JP2004069350A

JP2004069350A - Measuring instrument

Info

Publication number: JP2004069350A
Application number: JP2002225721A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Shimakata; 島方　哲也
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: JP4290940B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring instrument which can output stable operation results, and a measuring apparatus which can follow sudden change of input data quickly. <P>SOLUTION: A ring buffer 13 stores sampled values obtained by a sampling part 12, in a field which a storing pointer shows. A control unit 16 outputs indication to an arithmetic operation part 14 so that arithmetic average may be performed to sampled values stored in fields, until sampled values are stored in all fields of the ring buffer 13. When sampled values are stored in all fields of the ring buffer 13, the control unit 16 outputs indication to the arithmetic operation part 14 so that regular moving average processing may be performed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの入力データを周期的にサンプリングして演算を実施する計測器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、計測器では、入力の脈動の影響を抑えるために、周期的にサンプリングした入力データをリングバッファに格納して、このリングバッファに格納されたサンプル値に移動平均を行っている。この移動平均とは、時間とともに変動する観測値の偶然変動を取り除き、一定期間ごとにずらして平均をとることである。例えば、入力信号系列をｘ（ｎＴ）とすると、この入力信号系列ｘ（ｎＴ）から順にＮ点（Ｎを「移動平均回数」という）を取り出し、それらを加算して、その結果をＮで割ると、入力信号系列ｘ（ｎＴ）の移動平均である出力系列ｙ（ｎＴ）を得る。ここで、Ｎ＝５とすると、入力信号を順に５点加算し、それを５で割ることによって、式（１）に示すような出力系列ｙ（ｎＴ）が得られる。
ｙ（ｎＴ）＝［ｘ（ｎＴ）＋ｘ（（ｎ−１）Ｔ）＋ｘ（（ｎ−２）Ｔ）＋ｘ（（ｎ−３）Ｔ）＋ｘ（（ｎ−４）Ｔ）］／５　　…（１）
出力系列ｙ（ｎＴ）の次の時点の移動平均である出力系列ｙ（（ｎ＋１）Ｔ）は、式（２）に示すように、出力系列ｙ（ｎＴ）における最も古い時点の入力信号ｘ（（ｎ−４）Ｔ）を最新の入力信号ｘ（（ｎ＋１）Ｔ）に置き換えて、平均をとる。
ｙ（（ｎ＋１）Ｔ）＝［ｘ（（ｎ＋１）Ｔ）＋ｘ（ｎＴ）＋ｘ（（ｎ−１）Ｔ）＋ｘ（（ｎ−２）Ｔ）＋ｘ（（ｎ−３）Ｔ）］／５　　…（２）
このように、移動平均は、所定の周期Ｔごとに最古の入力信号を最新の入力信号に順次置き換えながら平均をとる。
【０００３】
このような移動平均を用いる計測器においては、通常、スタートアップ時にリングバッファの全てのフィールドを初回サンプル値で埋める方式がよく使われている。ここで、リングバッファのフィールドの数は、上述したＮに対応する。
図１１（ａ）は、従来のデジタル計測器の構成を示すブロック図、図１１（ｂ）は、リングバッファの構成を示す概略図である。
従来のデジタル計測器２１は、外部から入力されるアナログ計測値からなる入力データをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部２２と、このＡ／Ｄ変換部２２から出力されるデジタルデータから所定の周期でサンプリングを行いサンプル値を取得するサンプリング部２３と、このサンプリング部２３が取得したサンプル値を格納するリングバッファ２４と、このリングバッファ２４に格納されているサンプル値に移動平均を行う演算処理部２５と、この演算処理部２５から出力される値に所定の演算を行う演算部２６とから構成される。
【０００４】
ここで、リングバッファ２４は、図１１（ｂ）に示すように、サンプリング部２３から入力されるサンプル値を格納する複数のフィールドを備え、サンプリング部２３から入力されるサンプル値は、格納ポインタが示すアドレスのフィールドに格納される。それぞれのフィールドには、サンプル値を格納する順番にアドレスが付与されている。格納ポインタは、サンプル値がフィールドに格納されると、アドレスの順番にしたがって、次にサンプル値を格納するアドレスのフィールドに移動する。
【０００５】
次に、従来のデジタル計測器の動作について、図１１および図１２を用いて説明する。図１１（ｃ）は、リングバッファにサンプルが格納された状態を示す概略図、図１２は、従来のデジタル計測器の動作を示すフローチャートである。
計測を開始すると、まず、サンプリング部２３は、前回の計測時にリングバッファ２４に格納したサンプル値を全て消去する（ステップＳ１２０１）。リングバッファ２４がクリアされると（ステップＳ１２０２：ＹＥＳ）、サンプリング部２３は、Ａ／Ｄ変換部２２から入力されるデジタルデータからサンプル値を取得する（ステップＳ１２０３）。
【０００６】
ステップＳ１２０３で取得したサンプル値は、リングバッファ２４に格納する最初のサンプル値（初回サンプル値）である（ステップＳ１２０４：ＹＥＳ）。よって、リングバッファ２４は、図１１（ｃ）に示すように、リングバッファ２４の全てのフィールドに初回サンプル値を格納する（ステップＳ１２０８）。
【０００７】
演算処理部２５は、リングバッファ２４に格納されたサンプル値に移動平均を行う（ステップＳ１２０６）。初回サンプル値の場合は、リングバッファ２４に格納されているのは初回サンプル値だけなので、移動平均は、初回サンプル値となる。
