成为与信号波形数据S的频率和检波频率Fr的大小关系对应的值。
即，在取得时的信号波形数据S的频率(以下，称为当前频率Fc)为比检波频率Fr高的第二频率Fb的情况下(Fc＞Fr)，其与第一频率Fa的情况相比，信号波形数据S的相位较快地前进。由此，第二时刻Tb的相位差(第二相位φb)比第一时刻Ta的相位差(第一相位φa)大，所以Fc＞Fr时，φa＜φb的关系成立。相反，在信号波形数据S的当前频率Fc为比检波频率Fr低的第一频率Fa的情况下(Fc＜Fr)，其与第二频率Fb的情况相比，信号波形数据S的相位更慢地前进。由此，第二时刻Tb的相位差(第二相位φb)比第一时刻Ta的相位差(第一相位φa)值小，所以Fc＜Fr时，φa＞φb的关系成立。
也就是说，在φa＜φb的情况下，意味着信号波形数据S的当前频率Fc具有第二频率Fb(在本实施方式中为2.2kHz)，在φa＞φb的情况下，意味着信号波形数据S的当前频率Fc具有第一频率Fa(在本实施方式中为1.2kHz)。由此，通过比较第一时刻Ta的第一相位φa和第二时刻Tb的第二相位φb，能够判别信号波形数据S的当前频率Fc是第一频率Fa还是第二频率Fb。
在图2所示的实施方式中，取得部2取得的信号波形数据S(Sb)的值由延迟部40延迟了规定时间间隔B后，输入到第一相位计算部41(Sa)。另外，对于取得部2取得的信号波形数据S(Sb)，向第二相位计算部42没有延迟地直接输入。另外，向第一相位计算部41及第二相位计算部42输入与输入到第二相位计算部42的信号波形数据S(Sb)同步的检波波形数据R的正弦波Rs及余弦波Rc。
并且，第一相位计算部41以输入的第一信号波形数据Sa的一个周期量为处理对象，分别乘以从生成部3分别输入的检波波形数据R的正弦波Rs及余弦波Rc，从而分别计算其同相成分I(第一同相成分Ia)及正交相位成分Q(第一正交相位成分Qa)。另外，通过计算(arctan)该计算结果的tan－1(Qa/Ia)来计算第一相位φa。相同地，第二相位计算部42以输入的第二信号波形数据Sb的一个周期量为处理对象，分别乘以从生成部3分别输入的检波波形数据R的正弦波Rs及余弦波Rc，从而分别计算同相成分I(第二同相成分Ib)及正交相位成分Q(第二正交相位成分Qb)。另外，通过计算(arctan)该计算结果的tan－1(Qb/Ib)来计算第二相位φb。
并且，转换部5构成为对从第一相位计算部41输入的第一相位φa与从第二相位计算部42输入的第二相位φb进行比较，如果φa＞φb，则输出1值，如果φa＜φb，则输出0值。也就是说，转换部5在第二相位φb比第一相位φa大的情况下(φa＞φb)，输出被分配了第一频率Fa的数字值(1值)，在第二相位φb比第一相位φa小的情况下(φa＜φb)，输出被分配了第二频率Fb的数字值(0值)。由此，能够基于第一相位φa和第二相位φb的比较，而将频率信号Ha适当地转换为数字值。
根据上述结构，信号处理装置1将从混合信号H取出的频率信号Ha转换为0值或1值的数字值。具体而言，准备具有分别被分配了数字值的0值及1值的两个频率(第一频率Fa、第二频率Fb)之间的频率(检波频率Fr)的检波波形数据R的正弦波Rs及余弦波Rc(使正弦波Rs偏移90°的波)，与上述频率信号Ha的AD转换后的数据(信号波形数据S)相乘。并且，计算由此得到的隔开规定时间间隔B的两个时刻(第一时刻Ta、第二时刻Tb)的相位(相位差)，基于计算出的相位来判定上述频率信号Ha表示0值还是表示1值。
由此，基于上述的第一相位φa及第二相位φb，能够将频率信号Ha转换为数字值。另外，根据这样的软件的方法，能够在不使用比较高价的调制解调器的情况下再现例如HART通信等混合通信的数字信号。
另外，在几个实施方式中，如图2所示，信号处理装置1也可以还具备：判定部61，构成为判定从上述的转换部5输出的频率信号Ha的信号值的有效性；及输出部62，将该判定部61的判定的结果为判定为有效的频率信号Ha的信号值输出到外部(后段)。在图2所示的实施方式中，转换部5与输出部62连接，从输出部62向上位功能输出数字附加信息Dd。
