DE4326703C1 - Mehrkanalsignalintegrator und Arbeitsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrkanal­ signalintegrator und sein Arbeitsverfahren für die Echtzeit-Integration nach dem Kepler-Algorithmus von aus verschiedenen Kanälen Stammenden, von äquidistant abgetasteteten, digitalisierten Signalen erhaltenen Abtastwerten sowie auf ein Verfahren zur Echtzeit- Integration von aus verschiedenen Kanälen stammenden, von äquidistant abgetasteten, digitalisierten Signalen erhaltenen Abtastwerten.

Aus DE 41 19 885 A1 sind Langzeitintegratoren bekannt, die zur Messung des magnetischen Flusses und Bestimmung davon abgeleiteter Größen eingesetzt werden. Als Sensor wird hierzu eine Spule verwendet, deren Meßspannung vom Langzeitintegrator aufgenommen wird. Signale werden dabei digitalisiert und der Integralzuwachs asymme­ trisch berechnet.

Die Berechnung des Integralzuwachses erfolgt numerisch nach der Kepler-Methode gemäß

I_k(n) = I_k(n-2) + ((f_k(n) + 4_*f_k(n-1) + f_k(n-2)),

dabei ist f_k(n) bzw. f_k(n-1) das Signal einer Signal­ folge k zum Abtastzeitpunkt n bzw. n-1 und I_k(n) das Integrationsergebnis der Signal folge k bis zum Zeitpunkt n usw. Der Amplitudenfaktor 1/3 wurde dabei nicht berücksichtigt.

Die bisher zur Verfügung stehenden Integratoren sind in der Lage, eine Echtzeitintegration für einen Kanal bzw. eine Signalfolge durchzuführen. Häufig tritt jedoch das Problem auf, daß die Signalfolgen mehrerer Kanäle in Echtzeit integriert werden müssen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Mehrkanal­ integrator zu schaffen, der mehrere Signale in Echtzeit integrieren kann, sowie ein Arbeitsverfahren für den Mehrkanalintegrator.

Die Aufgabe wird durch einen Mehrkanalsignalintegrator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Vorrichtung integriert seriell eingelesene, aus verschiedenen Kanälen stammende Signale, die beispiels­ weise mit Sample & Hold Schaltungen abgetastet wurden, nach dem Kepler-Algorithmus.

Die Funktionsweisen der einzelnen Bauelemente und ihr Zusammenwirken werden im folgenden näher erläutert.

Ein FIFO besteht aus mehreren, in Serie geschaltenen Registern. Die Speichertiefe eines FIFOS gibt die Anzahl der Register an. Ein in ein FIFO eingelesenes Signal wird im ersten Register des FIFOs abgelegt. Die zu diesem Zeitpunkt bereits in den Registern des FIFOs befindlichen Signale werden mit jedem Einlesen eines weiteren Signals vom jeweils nachgeschalteten Register übernommen. Das im letzten Register befindliche Signal verläßt das FIFO über einen Ausgang.

Wird also in den Mehrkanalsignalintegrator ein Signal f_k(n) der Signalfolge k eingelesen, so gelangt dieses in das erste Register des vorgeschalteten der beiden in Serie angeordneten FIFOs sowie in den ersten Addierer. Mit dem Einlesen des Signals f_k(n) verläßt das Signal f_k(n-1) das FIFO und wird sowohl in den seriell nachgeschalteten FIFO als auch, mit dem Faktor vier durch z. B. einen zwischengeschalteten Multiplizierer gewichtet, in den ersten Addierer eingelesen. Infolge des in den nachgeschalteten FIFO eingelesenen Wertes f_k(n-1) verläßt ein Wert f_k(n-2) den nachgeschalteten FIFO und gelangt in den zweiten Addierer. Das im ersten Addierer gebildete Additionsergebnis f_k(n)+4_*f_k(n-1) gelangt ebenfalls in den zweiten Addierer. Folglich wird im zweiten Addierer der Wert f_k(n-2)+f_k(n)+4_*f_k(n-1) gebildet.