演算部２６は、演算処理部２５から出力される値に所定の演算を行い、この演算結果を出力データとして外部に出力する（ステップＳ１２０７）。演算が終了すると、サンプリング部２３は、再びステップＳ１２０２に戻り、Ａ／Ｄ変換部２２から入力されるデジタルデータのサンプルタイミング待ち状態に移行する。
【０００８】
２回目以降のサンプリングの場合、前回のサンプリングから所定の期間が経過すると（ステップＳ１２０２：ＹＥＳ）、サンプリング部２３は、Ａ／Ｄ変換部２２から入力されるデジタルデータを取得する（ステップＳ１２０３）。
【０００９】
２回目以降のサンプリングの場合（ステップＳ１２０４：ＮＯ）、リングバッファ２４は、図１１（ｂ）に示すように、リングバッファ２４の格納ポインタが示すアドレスのフィールドにサンプル値を格納する（ステップＳ１２０５）。格納ポインタは、サンプル値がフィールドに格納されると、アドレスの順番にしたがって、次にサンプル値を格納するアドレスのフィールドに移動する。このように格納ポインタがアドレスの順番にしたがってフィールドを順次、移動することにより、リングバッファ２４は、既に格納している初回サンプル値を、順次最新のサンプル値に置き換えてゆく。従来のデジタル計測器においては、図１１（ｃ）に示すようにフィールドがｎ個あるとすると、初回からｎ回目のサンプリングを行うと、全てのフィールドにそれぞれ異なる時点のサンプル値が格納されるようになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、計測器におけるスタートアップ時の入力データは、往々にして不安定である。上述した従来のデジタル計測器では、初回サンプル値でリングバッファ２４の全てのフィールドを埋めてしまう。このため、従来のデジタル計測器では、初回サンプル値が不安定な入力データから得られたサンプル値（異常値）であると、図１１（ｃ）に示すように、リングバッファ２４の全てのフィールド分のサンプリングが終了するまで異常値の影響が残ってしまうという問題があった。
また、スタートアップ時の入力データが時間と共に一定の割合で増加するランプ状であった場合にも、従来のデジタル計測器では、入力データの変化に迅速に追従できないという問題があった。つまり、移動平均処理は、脈動を除くために複数の異なる時点の入力データの平均をとる。このため、移動平均処理は、入力データの変化に対して迅速に追従することができない。
さらには、入力データが階段状に変化するステップ状であった場合にも、従来のデジタル計測器では、入力データがランプ状の場合と同様、入力データの変化に迅速に追従できないという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、安定した演算結果を出力することができる計測器を提供することを目的とする。また、本発明は、入力データの急変に迅速に追従できる測定器を提供することを目的にする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために本発明にかかる計測器は、外部から入力されるデータから周期的にサンプル値を取得するサンプリング手段と、複数のフィールドを備え、サンプリング手段により取得されるサンプル値をフィールドに順次、循環して格納するリングバッファと、リングバッファの全てのフィールドがサンプル値を有する場合は、リングバッファに格納された複数のサンプル値のうち最近のサンプル値を含む所定数のサンプル値に対して平均を求め、リングバッファの少なくとも１つのフィールドがサンプル値を有しない場合は、リングバッファに格納されているサンプル値の平均を求める演算処理手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
上記デジタル計測器において、サンプリング手段がサンプル値を取得すると、この取得されたサンプル値と、このサンプル値の直前に取得されたサンプル値との差を算出し、この差の値が所定の閾値を超えると、リングバッファに既に格納されている全てのサンプル値を消去する制御手段をさらに備えるようにしてもよい。
【００１４】
他の形態の計測器は、外部から入力されるデータから周期的にサンプル値を取得するサンプリング手段と、複数のフィールドを備え、前記サンプリング手段により取得されるサンプル値を前記フィールドに順次、循環して格納するリングバッファと、前記サンプリング手段がサンプル値を取得すると、この取得されたサンプル値と、このサンプル値の直前に取得されたサンプル値との差を算出し、この差の値が所定の閾値を超えると、前記リングバッファに既に格納されている全てのサンプル値を消去する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
次に、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態にかかるデジタル計測器の構成を示すブロック図、図１（ｂ）は、リングバッファ１３に格納されるデータの構成を示す概略図である。
図１（ａ）において、デジタル計測器１は、Ａ／Ｄ変換部１１と、サンプリング部１２と、リングバッファ１３と、演算処理部１４と、演算部１５と、制御部１６とから構成される。これらの構成要素は、例えばＣＰＵ、メモリ等のハードウェアとソフトウェアが協働することにより実現することができる。
【００１６】
Ａ／Ｄ変換部１１は、図示しないセンサ等から入力されるアナログデータをデジタルデータに変換して、サンプリング部１２に出力する。
サンプリング部１２は、Ａ／Ｄ変換部１１から出力されたデジタルデータから、周期的にサンプル値を取得する。そして、取得したサンプル値をリングバッファ１３に出力する。なお、サンプリング部１２がサンプリングする周期は、後述する制御部１６により適宜自由に設定することができる。
【００１７】
リングバッファ１３は、図１１（ｂ）を用いて説明した従来のリングバッファ１３と同等の構成を有し、サンプリング部１２から入力されるサンプル値を格納する複数のフィールドと、それぞれのフィールドを識別するアドレスと、サンプリング部１２から入力されるサンプル値を格納するフィールドのアドレスを示す格納ポインタとを少なくとも備える。それぞれのフィールドには、サンプル値を格納する順番にアドレスが付与されている。リングバッファ１３の格納ポインタが示すアドレスのフィールドには、サンプリング部１２から入力されるサンプル値が格納される。格納ポインタは、サンプル値がフィールドに格納されるたびに、アドレスの順番にしたがってインクリメントされ、次にサンプル値を格納するフィールドを順次、移動させる。格納ポインタは、複数のフィールドの最終のアドレスまでインクリメントすると、その次には先頭のアドレスに戻る。なお、フィールドの数は、適宜自由に設定することができる。
【００１８】
