CN115001519B - 一种传感信号接收系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种传感信号接收系统及方法，所述系统包括：接口模块、窄带选频模块、高增放大模块和同相比较模块，所述接口模块用于接收传感信号，所述窄带选频模块用于根据预设接收频率，在所述传感信号中确定选频信号，所述选频信号的频率为预设接收频率或者包含所述预设接收频率的一个窄带区间，所述窄带选频模块还用于将所述选频信号输出至所述高增放大模块，所述高增放大模块用于将接收到的所述选频信号进行放大，得到放大信号，所述同相比较模块用于将所述放大信号转换为TTL标准信号。通过本申请技术方案，能够有效避免出现可用信号漏报或误报的情况，保证传感信号的可靠性传输。
Description
技术领域
本发明涉及传感信号的处理技术领域，尤其涉及一种传感信号接收系统及方法。
背景技术
当今传感器已广泛应用于民用及工业中，其作为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。常见的电信号有模拟量、数字量形式。在应用时，传感器一般接于控制器专用接口上，如模拟量接口、数字量接口上。对于控制器而言，这些专用接口数量有限，而控制器的普通I/O接口虽然数量较多，但由于缺少驱动，无法直接读取传感器数字信号。
此外，当传感器应用于管道及海底环境时，传感器输出信号可能被衰减或被干扰，使可用信号不满足标准数字信号规范或者被淹没在噪声之中，如果直接将传感器连接至控制器，则读数会失真。目前，可行的传感信号接收所采用的方法是：直接利用接收机对传感信号通带放大，相当于在传感器输出侧增加放大器，在理想环境下可以减少传感信号的失真。
然而上述方法仅是基于时域进行传感信号估计与观测，没有基于频域进行传感信号观测，容易造成可用信号漏报或误报，进而导致传感信号的失真。此外上述方法接收传感信号时采用的是窄带噪声而非白噪音，无法保证传感信号传输的可靠性。
发明内容
本发明提供一种传感信号接收系统及方法，以解决传感信号在通信过程中，由于外界各频段噪声较大导致可用信号淹没在噪声之中，造成可用信号漏保或误报，进而导致传感信号失真的问题。本发明通过对方波、正弦波或叠加型信号进行信号选频放大，并转换生成TTL标准信号，解决接收到的传感信号中各频段范围内的噪声问题，保证传感信号的可靠性传输。
本发明通过以下技术方案来实现：
第一方面，本申请提供了一种传感信号接收系统，所述系统包括：接口模块、窄带选频模块、高增放大模块和同相比较模块；
所述接口模块用于接收传感信号；
所述窄带选频模块用于根据预设接收频率，在所述传感信号中确定选频信号；所述选频信号的频率为预设接收频率或者包含所述预设接收频率的一个窄带区间；所述窄带选频模块还用于将所述选频信号输出至所述高增放大模块；
所述高增放大模块用于将接收到的所述选频信号进行放大，得到放大信号；
所述同相比较模块用于将所述放大信号转换为标准信号。
进一步地，当所述传感信号中包含频率在窄带区间中的噪声信号时，在所述窄带区间中选择两个中心频率点，其中一个所述中心频率点用于所述窄带选频模块，将所述噪声信号调谐至所述窄带选频模块中的中心频率点，另一个所述中心频率点用于所述高增放大模块。
进一步地，所述窄带选频模块由第一预设增益级数的第一带通滤波电路级联构成；所述第一带通滤波电路包括第一低通滤波电路和第一高通滤波电路,所述第一低通滤波电路由电阻R1_i和电容C_i电连接组成,所述第一高通滤波电路由电阻R2_i和电容C_i电连接组成。
进一步地，所述高增方大模块由第二预设增益级数的第二带通滤波电路级联构成；所述第二带通滤波电路包括第二低通滤波电路和第二高通滤波电路,所述第二低通滤波电路由电阻R1_j和电容C1_j电连接组成,所述第二高通滤波电路由电阻R2_j和电容C2_j电连接组成。
