CN116794377A - 一种提升电压采集精度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提升电压采集精度的方法，包括：设定参考电压源，并多次获取每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号和温度数据；基于每个待测电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值，获取待测电压源的准确电压信号；基于每个参考电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值，获取参考电压源的准确电压和准确电压信号，以及温度数据平均值，获取每个待测电压源的温度零偏基准、温度零偏一次方系数、温度漂移基准和温度漂移一次方系数；基于每个待测电压源的准确电压信号、温度漂移基准和温度漂移一次方系数获取每个待测电压源的精确电压信号；利用监测单元可以检测采集数据中的异常值，并剔除异常值，使得电压数据更加准确。

Description

一种提升电压采集精度的方法及系统

技术领域

本发明涉及数据采集技术领域，尤其涉及一种提升电压采集精度的方法及系统。

背景技术

箭上电压源是用于在火箭运行时，给火箭内部的各个用电器进行供电用，在使用过程中箭需要对上电压源的实时电量进行实时监控，所以必须要对箭上每个电压源的电压(电能)进行实时检测，以此保证任务的顺利完成；但现有的箭上电压源的电压采集装置的精度比较低，通常会出现实际电压源电压与测试电压不匹配的情况，因此很有可能导致完成不了任务，一旦发生事故，储存器中记录的每个电源的使用情况数据不准确，无法在事后进行精确分析，导致无法精确了解事故发生的原因或过程。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种提升电压采集精度的方法，其解决了现有技术中存在的采集电源电压不精确问题。

根据本发明的实施例，一种提升电压采集精度的方法装置，其包括：

S1、设定参考电压源，获取每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号和温度数据；

S2、计算每个待测电压源和参考电压源各自的基础电压信号平均值以及温度数据平均值；

S3、基于每个待测电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值，获取待测电压源和参考电压源的准确电压；

S4、基于每个待测电压源和参考电压源的准确电压，以及温度数据平均值，获取每个待测电压源的温度零偏基准、温度零偏一次方系数、温度漂移基准和温度漂移一次方系数；

S5、通过温度补偿算法获取每个待测电压源的精确电压信号，所述温度补偿算法公式为：

其中，V_n为待测电压源的精确电压信号，为待测电压源或参考电压源的准确电压，T_n为待测电压源或参考电压源的温度数据平均值，a₀为采集值温度零偏基准，a₁为采集值温度零偏一次方系数，b₀为采集值温度漂移基准，b₁为采集值温度漂移一次方系数。

本发明的技术原理为：通过设定多个参考电压源，以及参考电压源输出电压值，对多个参考电压源和多个待测电压源进行多次电压检测，并测出每个参考电压源和待测电压源的温度，分别求出参考电压源和待测电压源的平均温度，作为参考电压源和待测电压源的环境温度；利用待测电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值，获取待测电压源的准确电压信号；基于每个参考电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值，获取参考电压源的准确电压；利用待测电压源的准确电压信号和参考电压源的准确电压，获取每个待测电压源的温度零偏基准、温度零偏一次方系数、温度漂移基准和温度漂移一次方系数；利用待测电压源的准确电压信号、温度零偏基准、温度零偏一次方系数、温度漂移基准和温度漂移一次方系数获取每个待测电压源的精确电压信号，所得到的电压信号相对于现有技术来比其精度更高。

另一方面，根据本发明实施例，还提供了一种提升电压采集精度的系统，包括：

温度采集模块，用于采集参考电压源和待测电压源的温度数据；

控制模块，与所述温度采集模块连接，用于控制所述温度采集模块，并接受所述温度采集模块采集的温度数据；

参考电压模块和待采集电压模块，均设置于电压源设备中；

若干隔离模块，与所述参考电压模块和待采集电压模块连接；

若干缩放模块，与所述隔离模块连接，用于对电压信号进行缩放；

选通模块，与所述缩放模块和控制模块连接，用于控制所述缩放模块的通断；

AD采集模块，与所述选通模块，用于采集参考电压源和待测电压源的电压数据，并将电压数据发送给所述控制模块。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明的参考电压源采集电压信号的方式与待采集电压源电压采集方式和路径相同，因此两者之间的误差很小，并通过参考电压源的准确电压信号与参考电压源的输出电压值构建温度补偿方程组，计算准确的待测电压源的温度零偏基准、温度零偏一次方系数、温度漂移基准和温度漂移一次方系数；采用温度补偿算法对温度产生的偏差实时补偿，提升了采集电压的精度，并利用温度补偿算法公式计算出每个电压源精确的电压信号，再将计算出来的电压信号进行储存，方便后期分析；在本发明中还利用了监测单元可以检测采集数据中的异常值，并剔除异常值，使得最后获得的待测电压源电压数据更加准确；通过设置滤波单元，滤除电路中的干扰信号，可获得每个待采集电压源更加精确的电压信号；通过一个AD采集模块对所有的数据进行采集，保证了电信号传导和AD转换路径的一致性，减小在电路中产生的误差。