Da die Speichertiefe eines FIFOs mit der Anzahl der Kanäle übereinstimmt, handelt es sich bei den f_k(n), f_k(n-1) und f_k(n-2) um zeitlich nacheinander registrierte Signale derselben Signalfolge k, vorausgesetzt die Reihenfolge des Einlesens der verschiedenen Signalfolgen in den Signalintegrator ist beibehalten worden. Im zweiten Addierer liegt dann ein Integralzuwachs gemäß dem Kepler-Algorithmus vor.

Der Integralzuwachs des Kanals k wird im für diesen Kanal vorgesehenen Akkumulierer (ein rekursiv arbeitenden Addierer mit einem Register) so zu seinem Registerinhalt addiert, daß das zeitliche Integrations­ ergebnis vorliegt. Das bedeutet, daß nur jeder zweite dermaßen gebildete Integralzuwachs einen Kanals akkumuliert wird, da gemäß der Integrationsmethode nach Kepler zur Bildung von I_k(n) der Integralzuwachs zum zwei Abtastzeitpunkte zuvor berechneten Wert I_k(n-2) addiert, also folglich zwei des bisher beschriebenen Durchlaufs zur Bildung eines auf zuaddierenden Integral­ zuwachses benötigt wird.

Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß zu jedem zweiten Abtastzeitpunkt der Signale den Kanälen zuge­ ordnete Akkumulieradressen zusammen mit den dann seriell eingelesenen Signalen in das vorangeschaltete FIFO eingegeben werden. Bei dazwischenliegenden Abtastzeitpunkten unterbleibt die Eingabe von Akku­ mulieradressen mit der Folge, daß die Akkumulierer daraufhin nicht eingeschaltet werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines speziellen Bits zur Freischaltung der Akkumulierer, das zusammen mit Kanaladressen durch die FIFOs geschoben wird. Dies kann zum Beispiel eine Null sein. Auch kann die Aufnahme der Teilsummen von den Akkumulierern durch Haltesignale gesteuert werden, die direkt auf den Ausgang des ersten Addierers oder auf einen K-Adressen- Dekoder einwirken.

Im Register eines einem Kanal k zugeordneten Akkumulie­ rers liegt auf diese Weise der Integrationswert des Kanals k vor.

Als Integrationsergebnis liefert der Mehrkanalinte­ grator allerdings den dreifachen Wert eines Integrals, da ein unerwähnt gebliebener Faktor 1/3 zum Kepler- Algorithmus gehört. Im Bedarfsfall ist also durch drei zu teilen.

Vorteilhaft weist der Mehrkanal-Signalintegrator ein drittes, vorangeschaltetes FIFO mit gleicher Speicher­ tiefe auf. Vorangeschaltet bedeutet, daß der Ausgang des FIFOs seriell mit dem Eingang der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 verbunden ist.

Dadurch wird erreicht, daß alle drei zu einer Teil­ summenberechnung benötigten Signale einer Signalfolge gleichzeitig im Mehrkanalsignalintegrator gespeichert werden können. Insbesondere bei Sample & Hold- Schaltungen ist der Einsatz eines dritten FTFOs vorteilhaft, da hier schaltungsbedingt zu exakt einem Zeitpunkt mehrere Signale gleichzeitig vorliegen, die dann vor der Integration im vorangeschalteten FIFO gespeichert werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Anschluß des ersten Addierers hinter dem Ausgang des ersten der beiden FIFOs um 2 Bit in Richtung MSB verschoben angeordnet. Diese Verschiebung bewirkt, daß ein in den Addierer gelangendes Signal mit einem Faktor 4 gewichtet wird. Der Anschluß ersetzt also z. B. einen sonst erforderlichen zwischengeschalteten Multi­ plizierer.