このようなリングバッファ１３において、サンプリング部１２から入力されるサンプル値は、格納ポインタが示す１つのフィールドに格納される。このとき、リングバッファ１３のいずれのフィールドにもサンプル値が格納されていない場合、リングバッファ１３は、格納ポインタが示す先頭のアドレスのフィールドにサンプル値を格納する。
例えば、図１（ｂ）に示すようにフィールドがｎ個あるとすると、初回サンプルからｎ回目サンプルまでは、１つずつサンプル値を順次フィールドに格納する。（ｎ＋１）回目のサンプリング以降、つまり全てのフィールドにサンプル値が格納された場合、次回のサンプル値は、先頭のアドレスのフィールド、つまり一番古いサンプル値が格納されたフィールドに格納され、一番古いサンプル値と置き換えられる。このように、格納ポインタがフィールドを循環することにより、リングバッファ１３は、一番古いサンプル値を最新のサンプル値に順次置き換えていく。
【００１９】
演算処理部１４は、後述する制御部１６の指示に基づいて、リングバッファ１３に格納されているサンプル値に、単純平均または移動平均のどちらかの処理を行い、この処理結果を測定値として演算部１５に出力する。ここで、単純平均とは、例えばｎ個のデータがあるとすると、ｎ個のデータの和をｎで割ったときに得られる商のことを意味する。
【００２０】
リングバッファ１３の少なくとも１つのフィールドがサンプル値を有しない場合、演算処理部１４は、リングバッファ１３に格納されているサンプル値に単純平均を行う。つまり、フィールドの数をｎとすると、初回サンプリングから（ｎ−１）回目のサンプリングまでは、初回サンプル値から（ｎ−１）回目サンプル値までに単純平均を行い、この結果を測定値として演算部１５に出力する。
一方、リングバッファ１３の全てのフィールドがサンプル値を有する場合、演算処理部１４は、通常の移動平均を行う。つまり、図１（ｂ）に示すように、ｎ回目のサンプリング以降は、通常の移動平均を行い、この結果を測定値として演算部１５に出力する。
このような構成にすることにより、本実施の形態では、入力データの変化に迅速に追従することができる。
【００２１】
演算部１５は、演算処理部１４から入力される測定値に、例えば入力レンジング演算、出力スケーリング演算または温度補正演算などの所定の演算を行い、演算結果を出力データとして外部に出力する。
【００２２】
制御部１６は、リングバッファ１３のサンプル値を有するフィールドの数に基づいて、リングバッファ１３に格納されているサンプル値に単純平均または移動平均を行うか選択する。
【００２３】
次に、第１の実施の形態にかかるデジタル計測器の動作について、図１および図２を参照して説明する。図２は、第１の実施の形態にかかるデジタル計測器の動作を示すフローチャートである。
デジタル計測器１が計測を開始すると、まず、サンプリング部１２は、前回の計測時にリングバッファ１３に格納したサンプル値を全て消去する（ステップＳ２０１）。リングバッファ１３がクリアされると（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、サンプリング部１２は、Ａ／Ｄ変換部１１から入力されるデジタルデータからサンプル値を１つ取得し（ステップＳ２０３）、このサンプル値をリングバッファ１３に出力する。
【００２４】
リングバッファ１３は、サンプリング部１２から入力されたサンプル値を、格納ポインタが示すフィールドに格納する（ステップＳ２０４）。なお、格納ポインタは、１つのサンプル値に対し、１つのフィールドを指定する。これにともない、サンプリング部１２から出力される１つのサンプル値は、リングバッファ１３の１つのフィールドに格納される。
【００２５】
初回のサンプリングでは、当然、リングバッファ１３の１つのフィールドにしかサンプル値が格納されていない（ステップＳ２０５：ＮＯ）。この場合、演算処理部１４は、制御部１６の指示に基づいて、リングバッファ１３に格納されているサンプル値に単純平均を行う。だが、図１（ｂ）に示すように、リングバッファ１３には初回サンプル値しか格納されていないので、演算処理部１４は、初回サンプル値を測定値として演算部１５に出力する（ステップＳ２０８）。
【００２６】
演算部１５は、演算処理部１４から入力された測定値に所定の演算を行い、この演算結果を出力データとして外部に出力する（ステップＳ２０７）。この演算が終了すると、再びステップＳ２０２に戻る。
【００２７】
２回目以降のサンプリングの場合、前回のサンプリングから所定の期間が経過すると（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、サンプリング部１２は、Ａ／Ｄ変換部１１から入力されるデジタルデータからサンプル値を取得する（ステップＳ２０３）。リングバッファ１３は、サンプリング部１２が取得したサンプル値を、格納ポインタが示すフィールドに格納する（ステップＳ２０４）。
【００２８】
格納ポインタは、図１１（ｂ）を参照して前述したように、サンプル値がフィールドに格納されると、アドレスの順番にしたがって、次にサンプル値を格納するアドレスのフィールドに移動する。このため、図１（ｂ）に示すように、リングバッファ１３にフィールドがｎ個あるとすると、リングバッファ１３のサンプル値が格納されるフィールドは、２回目からｎ回目のサンプリングまでは、毎回、１つずつ増加する。（ｎ＋１）回目以降のサンプリングでは、全てのフィールドにサンプル値が格納されているので、リングバッファ１３は、既に格納してあるサンプル値の中で最古のサンプル値を、最新のサンプル値に置き換えていく。
【００２９】
制御部１６は、リングバッファ１３のサンプル値が格納されているフィールドの数に応じて、リングバッファ１３に格納されているサンプル値に単純平均または移動平均を行うかの指示を演算処理部１４に出す。
フィールドの数をｎ個とすると、（ｎ−１）回目のサンプリングまでは、リングバッファ１３のフィールドの中に、サンプル値が格納されていないフィールドが少なくとも１つ存在する（ステップＳ２０５：ＮＯ）。このため、演算処理部１４は、制御部１６の指示に基づいて単純平均処理、つまりリングバッファ１３に格納されているサンプル値に単純平均を行い、この結果を測定値として演算部１５に出力する（ステップＳ２０８）。
ｎ回目以降のサンプリングでは、リングバッファ１３の全てのフィールドにサンプル値が格納されている（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）。このため、演算処理部１４は、制御部１６の指示に基づいて通常の移動平均処理、つまり全てのフィールドに格納されたサンプル値に移動平均を行い、この結果を測定値として演算部１５に出力する（ステップＳ２０６）。
【００３０】