附图说明

图1为本发明实施例的流程示意图。

图2为本发明另一实施例的提升电压采集精度的系统示意图。

图3为本发明实施例的信号处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

如图1和3所示，本发明实施例提出了一种提升电压采集精度的方法，包括：

S1、设定参考电压源，并多次获取每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号和温度数据；将多个参考电压源均匀设定在采集电路中，通过给多个参考电压源和多个待测电压源多次测量，获得每个参考电压源和待测电压源的基础电压信号和温度数据，并对参考电压源所测的所有的温度系数和基础电压信号求出平均值，得到参考电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值，以参考电压源的温度数据平均值作为参考电压源的温度环境；对待测电压源所测的所有的温度系数和基础电压信号求出平均值，得到待测电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值，以待测电压源的温度数据平均值作为参考电压源的温度环境；对于每一个待测电压源或参考电压源采集的基础电压信号在求平均值前，需要对每一个基础电压信号依次进行，筛出大于筛出上界的信号和小于筛出下界的信号，然后再进行滤波，滤除干扰信号，然后再进行温度补偿，温度补偿算法对温度产生的偏差实时补偿，提升了采集电压的精度。

S2、基于每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号和温度数据，分别获取每个待测电压源的基础电压信号平均值，以及每个参考电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值；每个待测电压源和参考电压源求基础电压信号平均值和温度数据平均值的方法均相同，求解基础电压信号平均值公式为：

其中，为待测电压源或参考电压源的准确电压，n为待测电压源或参考电压源，m为采集次数，M为最后一次采集次数，/>为第n个待测电压源或参考电压源第m次测试的电压信号。

求解温度数据平均值(温度环境)公式为：

其中，T_n为待测电压源或参考电压源的温度数据平均值，n为待测电压源或参考电压源，i为待测电压源或参考电压源采集的次数，N为最后一次采集次数，T_ni为第n个待测电压源或参考电压源第i次测试的温度数据。

S3、基于每个待测电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值，获取待测电压源的准确电压信号和参考电压源的准确电压；

由于温度对待测电压源或参考电压源采集的基础电压信号有所影响，通过温度补偿算法可对因温度产生的基础电压信号的偏差进行实时补偿，使得采集的待测电压源或参考电压源采集的基础电压信号更加准确。

S4、基于每个待测电压源的准确电压信号和参考电压源的准确电压，以及温度数据平均值，获取每个待测电压源的温度零偏基准、温度零偏一次方系数、温度漂移基准和温度漂移一次方系数；根据温度补偿算法公式：

可计算出采集值温度零偏基准a₀，采集值温度零偏一次方系数a₁，采集值温度漂移基准b₀和采集值温度漂移一次方系数b₁，其中V_n为待测电压源的精确电压信号，为待测电压源或参考电压源的准确电压，T_n为待测电压源或参考电压源的温度数据平均值。

S5、基于每个待测电压源的准确电压信号、温度零偏基准、温度零偏一次方系数、温度漂移基准和温度漂移一次方系数获取每个待测电压源的精确电压信号；基于每个待测电压源的准确电压信号、温度零偏基准、温度零偏一次方系数、温度漂移基准和温度漂移一次方系数利用温度补偿算法，获取每个待测电压源的精确电压信号，温度补偿算法公式为：

其中，V_n为待测电压源的精确电压信号，为待测电压源或参考电压源的准确电压，T_n为待测电压源或参考电压源的温度数据平均值，a₀为采集值温度零偏基准，a₁为采集值温度零偏一次方系数，b₀为采集值温度漂移基准，b₁为采集值温度漂移一次方系数。

在计算待测电压源的精确电压信号前，需利用参考电压源的准确电压以及由于参考电压源和待采集电压源的采集方式完全相同，所以误差也因相等，以及采集值温度零偏基准a₀和采集值温度零偏一次方系数a₁之间的关系，采集值温度漂移基准b₀和采集值温度漂移一次方系数b₁之间的关系相等，再通过温度补偿算法公式，计算出采集值温度零偏基准a₀、采集值温度零偏一次方系数a₁、采集值温度漂移基准b₀和采集值温度漂移一次方系数b₁，再将采集值温度零偏基准a₀、采集值温度零偏一次方系数a₁、采集值温度漂移基准b₀和采集值温度漂移一次方系数b₁带入到温度补偿算法公式中计算出每个待测电压源的精确电压信号。