Relevante Teile einer derart integrierten Signalfolge können mit Hilfe einer elektronischen Lupe steuerbar ausgekoppelt werden.

Des weiteren wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Arbeitsverfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 4 gelöst. Dieses Verfahren beruht auf der systolischen Methode und ist daher zur Echtzeitintegration von seriell eingelesenen, aus verschiedenen Kanälen stammenden Signalen geeignet.

Vorteilhaft ist die Ausgestaltung des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5. Durch die mitgeschobene Adresse lassen sich auf einfache Weise Akkumulierer zwecks Addition der Integralzuwächse steuern, wie im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläutert.

Zweckmäßig ist in diesem Zusammenhang das gemäß Anspruch 6 ausgestaltete Verfahren, welches für eine einfache Steuerung von Akkumulatoren dienlich ist. Es müssen keine störenden Umschaltvorgänge durchgeführt werden.

Die Figur zeigt: Numerischer Zweikanal-Signalinte­ grator.

Die FIFOs 1, 2 und 3 weisen eine Speichertiefe von 2 auf. Zwischen FIFO 1 und FIFO 2 zweigt die Datenleitung 4 vom Ausgang des FIFOs 1 zum Addierer 5 ab. Die Datenleitung 6 ist um 2 Bit in Richtung MSB verschoben an den Addierer 5 angeschlossen. Vom FIFO 3 sowie vom Addierer 5 führen die Datenleitungen 7 und 8 zum Addierer 9. Über die Datenleitungen 10 und 11 sind die Akkumulierer 12 und 13 am Ausgang des Addierers 9 angeschlossen. Der Akkumulierer 12 weist die Kanaladresse (1 O) und der Akkumulierer 13 die Kanaladresse (0 1) auf.

Zusammen mit den Signalen sind Kanaladressen jeden zweiten Meßzeitpunkt eingelesen worden. Dargestellt ist der Zustand, daß im FIFO 1 und 3 Kanaladressen zusammen mit den zugeordneten Signalen der Abtastzeitpunkte (n) bzw. (n-2) gespeichert sind (nicht dagegen im FIFO 2 entsprechend dem Abtastzeitpunkt (n-1)).

Der dargestellte Zweikanal-Signalintegrator dient der Echtzeitintegration von aus zwei verschiedenen Kanälen stammenden, digitalisierten Signalfolgen. Nach Ablauf eines vorgegebenen, konstanten Zeitintervalls werden die zwei registrierten Signale eines solchen Abtast­ zeitpunktes seriell in gleichbleibender Reihenfolge in FIFO 1 eingelesen. Zusammen mit den eingelesenen Daten wird bei jedem zweiten Mal die Adresse des kanal­ bezogenen Akkumulierers mit in das FIFO (1) eingespeist. Auf diese Weise ist der in der Figur dargestellte Zustand entstanden, daß im FIFO 2 keine Akkumuliereradresse enthalten ist. Mit jedem Einlesen eines Signals werden die bereits in den FIFOs befind­ lichen Signale zusammen mit den Adressen ein Register weiter geschoben und es werden die entsprechenden Additionen durchgeführt, d. h. ein eingelesenes Signal des Kanals wird mit dem ein Meßzeitpunkt zuvor aufge­ nommenen vierfachen Signal des gleichen Kanals im Addierer 1 addiert, das Ergebnis der Addition wird mit dem zwei Meßzeitpunkte zuvor aufgenommenen Signal des gleichen Kanals im Addierer 2 addiert und das Ergebnis einer solchen Zweifachaddition wird aufgrund der mitge­ schobenen Kanaladresse zum Registerinhalt des adres­ sierten Akkumulierers addiert.

Das Verfahren, geeignet mitgeschobene Adressen einzu­ setzen, hat den Vorteil, daß der kontinuierliche Signalfluß in der Integratorschaltung Störungen vermeidet, die durch sonst notwendige Umschaltvorgänge entstehen können.