演算部１５は、演算処理部１４から入力された測定値に所定の演算を行い、この演算結果を出力データとして外部に出力する（ステップＳ２０７）。この演算が終了すると、再びステップＳ２０２に戻り、第１の実施の形態にかかるデジタル計測器は、上述した各処理を連続的に行っていく。
この結果、第１の実施の形態では、１回のサンプリングにつき１つのフィールドにサンプル値が格納されるため、算出する測定値における初回のサンプル値の影響が小さくなる。したがって、第１の実施の形態にかかるデジタル計測器は、初回サンプル値が不安定な入力データであっても、そのようなデータの影響を抑えることができるので、安定した演算結果を出力することができる。
【００３１】
次に、図３と図４を参照して、移動平均回数が１０回、初回のサンプル値が１０（異常値）、２回目以降のサンプル値が５という入力データが定常値であるという条件で、第１の実施の形態にかかるデジタル計測器と従来のデジタル計測器との計測結果のシミュレーション結果を比較する。図３（ａ）は、初回のサンプル値が異常値である場合に第１の実施の形態にかかるデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図、図３（ｂ）は、初回のサンプル値が異常値である場合に従来のデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図、図４は、初回のサンプル値が異常値である場合の第１の実施の形態にかかるデジタル計測器と従来のデジタル計測器の測定値の結果を示すグラフである。
【００３２】
第１の実施の形態にかかるデジタル計測器は、図３（ａ）に示すように、１回のサンプリングにつき１つのフィールドにサンプル値を格納する。したがって、初回サンプル値が異常値の場合にも、この異常値は１つのフィールドにしか格納されない。このため、第１の実施の形態では、サンプリングの初期の段階での測定値に対する初回のサンプル値の影響を小さくして、測定値を早期に理想値に近づけることができる。
【００３３】
一方、従来のデジタル計測器は、図３（ｂ）に示すように、初回サンプリングの際に全てのフィールドに初回のサンプル値を格納する。初回のサンプル値は、１回のサンプリングにつき１つずつしか最新のサンプル値と置き換えられない。このため、従来のデジタル計測器では、サンプリングの初期の段階での測定値に現れる初回のサンプル値の影響が大きい。
【００３４】
図４は、第１の実施の形態による測定値が、従来のデジタル計測器による測定値に比べて、理想値へ迅速に追従することを示している。特に、初期のサンプリング時における測定値と理想値との差は、第１の実施の形態が従来のデジタル計測器より格段に小さい。このことからも明らかなように、第１の実施の形態は、計測初期の不安定な入力データの影響を抑えることができるので、安定した演算結果を出力することができる。
【００３５】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態は、初期の不安定な入力データの影響を抑えることができる。しかし、ランプ入力やステップ入力などのように、入力データが初回のサンプル値以外に途中から変化する場合、第１の実施の形態は、従来のデジタル計測器と比較して飛躍的に入力データの変化に追従することができるとは言い難い。これは、第１の実施の形態は、入力データが変化する前、つまり既にリングバッファに格納されているサンプル値を用いて測定値を算出するからである。
そこで、第２の実施の形態は、入力データの変化に迅速に追従するために、第１の実施の形態の制御部１６に以下に示す新たな機能を追加した。なお、第２の実施の形態は、第１の実施の形態とほぼ同等の構成を成すので、同等の構成要素には同じ符号および名称を付し、適宜説明を省略する。
【００３６】
制御部１６は、サンプリング部１２がサンプル値を取得すると、この取得したサンプル値とリングバッファ１３に既に格納されている前回のサンプル値との差分を算出する。この算出した差分が所定の閾値を超えると、制御部１６は、リングバッファ１３に既に格納されているサンプル値を全て削除し、リングバッファ１３の格納ポインタの位置を、リングバッファ１３の先頭のアドレスのフィールドに移動させる。そして、サンプリング部１２は、取得したサンプル値を、リングバッファ１３に出力する。リングバッファ１３は、サンプリング部１２から入力されたサンプル値を、格納ポインタが示すフィールドに格納する。
なお、閾値は、必要に応じて自由に変更することができる。
【００３７】
次に、第２の実施の形態にかかるデジタル計測器の動作について、図５を参照して説明する。図５は、第２の実施の形態にかかるデジタル計測器の動作を示すフローチャートである。
第２の実施の形態にかかるデジタル計測器が計測を開始すると、まず、サンプリング部１２は、前回の計測時にリングバッファ１３に格納したサンプル値を全て消去する（ステップＳ５０１）。リングバッファ１３がクリアされると（ステップＳ５０２：ＹＥＳ）、サンプリング部１２は、Ａ／Ｄ変換部１１から入力されるデジタルデータから初回のサンプル値を１つ取得し（ステップＳ５０３）、このサンプル値をリングバッファ１３に出力する。
【００３８】
初回のサンプリングでは、当然、リングバッファ１３にはサンプル値が１つも格納されていない。このため、制御部１６は、初回のサンプル値と閾値とを比較する（ステップＳ５０４）。だが、初回のサンプル値は、閾値を超えていてもいなくても、結局は格納ポインタが示すフィールドに格納される（ステップＳ５０５）。
【００３９】
初回のサンプリングでは、リングバッファ１３には、１つのフィールドにしかサンプル値が格納されていない（ステップＳ５０６：ＮＯ）。演算処理部１４は、制御部１６の指示に基づいて、リングバッファ１３に格納されているサンプル値に単純平均を行うが（ステップＳ５１０）、リングバッファ１３には初回サンプル値しか格納されていないので、図１（ｂ）に示すように、初回サンプル値を測定値として演算部１５に出力する。
【００４０】
演算部１５は、演算処理部１４から入力された測定値に所定の演算を行い、この演算結果を出力データとして外部に出力する（ステップＳ５０８）。この演算が終了すると、再びステップＳ５０２に戻る。
【００４１】
２回目以降のサンプリングの場合、前回のサンプリングから所定の期間が経過すると（ステップＳ５０２：ＹＥＳ）、サンプリング部１２は、Ａ／Ｄ変換部１１から入力されるデジタルデータからサンプル値（最新のサンプル値）を取得する（ステップＳ５０３）。
制御部１６は、最新のサンプル値と、リングバッファ１３に既に格納されている前回に取得したサンプル値（前回のサンプル値）との差分を算出し、この差分と所定の閾値とを比較する（ステップＳ５０４）。この際、前回のサンプル値は、制御部１６が、リングバッファ１３から読み出す。
【００４２】