利用S4中的温度补偿算法公式，以及采集值温度零偏基准a₀和采集值温度零偏一次方系数a₁之间的关系和采集值温度漂移基准b₀和采集值温度漂移一次方系数b₁之间的关系，可计算出每个待测电压源的精确电压信号。

通过设定多个参考电压源，以及参考电压源输出电压值，对多个参考电压源和多个待测电压源进行多次电压检测，并测出每个参考电压源和待测电压源的温度，分别求出参考电压源和待测电压源的平均温度，作为参考电压源和待测电压源的环境温度；利用待测电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值，获取待测电压源的准确电压信号；基于每个参考电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值，获取参考电压源的准确电压；利用参考电压源的准确电压信号和参考电压源的输出电压值，获取每个待测电压源的温度零偏基准、温度零偏一次方系数、温度漂移基准和温度漂移一次方系数；利用待测电压源的准确电压信号、温度零偏基准、温度零偏一次方系数、温度漂移基准和温度漂移一次方系数获取每个待测电压源的精确电压信号。

作为本发明的一种可选实施例，可选地，步骤S2包括：

对每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号进行缩放，并剔除异常值；剔除异常值采用的是异常值监测与筛除算法，来剔除异常值。

基于每个待测电压源和参考电压源多次测量的缩放后基础电压信号获取每个待测电压源和参考电压源的筛除下界和筛除上界，并剔除小于筛除下界的基础电压信号，大于筛除上界的基础电压信号；在本实施例中筛除下界的计算方法为：

其中，为筛除下界，/>为待测电压源或参考电压源上次采集值，n为待测电压源或参考电压源；

在本实施例中筛除上界的计算方法为：

其中，为筛除上界，/>为待测电压源或参考电压源上次采集值，n为待测电压源或参考电压源；

由于采集待测电压源或参考电压源的基础电压信号是采用周期性采集，比如采集周期为每隔10ms对待测电压源或参考电压源采集一次，待测电压源或参考电压源上次采集值即为此次采集的上一次的基础电压信号采集值。

利用低通滤波器对筛除后的基础电压信号进行滤波，得到滤波后的基础电压信号；低通滤波器采用的是自适应FIR低通数字滤波器，其带宽随采集值标准差变大而变小，自适应FIR低通数字滤波器的带宽随采集值标准差变小而变大，其带宽变化公式为：

其中，B_n为自适应FIR低通数字滤波器带宽，为待测电压源或参考电压源对应的自适应FIR低通数字滤波器基础带宽，/>为待测电压源或参考电压源对应的自适应FIR低通数字滤波器调整带宽基数，/>为历史采集结果的统计标准差(归一化后的)。

基于滤波后的基础电压信号获取每个待测电压源和参考电压源滤波后的基础电压信号的平均值。

作为本发明的一种可选实施例，可选地，对每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号进行缩放包括：

设定缩放比例，使每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号进行缩放后在采集范围内。通过设置缩放比例来确保每一个待测电压源和参考电压源的基础电压信号都在采集范围内；每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号采集电路均相同，但是各个待测电压源和参考电压源的缩放比例不同，缩放比例根据实际情况设定，以将待测电压源和参考电压源的基础电压信号缩小或者放大到AD采集最佳范围。

作为本发明的一种可选实施例，可选地，缩放比例的计算公式为：

其中，scal_n为缩放比例，lmt_low为缩放范围最小值，lmt_high为缩放范围最大值，为待测电压源或参考电压源的基础电压信号平均值；

缩放范围最小值lmt_low和缩放范围最大值lmt_high可以通过现场需要而设置。

作为本发明的一种可选实施例，可选地，若为首次采集的待测电压源和/或参考电压源基础电压信号不需剔除；本电压数据采集方法对待测电压源和/或参考电压源第一次采集值默认不踢除，并以次值作为筛除下界和筛除上界待测电压源或参考电压源上次采集值

作为本发明的一种可选实施例，可选地，获取采集值温度零偏基准a₀、采集值温度零偏一次方系数a₁、采集值温度漂移基准b₀和采集值温度漂移一次方系数b₁的步骤包括：

步骤1、基于温度补偿算法公式，选用四个或四个以上的参考电压源，并分别将四个参考电压源的准确电压替换温度补偿算法公式中的待测电压源或参考电压源的准确电压/>将温度补偿算法公式中的待测电压源或参考电压源的精确电压V_n替换为设定的参考电压源输出电压值，建立四个或四个以上的方程组，求解方程；