进一步地，所述第一预设增益级数为1，所述第二预设增益级数为6。
进一步地，所述第一预设增益级数为3，所述第二预设增益级数为9。
进一步地，所述同相比较模块通过上限迟滞阈值和下限迟滞阈值将所述放大信号转换为所述标准信号。
进一步地，所述选频信号的信号幅值单位是毫伏或者微伏。
第二方面，本申请提供了一种传感信号接收方法，所述方法包括：
获取传感信号；
根据所述传感信号选取频段，得到选频信号；
通过对所述选频信号进行放大，得到放大信号；
将所述放大信号转换为标准信号。
进一步地，所述频段包括预设接收频率或者所述预设接收频率的一个窄带区间，所述预设接收频率为所述选频信号的中心频率。
本申请提供了一种传感信号接收系统及方法，包括接口模块、窄带选频模块、高增放大模块和同相比较模块。所述接口模块用于接收传感信号，所述窄带选频模块用于根据预设接收频率，在所述传感信号中确定选频信号，所述选频信号的频率为预设接收频率或者包含所述预设接收频率的一个窄带区间。所述窄带选频模块还用于将所述选频信号输出至所述高增放大模块，所述高增放大模块用于将接收到的所述选频信号进行放大，得到放大信号，所述同相比较模块用于将所述放大信号转换为标准信号。通过本申请技术方案，能够有效避免出现可用信号漏报或误报的情况，保证传感信号的可靠性传输。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种传感信号接收系统的示意图；
图2为本申请实施例提供窄带选频模块的电路原理示意图；
图3为本申请实施例提供高增放大模块的电路原理示意图；
图4为本申请实施例提供同相比较模块的电路原理示意图；
图5为本申请实施例提供的一种传感信号接收方法的流程图。
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、完整的描述，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，都属于本发明保护的范围。
为了解决传感信号在通信过程中，由于外界各频段噪声较大导致可用信号淹没在噪声之中，造成可用信号漏报或误报的问题。本发明通过对方波、正弦波或叠加型传感信号进行信号选频放大，并转换生成TTL标准信号，解决了接收信号中各频段范围内的噪声问题，保证传感信号的可靠性传输。
为了便于理解本申请实施例的技术方案，在对本申请实施例的具体实施方式进行阐述说明之前，首先对本申请实施例所属技术领域的一些技术术语进行简单解释说明。
衰减：信号在传输介质中传播时，将会有一部分能量转化成热能或者被传输介质吸收，从而造成信号强度不断减弱，使信号在线缆或空气中进行传播时强度会下降，这种现象称为衰减。
信噪比：是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台电子设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该电子设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号(或信息)，并且这种信号并不随原信号的变化而变化。
TTL电平：TTL电平信号规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”(采用二进制来表示数据时)。这样的数据通信及电平规定方式，被称为晶体管-晶体管逻辑电平(Transistor Transistor Logic，TTL)信号系统。这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。
选频放大：对某一段频率或单一频率的信号具有突出的放大作用，而对其他频率的信号具有较强抑制作用的放大单元。谐振放大器、有源带通滤波器等都属于这一范畴。
增益：一般含义就是放大倍数。在电子学上，通常为一个系统的讯号输出与讯号输入的比率。