差分が所定の閾値を超えている場合（ステップＳ５０４：ＹＥＳ）、制御部１６は、リングバッファ１３に既に格納されているサンプル値を全て削除し、リングバッファ１３の格納ポインタの位置をリングバッファ１３の先頭のアドレスのフィールドに移動させる（ステップＳ５０９）。リングバッファ１３は、格納ポインタが示す先頭のアドレスのフィールドに、最新のサンプル値を格納する（ステップＳ５０５）。
差分が所定の閾値を超えている場合は、初回のサンプリングの場合と同様、リングバッファ１３には、サンプル値が１つしか格納されていない（ステップＳ５０６：ＮＯ）。演算処理部１４は、制御部１６の指示に基づいて、リングバッファ１３に格納されているサンプル値に単純平均を行うが（ステップＳ５１０）、リングバッファ１３には最新のサンプル値しか格納されていないので、この最新のサンプル値を測定値として演算部１５に出力する。
【００４３】
算出した差分が所定の閾値を超えていない場合（ステップＳ５０４：ＮＯ）、リングバッファ１３は、格納ポインタが示すアドレスのフィールド、つまり、前回のサンプル値の隣のアドレスのフィールドに、最新のサンプル値を格納する（ステップＳ５０５）。
リングバッファ１３の全てのフィールドにサンプル値が格納されると（ステップＳ５０６：ＹＥＳ）、演算処理部１４は、制御部１６の指示に基づいて通常の移動平均処理、つまり全てのフィールドに格納されたサンプル値に移動平均を行い、この結果を測定値として演算部１５に出力する（ステップＳ５０７）。
リングバッファ１３にサンプル値が格納されていないフィールドが少なくとも１つあると（ステップＳ５０６：ＮＯ）、演算処理部１４は、制御部１６の指示に基づいてリングバッファ１３に格納されているサンプル値に単純平均を行い、この結果を測定値として演算部１５に出力する（ステップＳ５１０）。
【００４４】
演算部１５は、演算処理部１４から入力された測定値に所定の演算を行い、この演算結果を出力データとして外部に出力する（ステップＳ５０８）。この演算が終了すると、再びステップＳ５０２に戻り、第２の実施の形態にかかるデジタル計測器は、上述した各処理を連続的に行っていく。
この結果、第２の実施の形態では、サンプル値が閾値を超えると、リングバッファ１３がクリアされるので、入力データが急激に変化する場合に、その変化に迅速に追従することができる。したがって、第２の実施の形態では、入力データが定常状態のときは安定した演算結果を、入力データが急激に変化したときは入力に迅速に追従した演算結果を出力することができる。
【００４５】
次に、図６と図７を参照して、移動平均回数が１０、閾値が０．５、初回のサンプル値が１、２回目サンプル値以降が初回のサンプル値から１ずつ増えていくランプ入力という条件で、第２の実施の形態にかかるデジタル計測器と従来のデジタル計測器との計測結果のシミュレーション結果を比較する。図６（ａ）は、外部からの入力データがランプ入力である場合に第２の実施の形態にかかるデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図、図６（ｂ）は、外部からの入力データがランプ入力である場合に従来のデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図、図７は、外部からの入力データがランプ入力である場合の第２の実施の形態にかかるデジタル計測器と従来のデジタル計測器の測定値の結果を示すグラフである。
【００４６】
第２の実施の形態にかかるデジタル計測器のリングバッファには、図６（ａ）に示すように、先頭のアドレスのみにサンプル値が格納される。これは、第２の実施の形態は、最新のサンプル値と前回のサンプル値との差分が常に閾値を超えるので、制御部１６が、サンプリング部１２が最新のサンプル値を取得するごとに、リングバッファ１３をクリアするからである。したがって、リングバッファ１３には、先頭のアドレスのフィールドにのみサンプル値が格納される、つまり最新のサンプル値のみが格納される。これにより、第２の実施の形態では、入力データの変化に迅速に追従することができる。
【００４７】
一方、従来のデジタル計測器のリングバッファには、図６（ｂ）に示すように、初回サンプリングの際に全てのフィールドに初回のサンプル値を格納する。従来のデジタル計測器は、入力データがランプ入力の場合にも、初回のサンプリングの際に全てのフィールドを初回のサンプル値で埋めてしまうため、測定値が初回のサンプル値の影響を大きく受ける。
【００４８】
図７は、第２の実施の形態による測定値が、従来のデジタル計測器の測定値に比べて、理想値の変化に迅速に追従することを示している。従来のデジタル計測器の移動平均値は、サンプリング回数を増やしても、理想値との差が大きいが、第２の実施の形態の移動平均値は、理想値と同じ値をとる。このことからも明らかなように、第２の実施の形態は、入力データが定常状態のときは安定した演算結果を、入力データが急激に変化したときは入力に迅速に追従した演算結果を出力することができる。
【００４９】
次に、同じランプ入力に対して第２の実施の形態にかかるデジタル計測器と第１の実施の形態にかかるデジタル計測器についても比較する。図８（ａ）は、外部からの入力データがランプ入力である場合に第１の実施の形態にかかるデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図、図８（ｂ）は、外部からの入力データがランプ入力である場合の第２の実施の形態にかかるデジタル計測器と第１の実施の形態にかかるデジタル計測器の測定結果を示すグラフである。
【００５０】
第１の実施の形態にかかるデジタル計測器のリングバッファには、図８（ａ）に示すように、１回のサンプリングにつき１つのフィールドにサンプル値が格納される。このため、第１の実施の形態において算出される測定値は、リングバッファ１３に既に格納されているサンプル値の影響を受ける。したがって、第１の実施の形態は、入力データがランプ入力のような所定の値ずつ増加する場合、第２の実施の形態と比較すると、入力データの変化に迅速に追従することができない。
【００５１】
図８（ｂ）は、第２の実施の形態による測定値が、第１の実施の形態による測定値に比べて、理想値の変化に迅速に追従することを示している。第２の実施の形態が算出する測定値は、理想値と同じ値をとる。これに対して第１の実施の形態が算出する測定値は、ランプ入力のように入力データが所定の値ずつ変化すると、サンプリング回数を増やしても理想値との差が大きく、入力データの変化に迅速に追従することができない。このことからも明らかなように、第２の実施の形態は、入力データが定常状態のときは安定した演算結果を、入力データが急激に変化したときは入力に迅速に追従した演算結果を出力することができる。
【００５２】