此时，设想在连接上述的设备9间的信号线L上由于噪声等在未进行混合通信的情况下流过交流信号的情况。并且，在这种情况下，需要防止信号处理装置1对上位功能输出数字附加信息Dd这样的误动作。因此，以使来自输出部62的输出成为针对通过混合通信接收到的频率信号Ha的处理结果的方式，输出部62输出由判定部61判定为有效的情况下的数字附加信息Dd。
此时，例如在转换部5构成为在1值的情况以外输出0值的情况下，有时在通信对方的设备9不使用信号线L执行混合通信的情况下也输出0值。在这样的情况下，即使在实际上不进行混合通信的情况下，也判定为与0值对应的频率信号Ha在信号线L进行通信，结果是可能产生误动作，因此在判定来自转换部5的输出的有效性的基础上，在有效的情况下进行向外部的数字附加信息Dd的输出。
在图2所示的实施方式中，判定部61检测在用于与成为通信对方的设备9(在图1中，例如为现场设备91)连接的上述的信号线L中是否流过有频率信号Ha。换言之，判定部61通过检测(载波检测)在信号线L中是否流过频率信号Ha(混合信号H)，来检测通信对方的设备9是否正在执行混合通信。
具体而言，向判定部61输入在第二相位计算部42计算第二相位φb的过程中计算出的第二同相成分Ib和第二正交相位成分Qb，计算其平方和(√{Qb2+Ib2})。并且，判定部61在上述平方和的计算结果(以下，称为功率P)比规定的阈值V大的情况下(P＞L)，从转换部5输入到输出部62的信号值是对混合通信的混合信号H的频率信号Ha进行处理的结果，判定为有效。相反，判定部61在上述功率P为规定的阈值V以下的情况下(P≤L)，判定为从转换部5输入到输出部62的信号值为无效。上述阈值V被设定为能够区分噪声和频率信号Ha的值。并且，判定部61将与有效、无效对应的通知(信号)输入到输出部62，由此输出部62根据该输入来判定有效性。
根据上述结构，在设备9间实际上不进行混合通信(在图2中为HART通信)，在连接设备9间的信号线L中没有混合信号H流动的情况下，能够防止由于噪声等的影响而使信号处理装置1错误地输出处理结果的误动作。
以下，使用图6对与具备上述的结构(功能)的信号处理装置1所进行的处理对应的信号处理方法进行说明。图6是表示本发明的一个实施方式涉及的信号处理方法的图。
信号处理方法是判定通过HART通信等混合通信进行通信的频率信号Ha等、具有分配了数字值的0值或1值的上述的第一频率Fa或第二频率Fb的频率信号Ha的信号值并转换为数字值的方法。如图6所示，信号处理方法具备：取得步骤、生成步骤、第一相位计算步骤、第二相位计算步骤及转换步骤。
关于这些步骤，以图6的步骤的顺序进行说明。
在图6的步骤S1中，执行取得步骤。取得步骤是取得与从设备9接收到的混合信号H分离出的频率信号Ha对应的信号波形数据S的步骤。取得步骤与已经说明的取得部2执行的处理内容相同，因此省略详细说明。
在步骤S2中，执行生成步骤。生成步骤是生成具有上述第一频率Fa与第二频率Fb之间的检波频率Fr(Fa＜Fr＜Fb)的检波波形数据R的正弦波Rs及余弦波Rc的步骤。生成步骤与已经说明的生成部3执行的处理内容相同，因此省略详细说明。
在步骤S3中，执行第一相位计算步骤。第一相位计算步骤是基于上述第一时刻Ta的第一信号波形数据Sa与上述检波波形数据R的正弦波Rs的相乘结果、及该第一时刻Ta的第一信号波形数据Sa与上述检波波形数据R的余弦波Rc的相乘结果而计算第一相位φa的步骤。第一相位计算步骤与已经说明的第一相位计算部41执行的处理内容相同，因此省略详细说明。
在步骤S4中，执行第二相位计算步骤。第二相位计算步骤是基于比第一时刻Ta前进了上述规定时间间隔B的第二时刻Tb的第二信号波形数据Sb与上述检波波形数据R的正弦波Rs的相乘结果、及第二时刻Tb的上述第二信号波形数据Sb与上述检波波形数据R的余弦波Rc的相乘结果而计算第二相位φb的步骤。第二相位计算步骤与已经说明的第二相位计算部42执行的处理内容相同，因此省略详细说明。
在步骤S5中，执行转换步骤。转换步骤是基于由上述的第一相位计算步骤及第二相位计算步骤分别计算出的第一相位φa及第二相位φb来判定频率信号Ha的信号值(0值或1值)的步骤。转换步骤与已经说明的转换部5执行的处理内容相同，省略详细说明，但也可以在第二相位φb大于第一相位φa的情况下(φa＞φb)，转换为被分配了第一频率Fa的数字值(1值)，在第二相位φb小于第一相位φa的情况下(φa＜φb)，转换为被分配了第二频率Fb的数字值(0值)。由此，基于第一相位φa和第二相位φb的比较，能够将频率信号Ha适当地转换为数字值。