频段：在数字控制领域中，频段指的是信号中某频段的频率范围，单位为Hz。
带通滤波：允许特定频段信号通过，同时屏蔽其他频段的信号。
频域：描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系。在电子学，控制系统工程和统计学中，频域图显示了在一个频率范围内每个给定频带内的信号量。
时域：描述数学函数或物理信号对时间的关系。例如，一个信号的时域波形可以表达信号随着时间的变化。
参加图1，为本申请实施例提供的一种传感信号接收系统的示意图；
如图1可知，为本申请实施例提供的一种传感信号接收系统，本发明采用5Pin接口，连接于接收装置与控制器I/O接口之间，接收装置能够接收到一定范围内的传感信号，接收装置再将传感信号传输至本发明系统中，经过本发明系统处理输出的信号，可以实现控制器I/O接口直接读出干净的传感信号，就能够快速进行通信协议层面的二次开发。
具体的，本发明所述系统包括：接口模块11、窄带选频模块12、高增放大模块13和同相比较模块14。
所述接口模块11用于接收所述接收装置从外界接收到的传感信号，信号类型可以是标准正弦波、方波以及标准正弦波和方波的叠加。本申请考虑到现场信号干扰、作业工况噪音及设备间信号干扰等，即便传感信号能够被高倍衰减，但衰减后的传感信号里仍然夹杂着包裹在幅值远大于信号自身的噪声之中，为了使传感信号中的可用信号输出至控制器I/O接口，本申请在时域和频域双重领域方面进行可靠设计。
如图2所示为本申请实施例提供的窄带选频模块12的电路原理示意图，所述窄带选频模块12由第一预设增益级数的第一带通滤波电路级联构成，所述第一带通滤波电路包括第一低通滤波电路和第一高通滤波电路。电阻R1_i与电容C_i构成第一低通滤波电路，电阻R2_i与电容C_i构成第一高通滤波电路，使得在一定区间范围内的频率可以不受衰减直接通过，区间范围之外的频率都会被衰减掉，此时已经将大部分噪声信号衰减。具体的，所述窄带选频模块12还用于根据预设接收频率，在所述传感信号中确定选频信号。所述预设接收频率是根据实际现场情况提前确定好的一个频率，假设预设接收频率为25Hz。所述选频信号的频率为预设接收频率或者包含所述预设接收频率的一个窄带区间，当所述传感信号中包含频率在窄带区间中的噪声信号时，在所述窄带区间中选择两个中心频率点，其中一个所述中心频率点用于所述窄带选频模块12，将所述噪声信号调谐至所述窄带选频模块12中的中心频率点，另一个所述中心频率点用于所述高增放大模块13。当所述噪声信号的频率接近传感信号频率时，将所述噪声信号裁剪至所述窄带选频模块12中的中心频率点，即预设接收频率，也就是将所述噪声信号调谐至所述窄带选频模块12中的中心频率点，即所述预设接收频率等于所述窄带选频模块12中的中心频率点。
例如，假设预设接收频率为25Hz，所述选频信号的窄带区间可设置成23Hz至29Hz，然而所述窄带选频模块12中的中心频率点的频率可选择为25Hz附近一点，如23.5Hz。当没有噪声时，由于窄带区间的频率范围覆盖25Hz，因此所述传感信号可以被所述窄带选频模块12接收，并在后续高增放大模块13中进行信号放大，也就是所述高增放大模块13中的中心频率点为25Hz，即对25Hz进行放大。当仅存在白噪声无信号时，将白噪声引导至所述窄带选频模块12中的中心频率点上，即频率为23.5Hz，后续控制器I/O可以识别出干扰的白噪声。当信号叠加白噪声时，也就是既有25Hz，也有白噪声时，此时输出的频率可根据噪声和信号幅度比例而有所不同，会将预设接收频率25Hz与引导至所述窄带选频模块12中的中心频率点的白噪声23.5Hz进行综合，最终得到的频率是在23.5Hz和25Hz之间。