次に、図９と図１０を参照して、第２の実施の形態にかかるデジタル計測器と従来のデジタル計測器との計測結果のシミュレーション結果について比較する。なお、動作条件は、移動平均回数が１０、定常サンプル値が１、ステップ入力サンプル値が１０、閾値が５、１５回目のサンプリングからサンプル値がステップ入力サンプル値に変化するものとする。図９（ａ）は、外部からの入力データがステップ入力である場合に第２の実施の形態にかかるデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図、図９（ｂ）は、外部からの入力データがステップ入力である場合に従来のデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図、図１０は、外部からの入力データがステップ入力の場合の第２の実施の形態にかかるデジタル計測器と従来のデジタル計測器との測定値の結果を示すグラフである。
【００５３】
第２の実施の形態にかかるデジタル計測器のリングバッファには、図９（ａ）に示すように、最新のサンプル値と前回のサンプル値との差分が閾値を超えると、バッファをクリアして、先頭のアドレスのフィールドに最新のサンプル値が格納される。ここで、１５回目のサンプル値と１４回目のサンプル値との差分は、閾値を超える。このため、１４回目までのサンプル値は、全て消去される。そして、１５回目のサンプル値は、先頭のアドレスのフィールドに格納される。このような構成を有することにより、第２の実施の形態は、ステップ入力のような入力データの急激な変化にも迅速に追従することができる。
【００５４】
一方、従来のデジタル計測器のリングバッファには、図９（ｂ）に示すように、リングバッファ１３の全てのフィールドにサンプル値が格納されると、１回のサンプリングにつき１つずつ格納ポインタが示すフィールドのサンプル値と最新のサンプル値と置き換える。このため、従来のデジタル計測器では、ステップ入力のように入力データに急激な変化がある場合、この変化に迅速に追従することができない。
【００５５】
図１０は、第２の実施の形態にかかるデジタル計測器が算出する測定値が、従来のデジタル計測器が算出する測定値に比べて、理想値の変化に迅速に追従することを示している。第２の実施の形態が算出する測定値は、理想値と同じ値をとる。これに対して従来のデジタル計測器は、ステップ入力のように入力データが急激に変化すると、この変化に迅速に追従することができない。このことからも明らかなように、第２の実施の形態は、入力データが定常状態のときは安定した演算結果を、入力データが急激に変化したときは入力に迅速に追従した演算結果を出力することができる。
【００５６】
なお、第２の実施の形態において、制御部１６は、リングバッファ１３をクリアすると、格納ポインタを先頭のアドレスのフィールドに移動させるように説明したが、リングバッファ１３をクリアしても格納ポインタを移動させなくてもよい。格納ポインタは、サンプル値を格納するフィールド全てを所定の順序で循環する。このため、格納ポインタの位置は、サンプル値を格納するフィールドが特定できれば、リングバッファ１３をクリアした後も、リングバッファ１３のどのフィールドに存在していてもよい。例えば、任意のアドレスのフィールド、またはリングバッファをクリアしても移動させないなど、リングバッファ１３をクリアした後の格納ポインタの位置は、適宜自由に設定することができる。
【００５７】
また、第１および第２の実施の形態において、リングバッファ１３にサンプル値が格納されていない場合、サンプリング部１２が取得したサンプル値を、必ずしも先頭のアドレスのフィールドに格納しなくてもよい。格納ポインタは、サンプル値を格納するフィールド全てを所定の順序で循環する。このため、格納ポインタが示すアドレスのフィールドであるならば、リングバッファ１３にサンプル値が格納されていない場合でも、サンプル値を格納するフィールドは、適宜自由に設定することができる。
【００５８】
また、第１および第２の実施の形態において、外部から入力されるアナログデータをデジタルデータに変換し、このデジタルデータをサンプリングするように説明したが、サンプリングする手順はこれに限定されない。例えば、まずサンプリング部１２により外部から入力されるアナログデータからサンプル値を取得し、この取得したアナログデータをＡ／Ｄ変換部１１によりデジタルデータに変換するようにしてもよい。
【００５９】
また、第１および第２の実施の形態において、計測器としてデジタル計測器を適用して説明したが、本発明は、移動平均処理を行う計測器であれば各種計測器に適用することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したことからも明らかなように、本発明によれば、外部からの入力データを周期的にサンプリングする計測器において、リングバッファのフィールドに１つもサンプル値が格納されていないと、先頭のアドレスのフィールドのみにサンプル値を格納して、以下、サンプリング周期ごとに、得られたサンプル値を前回格納した次のアドレスのフィールドに順次格納していき、リングバッファの全てのフィールドにサンプル値が格納されるまでは、演算処理部がリングバッファに格納されているサンプル値に単純平均を行い、この結果を測定値とし、この測定値に所定の演算を行うことにより、計測初期の不安定な入力データの影響を抑えることができる。したがって、安定した演算結果を出力することができる。
【００６１】
また、サンプリング手段が取得したサンプル値と、このサンプル値の前回に得たサンプル値との差分を算出し、この差分が所定の閾値を超えると、リングバッファに格納されているサンプル値を全て消去する制御手段を備えることにより、スタートアップ時以外の入力データの急変にも迅速に追従することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態にかかるデジタル計測器の構成を示すブロック図、（ｂ）リングバッファ１３に格納されるデータの構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施の形態にかかるデジタル計測器の動作を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）初回のサンプル値が異常値である場合に第１の実施の形態にかかるデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図、（ｂ）初回のサンプル値が異常値である場合に従来のデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図である。
【図４】初回のサンプル値が異常値である場合の第１の実施の形態にかかるデジタル計測器と従来のデジタル計測器の測定値の結果を示すグラフである。
【図５】第２の実施の形態にかかるデジタル計測器の動作を示すフローチャートである。