步骤2、获取采集值温度零偏基准a₀、采集值温度零偏一次方系数a₁、采集值温度漂移基准b₀和采集值温度漂移一次方系数b₁。

本实施例选用四个参考电压源，建立以下方程组：

其中V₁、V₂、V₃和V₄为选用的四个参考电压源分别输出电压值。

在上述的公式中，由于V₁、V₂、V₃、V₄、T₁、T₂、T₃和T₄均是已知数，因此通过上述方程组可计算出采集值温度零偏基准a₀、采集值温度零偏一次方系数a₁、采集值温度漂移基准b₀和采集值温度漂移一次方系数b₁。

实施例2

如图2所示，另一方面，本发明实施例还提供了一种提升电压采集精度的系统，包括：

温度采集模块，用于采集参考电压源和待测电压源的温度数据；温度采集模块在本实施例为温度传感器，通过将温度传感器均匀分布在参考电压源和待采集电压源上，用于实时监测参考电压源和待采集电压源的温度数据，并通过与控制模块通讯连接，进行实时传输参考电压源和待测电压源的温度数据。

控制模块，与温度采集模块连接，用于控制温度采集模块，并接受温度采集模块采集的温度数据；在本实施例中控制模块采用MCU控制。

参考电压模块和待采集电压模块，均设置于电压源设备中；参考电压模块和待采集电压模块交叉设置在电压源设备中，采用同样的方式对参考电压模块和待采集电压模块进行温度采集。

若干隔离模块，与参考电压模块和待采集电压模块连接；在本实施例中隔离模块为隔离电路，每一个参考电压模块和待采集电压模块均连接了相同的隔离电路，可将参考电压模块和待采集电压模块的采集电压信号按相同方式隔离转换到AD采集域，保证参考电压模块和待采集电压模块的电压信号传导路径的一致性。

若干缩放模块，与隔离模块连接，用于对电压信号进行缩放；每个隔离模块均连接有一个缩放模块，每个缩放模块的电路结构相同，保证参考电压模块和待采集电压模块的电压信号传导路径的一致性。缩放模块的缩放比例可以根据实际情况设定，以将参考电压模块和待采集电压模块的电压信号缩小或者放大到AD采集最佳范围。

选通模块，与缩放模块和控制模块连接，用于控制缩放模块的通断；在本实施例中选通模块由选通芯片组成，各路电压信号依次接入通道输入端的一个输入端子，控制模块与选择电路相连的GPIO组成选通地址，控制某一路电压信号被选通输出。

AD采集模块，与选通模块，用于采集参考电压源和待测电压源的电压数据，并将电压数据发送给控制模块。每个选通模块的输出端与AD采集模块的一个输入端连接，AD采集模块将通过缩放模块放大或缩小的电压信号进行采集，并传送给控制模块。

在使用时，通过温度采集模块对每一个采集参考电压源和待测电压源进行实时监测温度数据，再通过AD采集模块对参考电压源和待测电压源进行实时并周期性采集电压信号，结合参考电压源信号的温度数据、待采集电压源信号的温度数据、参考电压源信号和待测电压源的电压信号，通过控制模块再结合软件编程可以精确计算出待测电压源的电压信号。

作为本发明的另一种可选实施例，可选地，选通模块通过GPIO接口与控制模块连接，对某一路电压信号进行寻址和选通。

作为本发明的另一种可选实施例，可选地，AD采集模块通过SPI接口与控制模块连接，对AD采集模块进行参数配置，获取电压信号。AD采集模块中的采集芯片通过SPI与控制模块通信，实现对AD采集芯片参数配置，并实现控制模块获取电压采集数据。

作为本发明的另一种可选实施例，可选地，控制模块内部还设置有：

监测单元，用于监测异常值，并筛除异常值；监测单元是采用异常值监测与筛除算法组成，通过软件对控制模块进行编程实现，在筛除异常值需设置筛除上限和筛除下线，筛除上限和筛除下线可根据实际情况设置。