选频信号经过衰减之后还会残留一些噪声信号接近于选频信号的频率，例如，可能是24.5Hz或者25.3Hz，这样比较接近选频信号频率的噪声信号存在。在通过所述窄带选频模块12将所述选频信号输出至所述高增放大模块13，如图3所示，为本申请实施例提供的高增放大模块13的电路原理示意图，所述高增放大模块13由第二预设增益级数的第二带通滤波电路级联构成，所述第二带通滤波电路包括第二低通滤波电路和第二高通滤波电路。电阻R1_j与电容C1_j构成第二低通滤波电路，电阻R2_j与电容C2_j构成第二高通滤波电路，通过电阻R3引入电压正反馈。由于选频信号幅值通常仅有数毫伏甚至数微伏，因此需要将所述选频信号进行放大，得到放大信号。
具体的，高增放大模块13通过级联方式实现在相对放宽的频段范围内增益的最大化，例如，由于高增放大模块13在放大时是将25Hz加减5Hz的范围进行放大，高增放大模块13通常能够令单级增益10倍，因此便于在时域层面对放大信号进行观测。而所述第二预设增益级数是根据传感信号幅值、环境噪音幅值和所述第一预设增益级数而定，所述第一预设增益级数和所述第二预设增益级数需要相匹配着进行调整。在理想环境下，本申请最优选是采用所述第一预审增益级数为1和所述第二预设增益级数为6，即可实现选频信号的106倍放大，本申请实施例另一种优选方式是采用所述第一预设增益级数为3，所述第二预设增益级数为9，即可实现选频信号的109倍放大。选频信号经过高增放大模块13可以确保输入的毫伏级或微伏级传感信号，能够饱和输出至所述同相比较模块14的基准值范围内。
所述同相比较模块14用于将所述放大信号转换为标准信号。如图4所示，为本申请提供的所述同相比较模块14的电路原理示意图，为了保证所述放大信号的输出信号符合TTL标准，即+5V代表逻辑“1”，0V代表逻辑“0”，通过同相比较模块14将放大信号转换为标准信号，所述同相比较模块14中设置有上限迟滞阈值和下限迟滞阈值。迟滞阈值就是设置两个基准点，使输出切换为高、低电平时放大信号必须上升、下降到的电压VH和VL，可通过现有的计算公式，导出VH和VL，具体计算过程不做详细描述。将高于VH时认为信号达到逻辑“1”，低于VL时认为信号回到逻辑“0”。相比单基准点而言，设置上限和下限迟滞阈值，可消除由噪声导致的不良输出转换。
本发明可以应用于管道内外的通讯场景，例如在长输管道外侧的不同位置安放本发明的接收系统，本发明连接于接收装置与控制器I/O接口之间，通过在管道清管器内安放数据采集装置，通过数据采集装置采集到清管器内的传感信号，再将传感信号传输至本发明的接收系统，所述接收系统包括接口模块11、窄带选频模块12、高增放大模块13和同相比较模块14。接口模块11中设有接口器，接口器接收传感信号并将信号传输至窄带选频模块12中的选频器，选频器通过中心频率点对传感信号进行选频，选出可用信号的选频信号。再将选频信号传输至高增放大模块13中的放大器，放大器实现对选频信号的窄带高增益放大功能，获取到放大信号。再将放大信号传输至同相比较模块14中的比较器，比较器通过迟滞功能将放大信号转换为标准信号，输出的标准信号可供控制器I/O接口直接使用，无需其他处理。本发明在整个频域内通过傅里叶分析进行验证，输出的传感信号的信噪比高，便于控制器I/O接口处理。
如图5所示，本申请实施例还提供一种传感信号接收方法，所述方法包括：
S101：获取传感信号。
获取接收装置从外界接收到的传感信号，信号类型可以是标准正弦波、方波以及标准正弦波和方波的叠加。
S102：根据所述传感信号选取频段，得到选频信号。
根据预设接收频率，在所述传感信号中确定选频信号；所述选频信号的频率为预设接收频率或者包含所述预设接收频率的一个窄带区间；当所述传感信号中包含频率在窄带区间中的噪声信号时，通过在所述窄带区间中选择两个中心频率点，其中一个所述中心频率点用于所述窄带选频模块12，将所述噪声信号调谐至所述窄带选频模块12中的中心频率点，另一个所述中心频率点用于所述高增放大模块13。