【図６】（ａ）外部からの入力データがランプ入力である場合に第２の実施の形態にかかるデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図、（ｂ）外部からの入力データがランプ入力である場合に従来のデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図である。
【図７】外部からの入力データがランプ入力である場合の第２の実施の形態にかかるデジタル計測器と従来のデジタル計測器の測定値の結果を示すグラフである。
【図８】（ａ）外部からの入力データがランプ入力である場合の第１の実施の形態にかかるデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図、（ｂ）外部からの入力データがランプ入力である場合の第２の実施の形態にかかるデジタル計測器と第１の実施の形態にかかるデジタル計測器の測定値の結果を示すグラフである。
【図９】（ａ）外部からの入力データがステップ入力である場合に第２の実施の形態にかかるデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図、（ｂ）外部からの入力データがステップ入力である場合に従来のデジタル計測器のリングバッファに格納されるサンプル値の構成を示す概略図ある。
【図１０】外部からの入力データがステップ入力の場合の第２の実施の形態にかかるデジタル計測器と従来のデジタル計測器との測定値の結果を示すグラフである。
【図１１】（ａ）従来のデジタル計測器の構成を示すブロック図、（ｂ）リングバッファの構成を示す概略図、（ｃ）リングバッファにサンプルが格納された状態を示す概略図である。
【図１２】従来のデジタル計測器の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…デジタル計測器、１１…Ａ／Ｄ変換部、１２…サンプリング部、１３…リングバッファ、１４…演算処理部、１５…演算部、１６…制御部。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a measuring device that periodically samples input data from the outside and performs an operation.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to suppress the influence of input pulsation, a measuring instrument stores periodically sampled input data in a ring buffer, and performs a moving average on the sample values stored in the ring buffer. The moving average is to remove an accidental fluctuation of an observation value that fluctuates with time and to take an average by shifting every predetermined period. For example, if an input signal sequence is x (nT), N points (N is referred to as “moving average number”) are sequentially extracted from the input signal sequence x (nT), added, and the result is divided by N. And an output sequence y (nT) which is a moving average of the input signal sequence x (nT). Here, assuming that N = 5, the input signal is sequentially added to five points and divided by 5, thereby obtaining an output sequence y (nT) as shown in Expression (1).
y (nT) = [x (nT) + x ((n-1) T) + x ((n-2) T) + x ((n-3) T) + x ((n-4) T)] / 5 (1)
The output sequence y ((n + 1) T), which is the moving average at the next time point of the output sequence y (nT), is expressed by the equation (2), and the input signal x ( (N-4) T) is replaced with the latest input signal x ((n + 1) T), and an average is obtained.
y ((n + 1) T) = [x ((n + 1) T) + x (nT) + x ((n-1) T) + x ((n-2) T) + x ((n-3) T)] / 5 … (2)
As described above, the moving average is obtained by sequentially replacing the oldest input signal with the latest input signal at every predetermined period T.
[0003]
In a measuring instrument using such a moving average, a method of filling all fields of a ring buffer with initial sample values at startup is often used. Here, the number of fields in the ring buffer corresponds to N described above.
FIG. 11A is a block diagram showing a configuration of a conventional digital measuring instrument, and FIG. 11B is a schematic diagram showing a configuration of a ring buffer.