滤波单元，与监测单元连接，用于滤除电路中的干扰信号；在本实施例中滤波单元采用自适应FIR低通数字滤波器对采集的电压信号进行滤波，滤除电路中的干扰信号。

温度补偿单元，与滤波单元连接，用于对参考电压源或/和待测电压源的温度数据进行补偿。在本实施例中温度补偿单元包括温度补偿算法，温度补偿算法通过软件对控制模块进行编程实现，基于待采集电压源和参考电压源采集的电压信号和待采集电压源和参考电压源的温度数据可以输出待采集电压源精确的电压信号。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种提升电压采集精度的方法，其特征在于，包括：

S1、设定参考电压源，获取每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号和温度数据；

S2、计算每个待测电压源和参考电压源各自的基础电压信号平均值以及温度数据平均值；

S3、基于每个待测电压源的基础电压信号平均值和温度数据平均值，获取待测电压源和参考电压源的准确电压；

S4、基于每个待测电压源和参考电压源的准确电压，以及温度数据平均值，获取每个待测电压源的温度零偏基准、温度零偏一次方系数、温度漂移基准和温度漂移一次方系数；

S5、通过温度补偿算法获取每个待测电压源的精确电压信号，所述温度补偿算法公式为：

其中，V_n为待测电压源的精确电压信号，为待测电压源或参考电压源的准确电压，T_n为待测电压源或参考电压源的温度数据平均值，a₀为采集值温度零偏基准，a₁为采集值温度零偏一次方系数，b₀为采集值温度漂移基准，b₁为采集值温度漂移一次方系数。

2.如权利要求1所述的一种提升电压采集精度的方法，其特征在于，步骤S2包括：

对每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号进行缩放，并剔除异常值；

基于每个待测电压源和参考电压源缩放后的基础电压信号获取每个待测电压源和参考电压源的筛除下界和筛除上界，并剔除小于筛除下界或大于筛除上界的基础电压信号；

利用低通滤波器对筛除后的基础电压信号进行滤波；

计算每个待测电压源和参考电压源滤波后的基础电压信号的平均值。

3.如权利要求2所述的一种提升电压采集精度的方法，其特征在于，对每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号进行缩放包括：

设定缩放比例，使每个待测电压源和参考电压源的基础电压信号进行缩放后在采集范围内。

4.如权利要求3所述的一种提升电压采集精度的方法，其特征在于，所述缩放比例的计算公式为：

其中，scal_n为缩放比例，lmt_low为缩放范围最小值，lmt_high为缩放范围最大值，为待测电压源或参考电压源的基础电压信号平均值。

5.如权利要求2所述的一种提升电压采集精度的方法，其特征在于，若为首次采集的基础电压信号则不需剔除。

6.如权利要求1所述的一种提升电压采集精度的方法，其特征在于，所述S4步骤包括：

步骤1、基于温度补偿算法公式，选用四个或四个以上的参考电压源，并分别将四个参考电压源的准确电压替换温度补偿算法公式中的待测电压源或参考电压源的准确电压将温度补偿算法公式中的待测电压源或参考电压源的精确电压V_n替换为设定的参考电压源输出电压值，建立四个或四个以上的方程组，求解方程；

步骤2、获取所述采集值温度零偏基准a₀、采集值温度零偏一次方系数a₁、采集值温度漂移基准b₀和采集值温度漂移一次方系数b₁。

7.一种提升电压采集精度的系统，其特征在于，包括：

温度采集模块，用于采集参考电压源和待测电压源的温度数据；

控制模块，与所述温度采集模块连接，用于控制所述温度采集模块，并接受所述温度采集模块采集的温度数据；

参考电压模块和待采集电压模块，均设置于电压源设备中；

若干隔离模块，与所述参考电压模块和待采集电压模块连接；

若干缩放模块，与所述隔离模块连接，用于对电压信号进行缩放；

选通模块，与所述缩放模块和控制模块连接，用于控制所述缩放模块的通断；

AD采集模块，与所述选通模块，用于采集参考电压源和待测电压源的电压数据，并将电压数据发送给所述控制模块。

8.如权利要求7所述的一种提升电压采集精度的系统，其特征在于，所述选通模块通过GPIO接口与所述控制模块连接，对某一路电压信号进行寻址和选通。

9.如权利要求7所述的一种提升电压采集精度的系统，其特征在于，所述AD采集模块通过SPI接口与所述控制模块连接，对所述AD采集模块进行参数配置，获取电压信号。

10.如权利要求7所述的一种提升电压采集精度的系统，其特征在于，所述控制模块内部还设置有：

监测单元，用于监测异常值，并筛除异常值；

滤波单元，与所述监测单元连接，用于滤除电路中的干扰信号；

温度补偿单元，与所述滤波单元连接，用于对参考电压源或/和待测电压源的温度数据进行补偿。