S103：通过对所述选频信号进行放大，得到放大信号。
通过级联方式将通带带宽设定为有限个不相邻的窄带宽，从而满足复杂通信协议的编写，实现在相对放宽的频段范围内实现增益的最大化。对所述选频信号进行增益放大，得到放大信号。
S104：将所述放大信号转换为标准信号。
通过设置的上限迟滞阈值和下限迟滞阈值将所述放大信号转换为标准信号，进而消除由噪声导致的不良输出转换。
本申请提供了一种传感信号接收系统及方法，包括：接口模块11、窄带选频模块12、高增放大模块13和同相比较模块14，所述接口模块11用于接收传感信号，所述窄带选频模块12用于根据预设接收频率，在所述传感信号中确定选频信号，所述选频信号的频率为预设接收频率或者包含所述预设接收频率的一个窄带区间，所述窄带选频模块12还用于将所述选频信号输出至所述高增放大模块13，所述高增放大模块13用于将接收到的所述选频信号进行放大，得到放大信号，所述同相比较模块14用于将所述放大信号转换为标准信号。通过本申请技术方案，能够有效避免出现可用信号漏报或误报的情况，保证传感信号的可靠性传输。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种传感信号接收系统，其特征在于，所述系统包括：接口模块、窄带选频模块、高增放大模块和同相比较模块；
所述接口模块用于接收传感信号；
所述窄带选频模块用于根据预设接收频率，在所述传感信号中确定选频信号；所述选频信号的频率为预设接收频率或者包含所述预设接收频率的一个窄带区间；所述窄带选频模块还用于将所述选频信号输出至所述高增放大模块；
所述高增放大模块用于将接收到的所述选频信号进行放大，得到放大信号；
所述同相比较模块用于将所述放大信号转换为标准信号。
2.根据权利要求1所述的一种传感信号接收系统，其特征在于，当所述传感信号中包含频率在窄带区间中的噪声信号时，在所述窄带区间中选择两个中心频率点，其中一个所述中心频率点用于所述窄带选频模块，将所述噪声信号调谐至所述窄带选频模块中的中心频率点，另一个所述中心频率点用于所述高增放大模块。
3.根据权利要求1所述的一种传感信号接收系统，其特征在于，所述窄带选频模块由第一预设增益级数的第一带通滤波电路级联构成；所述第一带通滤波电路包括第一低通滤波电路和第一高通滤波电路，所述第一低通滤波电路由电阻R1_i和电容C_i电连接组成,所述第一高通滤波电路由电阻R2_i和电容C_i电连接组成。
4.根据权利要求3所述的一种传感信号接收系统，其特征在于，所述高增放大模块由第二预设增益级数的第二带通滤波电路级联构成；所述第二带通滤波电路包括第二低通滤波电路和第二高通滤波电路，所述第二低通滤波电路由电阻R1_j和电容C1_j电连接组成,所述第二高通滤波电路由电阻R2_j和电容C2_j电连接组成。
5.根据权利要求4所述的一种传感信号接收系统，其特征在于，所述第一预设增益级数为1，所述第二预设增益级数为6。
6.根据权利要求4所述的一种传感信号接收系统，其特征在于，所述第一预设增益级数为3，所述第二预设增益级数为9。
7.根据权利要求1所述的一种传感信号接收系统，其特征在于，所述同相比较模块通过上限迟滞阈值和下限迟滞阈值将所述放大信号转换为所述标准信号。
8.根据权利要求1所述的一种传感信号接收系统，其特征在于，所述选频信号的信号幅值单位是毫伏或者微伏。
9.一种传感信号接收方法，其特征在于，所述方法包括：
获取传感信号；
根据所述传感信号选取频段，得到选频信号；
通过对所述选频信号进行放大，得到放大信号；
将所述放大信号转换为标准信号。
10.根据权利要求9所述的一种传感信号接收方法，其特征在于，所述频段包括预设接收频率或者所述预设接收频率的一个窄带区间，所述预设接收频率为所述选频信号的中心频率。
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