另外，取得步骤与生成步骤的顺序、第一相位计算步骤与第二相位计算步骤的顺序可以分别相反，也可以例如如图2的例子那样并列地进行。另外，图6的流程在频率信号Ha(信号波形数据S)每一周期反复进行。
另外，在几个实施方式中，也可以还具备：判定步骤，判定通过上述的转换步骤得到的频率信号Ha的信号值的有效性；及输出步骤，输出(采用)该判定步骤的判定的结果为判定为有效的频率信号Ha的信号值。判定步骤、输出步骤分别与已经说明的判定部61、输出部62执行的处理内容相同，因此省略详细说明。在图6所示的实施方式中，在步骤S6中确认判定步骤的判定结果，在判定结果为有效的情况下，在步骤S7中执行输出步骤。相反，在步骤S6中判定步骤的判定结果为无效的情况下，不执行输出步骤。另外，由于判定步骤是判定在上述取得步骤(图6的S1)中取得的信号波形数据S的有效性的步骤，所以可以在上述步骤S1～S5的各步骤的前后的任一个步骤中进行，也可以与这些步骤并行地进行。
本发明不限定于上述的实施方式，也包含对上述的实施方式施加了变形的方式、将这些方式适当组合的方式。
(附记)
(1)本发明的至少一个实施方式所涉及的信号处理装置(1)是对具有第一频率(Fa)或比上述第一频率(Fa)高的第二频率(Fb)的频率信号(Ha)进行处理的信号处理装置(1)，
信号处理装置(1)具备：
取得部(2)，构成为取得与上述频率信号(Ha)对应的信号波形数据(S)；
生成部(3)，构成为生成具有上述第一频率(Fa)与上述第二频率(Fb)之间的检波频率(Fr)的检波波形数据(R)的正弦波及余弦波；
第一相位计算部(41)，构成为基于第一时刻(Ta)的上述信号波形数据(S)与上述正弦波的相乘结果、及上述第一时刻(Ta)的上述信号波形数据(S)与上述余弦波的相乘结果而计算第一相位；
第二相位计算部(42)，构成为基于比上述第一时刻(Ta)前进了小于上述检波频率(Fr)的一个周期的规定时间间隔(B)的第二时刻(Tb)的上述信号波形数据(S)与上述正弦波的相乘结果、及上述第二时刻(Tb)的上述信号波形数据(S)与上述余弦波的相乘结果而计算第二相位；及
转换部(5)，构成为基于上述第一相位及上述第二相位的比较而输出所取得的上述频率信号(Ha)的信号值。
根据上述(1)的结构，信号处理装置(1)将从混合信号(H)取出的频率信号(Ha)转换为0值或1值的数字值。具体而言，准备具有分别被分配了数字值的0值及1值的两个频率(第一频率Fa、第二频率Fb)之间的频率(检波频率Fr)的检波波形数据(R)的正弦波及余弦波(使正弦波偏移90°的波)，与上述频率信号(Ha)的AD转换后的数据(信号波形数据S)相乘。并且，计算由此得到的、隔开检波波形数据(R)的周期(例如1/4周期)等的两个时刻(第一时刻Ta、第二时刻Tb)的相位(相位差)，基于计算出的相位而判定上述频率信号(Ha)表示0值还是表示1值。
例如，通过上述相乘得到的上述规定时间间隔(B)的前后的两个相位(第一相位φa、第二相位φb)分别成为信号频率相对于检波频率(Fr)的相位差。假设在信号波形数据(S)具有检波频率(Fr)的情况下，第二相位应该成为0，但实际的检波波形数据(R)的频率为比检波频率(Fr)高或低。这样，由于信号波形数据(S)与检波波形数据(R)的频率不同，因此相隔规定时间间隔(B)的两个时刻的上述相位差成为与信号波形数据(S)S的频率和检波频率(Fr)的大小关系对应的值。
因此，能够基于上述的第一相位及第二相位，而将频率信号(Ha)转换为数字值。另外，根据这样的软件的方法，能够在不使用比较高价的调制解调器的情况下再现例如HART通信等混合通信的数字信号。
(2)在几个实施方式中，在上述(1)的结构的基础上，
上述第一相位及上述第二相位是上述信号波形数据(S)相对于上述检波波形数据(R)的相位差，
在上述第二相位大于上述第一相位的情况下，上述转换部(5)输出被分配了上述第二频率(Fb)的数字值，在上述第二相位小于上述第一相位的情况下，上述转换部(5)输出被分配了上述第一频率(Fa)的数字值。