Des weiteres sind zwei elektronische Lupen 14 und 15 dargestellt, die insbesondere bei Langzeitintegrationen zur steuerbaren Auskopplung relevanter Teile eines integrierten Signals, wie beispielsweise eines durch Glimmeffekte erzeugten sägezahnförmigen Signals, dienen. Die Lupenwirkung entsteht durch einen frei programmierbaren Abgriff des Ausgangssignals mit vorge­ gebener Wortlänge an einem Akkumulierer, der mit einer größeren als der des Ausgangssignals arbeitet.

Claims (6)

1. Mehrkanal-Signalintegrator für die numerische Echtzeitintegration von aus verschiedenen Kanälen stammenden, von äquidistant abgetasteten Signalen erhaltenen, digitalisierten Abtastwerten nach dem Kepler-Algorithmus, gekennzeichnet durch
zwei in Serie geschaltete FIFOs (2, 3), deren jeweilige Speichertiefe mit der Anzahl der Kanäle übereinstimmt,
einen ersten Addierer (5), der die am Eingang zum ersten der beiden FIFOs (2) anliegenden Signale mit dem Vierfachen der am Ausgang dieses FIFOs (2) anliegenden Signale addiert,
einen zweiten Addierer (9), der die Ergebnisse des ersten Addierers (5) mit den am Ausgang des zweiten der beiden FIFOs (3) anliegenden Signalen addiert sowie mit einer mit der Anzahl der Signalquellen übereinstimmende Anzahl von Akkumulierern (12, 13), die die Ergebnisse des zweiten Addierers (9) nach Kanälen getrennt so zu ihren Registerinhalten addieren, daß die Integrationsergebnisse in den Registern vorliegen.

2. Mehrkanal-Signalintegrator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein drittes vorangeschaltetes FIFO (1), dessen Speichertiefe mit der Anzahl der Kanäle überein­ stimmt.

3. Mehrkanal-Signalintegrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei binären Abtastwerten der hinter dem Ausgang des ersten der beiden FIFOs (2) liegende Anschluß des ersten Addierers (5) um zwei Bit in Richtung MSB verschoben angeordnet ist.

4. Arbeitsverfahren einer Schaltungsanordnung zur numerischen Echtzeitintegration nach dem Kepler- Algorithmus von aus verschiedenen Kanälen stammenden, von äquidistant abgetasteten Signalen erhaltenen, digitalisierten Abtastwerten, dadurch gekennzeichnet,
daß die zu einem Abtastpunkt registrierten Abtastwerte der Signale gemäß einer konstanten Reihenfolge seriell in eine Auswertervorrichtung eingelesen werden, daß gemäß dieser Reihenfolge ein eingelesener Abtastwert mit dem im gleichen Kanal einen Abtastpunkt zuvor registrierten, vierfachen Abtastwert addiert wird, daß das Ergebnis der Addition mit dem zwei Abtastpunkte zuvor im gleichen Kanal registrierten Abtastwert addiert wird,
daß jedes in Bezug auf die Kanäle zweite Ergebnis einer solchen Zweifachaddition nach Kanälen getrennt addiert wird zum Inhalt des Registers, das für den betroffenen Kanal vorgesehen ist.

5. Arbeitsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit einem Signal eine kanalbezogene Akkumulieradresse in die Auswertevorrichtung eingelesen wird, daß die Akkumulieradresse so durch die Auswertevorrichtung geschoben wird, daß mit jedem in Bezug auf Kanäle zweiten Ergebnis der zweiten Zweifachaddition ein durch die Adresse angesprochener Akkumulator das Ergebnis zu seinem Registerinhalt addiert.

6. Arbeitsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur zu jedem zweiten Abtastzeitpunkt Adressen eingespeist werden und dadurch in Bezug auf Kanäle nur jedes zweite Ergebnis einer Zweifachaddition in das Register des angesprochenen Akkumulators gelangt.