根据上述(2)的结构，能够基于第一相位和第二相位的比较而将频率信号(Ha)适当地转换为数字值。
(3)在几个实施方式中，在上述(1)～(2)的结构的基础上，
上述第一时刻(Ta)是上述检波波形数据(R)的正弦波的相位为0°的时刻，
上述规定时间间隔(B)具有相当于上述检波波形数据(R)的周期的1/4的时间。
根据上述(3)的结构，能够适当地判定上述频率信号(Ha)表示0值还是表示1值，能够使相位计算部的结构变得简单。
(4)在几个实施方式中，在上述(1)～(3)的结构的基础上，
也可以还具备：
判定部(61)，构成为判定从上述转换部(5)输出的上述频率信号(Ha)的信号值的有效性；及
输出部(62)，构成为将上述判定部(61)的判定的结果为判定为有效的上述频率信号(Ha)的信号值向外部输出。
根据上述(4)的结构，在设备(9)之间实际不进行混合通信，混合信号(H)未流过连接设备(9)间的信号线(L)的情况下，能够防止信号处理装置(1)因噪声等的影响而错误地输出处理结果这样的误动作。
(5)在几个实施方式中，在上述(1)～(4)的结构的基础上，
上述频率信号(Ha)是从在直流信号(Hc)上重叠有上述频率信号(Ha)的混合信号(H)中取出的信号。
根据上述(5)的结构，能够适当地再现通过HART通信等混合通信而通信的通信信息。
(6)本发明的至少一个实施方式所涉及的信号处理方法是对具有第一频率(Fa)或比上述第一频率(Fa)高的第二频率(Fb)的频率信号(Ha)进行处理的信号处理方法，其中，
上述信号处理方法包含如下的步骤：
取得与上述频率信号(Ha)对应的信号波形数据(S)；
生成具有上述第一频率(Fa)与上述第二频率(Fb)之间的检波频率(Fr)的检波波形数据(R)的正弦波及余弦波；
基于第一时刻(Ta)的上述信号波形数据(S)与上述正弦波的相乘结果、及上述第一时刻(Ta)的上述信号波形数据(S)与上述余弦波的相乘结果而计算第一相位；
基于比上述第一时刻(Ta)前进了小于上述检波频率(Fr)的一个周期的规定时间间隔(B)的第二时刻(Tb)的上述信号波形数据(S)与上述正弦波的相乘结果、及上述第二时刻(Tb)的上述信号波形数据(S)与上述余弦波的相乘结果而计算第二相位；及
基于上述第一相位及上述第二相位的比较而输出所取得的上述频率信号(Ha)的信号值。
根据上述(6)的结构，起到与上述(1)相同的效果。
(7)本发明的至少一个实施方式所涉及的信号处理程序是对具有第一频率(Fa)或比上述第一频率(Fa)高的第二频率(Fb)的频率信号(Ha)进行处理的信号处理程序，
上述信号处理程序用于使计算机实现如下的各部：
取得部(2)，构成为取得与上述频率信号(Ha)对应的信号波形数据(S)；
生成部(3)，构成为生成具有上述第一频率(Fa)与上述第二频率(Fb)之间的检波频率(Fr)的检波波形数据(R)的正弦波及余弦波；
第一相位计算部(41)，构成为基于第一时刻(Ta)的上述信号波形数据(S)与上述正弦波的相乘结果、及上述第一时刻(Ta)的上述信号波形数据(S)与上述余弦波的相乘结果而计算第一相位；
第二相位计算部(42)，构成为基于比上述第一时刻(Ta)前进了小于上述检波频率(Fr)的一个周期的规定时间间隔(B)的第二时刻(Tb)的上述信号波形数据(S)与上述正弦波的相乘结果、及上述第二时刻(Tb)的上述信号波形数据(S)与上述余弦波的相乘结果而计算第二相位；及
转换部(5)，构成为基于上述第一相位及上述第二相位的比较而输出所取得的上述频率信号(Ha)的信号值。
根据上述(7)的结构，起到与上述(1)相同的效果。
附图标记说明
1 信号处理装置
2 取得部
21 第二AD转换部
22 带通滤波器部
3 生成部
40 延迟部
41 第一相位计算部
42 第二相位计算部
5 转换部
61 判定部
62 输出部
7 输入输出模块
71 收发部
72 发送处理部
73 接收处理部
74 低通滤波器
75 第一AD转换部
76 高通滤波器
9 设备
91 现场设备
L 信号线
H 混合信号
Hc 直流信号
Ha 频率信号(交流信号)
Fa 第一频率
Fb 第二频率
R 检波波形数据
Fr 检波频率
Rc 检波波形数据的余弦波
Rs 检波波形数据的正弦波
S 信号波形数据
Sa 第一信号波形数据
Sb 第二信号波形数据
Ta 第一时刻
Tb 第二时刻
B 规定时间间隔
Ia 第一同相成分
Ib 第二同相成分
Qa 第一正交相位成分
Qb 第二正交相位成分
Da 模拟主信息
Dd 数字附加信息
b 位串
P 功率
V 阈值。

Claims (7)

1.一种信号处理装置，对具有第一频率或比所述第一频率高的第二频率的频率信号进行处理，
所述信号处理装置具备：
取得部，构成为取得与所述频率信号对应的信号波形数据；
生成部，构成为生成具有所述第一频率与所述第二频率之间的检波频率的检波波形数据的正弦波及余弦波；
第一相位计算部，构成为基于第一时刻的所述信号波形数据与所述正弦波的相乘结果、及所述第一时刻的所述信号波形数据与所述余弦波的相乘结果而计算第一相位；
第二相位计算部，构成为基于比所述第一时刻前进了小于所述检波频率的一个周期的规定时间间隔的第二时刻的所述信号波形数据与所述正弦波的相乘结果、及所述第二时刻的所述信号波形数据与所述余弦波的相乘结果而计算第二相位；及
转换部，构成为基于所述第一相位及所述第二相位的比较而输出所取得的所述频率信号的信号值。
2.根据权利要求1所述的信号处理装置，其中，
所述第一相位及所述第二相位是所述信号波形数据相对于所述检波波形数据的相位差，
在所述第二相位大于所述第一相位的情况下，所述转换部输出被分配了所述第二频率的数字值，在所述第二相位小于所述第一相位的情况下，所述转换部输出被分配了所述第一频率的数字值。
3.根据权利要求1或2所述的信号处理装置，其中，
所述第一时刻是所述检波波形数据的正弦波的相位为0°的时刻，
所述规定时间间隔具有相当于所述检波波形数据的周期的1/4的时间。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的信号处理装置，其中，
所述信号处理装置还具备：
判定部，构成为判定从所述转换部输出的所述频率信号的信号值的有效性；及
输出部，构成为将所述判定部的判定的结果为判定为有效的所述频率信号的信号值向外部输出。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的信号处理装置，其中，
所述频率信号是从在直流信号上重叠有所述频率信号的混合信号中取出的信号。
6.一种信号处理方法，对具有第一频率或比所述第一频率高的第二频率的频率信号进行处理，
所述信号处理方法具备如下的步骤：
取得与所述频率信号对应的信号波形数据；
生成具有所述第一频率与所述第二频率之间的检波频率的检波波形数据的正弦波及余弦波；
基于第一时刻的所述信号波形数据与所述正弦波的相乘结果、及所述第一时刻的所述信号波形数据与所述余弦波的相乘结果而计算第一相位；
基于比所述第一时刻前进了小于所述检波频率的一个周期的规定时间间隔的第二时刻的所述信号波形数据与所述正弦波的相乘结果、及所述第二时刻的所述信号波形数据与所述余弦波的相乘结果而计算第二相位；及
基于所述第一相位及所述第二相位的比较而输出所取得的所述频率信号的信号值。
7.一种信号处理程序，对具有第一频率或比所述第一频率高的第二频率的频率信号进行处理，
所述信号处理程序用于使计算机实现如下的各部：
取得部，构成为取得与所述频率信号对应的信号波形数据；
生成部，构成为生成具有所述第一频率与所述第二频率之间的检波频率的检波波形数据的正弦波及余弦波；
第一相位计算部，构成为基于第一时刻的所述信号波形数据与所述正弦波的相乘结果、及所述第一时刻的所述信号波形数据与所述余弦波的相乘结果而计算第一相位；
第二相位计算部，构成为基于比所述第一时刻前进了小于所述检波频率的一个周期的规定时间间隔的第二时刻的所述信号波形数据与所述正弦波的相乘结果及所述第二时刻的所述信号波形数据与所述余弦波的相乘结果而计算第二相位；及
转换部，构成为基于所述第一相位及所述第二相位的比较而输出所取得的所述频率信号的信号值。
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