A conventional digital measuring device 21 includes an A / D conversion unit 22 that converts input data consisting of an analog measurement value input from the outside into digital data, and a predetermined digital data output from the A / D conversion unit 22. A sampling unit 23 that samples at periodic intervals to obtain sample values; a ring buffer 24 that stores the sample values obtained by the sampling unit 23; and an arithmetic process that performs a moving average on the sample values stored in the ring buffer 24 It comprises a unit 25 and an operation unit 26 for performing a predetermined operation on the value output from the operation processing unit 25.
[0004]
Here, as shown in FIG. 11B, the ring buffer 24 includes a plurality of fields for storing the sample values input from the sampling unit 23. It is stored in the field of the indicated address. Each field is assigned an address in the order in which the sample values are stored. When the sample value is stored in the field, the storage pointer moves to the field of the next address where the sample value is stored according to the order of the addresses.
[0005]
Next, the operation of the conventional digital measuring instrument will be described with reference to FIGS. FIG. 11C is a schematic diagram showing a state in which samples are stored in a ring buffer, and FIG. 12 is a flowchart showing an operation of a conventional digital measuring instrument.
When the measurement is started, first, the sampling unit 23 deletes all the sample values stored in the ring buffer 24 at the time of the previous measurement (step S1201). When the ring buffer 24 is cleared (step S1202: YES), the sampling unit 23 acquires a sample value from the digital data input from the A / D conversion unit 22 (step S1203).
[0006]
The sample value acquired in step S1203 is the first sample value (initial sample value) stored in the ring buffer 24 (step S1204: YES). Therefore, the ring buffer 24 stores the initial sample values in all the fields of the ring buffer 24 as shown in FIG. 11C (step S1208).
[0007]
The arithmetic processing unit 25 performs a moving average on the sample values stored in the ring buffer 24 (Step S1206). In the case of the first sample value, since only the first sample value is stored in the ring buffer 24, the moving average is the first sample value.
The calculation unit 26 performs a predetermined calculation on the value output from the calculation processing unit 25, and outputs the calculation result to the outside as output data (step S1207). Upon completion of the calculation, the sampling unit 23 returns to step S1202 again, and shifts to a state of waiting for sampling timing of digital data input from the A / D conversion unit 22.
[0008]
In the case of the second and subsequent samplings, when a predetermined period has elapsed since the previous sampling (step S1202: YES), the sampling unit 23 acquires digital data input from the A / D conversion unit 22 (step S1203).
[0009]
In the case of the second or subsequent sampling (step S1204: NO), the ring buffer 24 stores the sample value in the field of the address indicated by the storage pointer of the ring buffer 24 as shown in FIG. 11B (step S1205). . When the sample value is stored in the field, the storage pointer moves to the field of the next address where the sample value is stored according to the order of the addresses. As the storage pointer sequentially moves through the fields according to the order of the addresses, the ring buffer 24 sequentially replaces the already stored initial sample values with the latest sample values. In a conventional digital measuring instrument, assuming that there are n fields as shown in FIG. 11C, when the n-th sampling is performed from the first time, sample values at different points in time are stored in all fields. become.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, input data at startup of the instrument is often unstable. In the above-described conventional digital measuring instrument, all fields of the ring buffer 24 are filled with the initial sample values. For this reason, in the conventional digital measuring device, if the initial sample value is a sample value (abnormal value) obtained from unstable input data, as shown in FIG. There is a problem that the influence of the abnormal value remains until the sampling of the minute is completed.
Further, even when input data at the time of start-up has a ramp shape that increases at a fixed rate with time, there is a problem that a conventional digital measuring instrument cannot quickly follow a change in input data. That is, the moving average process averages a plurality of input data at different points in time to eliminate pulsation. Therefore, the moving average processing cannot quickly follow a change in input data.
Further, even when the input data has a step-like shape in which the input data changes in a step-like manner, the conventional digital measuring instrument has a problem that it cannot follow the change in the input data quickly as in the case where the input data has a ramp-like shape. Was.
[0011]
The present invention has been made to solve such a problem, and has as its object to provide a measuring instrument capable of outputting a stable calculation result. Another object of the present invention is to provide a measuring instrument that can quickly follow a sudden change in input data.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, a measuring instrument according to the present invention includes a sampling unit that periodically acquires a sample value from externally input data, and a plurality of fields, and a sample value that is acquired by the sampling unit. And a predetermined number of samples including the latest sample value among the plurality of sample values stored in the ring buffer when all the fields of the ring buffer have sample values. And an arithmetic processing means for calculating an average of the values and, when at least one field of the ring buffer does not have a sample value, calculating an average of the sample values stored in the ring buffer.
[0013]
In the digital measuring instrument, when the sampling means obtains a sample value, a difference between the obtained sample value and a sample value obtained immediately before the sample value is calculated, and the value of the difference is a predetermined threshold. If it exceeds, a control means for erasing all sample values already stored in the ring buffer may be further provided.
[0014]
Another form of the measuring device includes a sampling unit that periodically acquires a sample value from externally input data, and a plurality of fields, and sequentially circulates the sample value acquired by the sampling unit to the field. When the sampling buffer acquires the sample value, the difference between the acquired sample value and the sample value acquired immediately before the sample value is calculated, and the value of the difference is determined by a predetermined value. Control means for erasing all sample values already stored in the ring buffer when the threshold value is exceeded.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[First Embodiment]
Next, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1A is a block diagram illustrating a configuration of a digital measuring instrument according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a schematic diagram illustrating a configuration of data stored in a ring buffer 13. is there.
In FIG. 1A, the digital measuring device 1 includes an A / D converter 11, a sampling unit 12, a ring buffer 13, an arithmetic processing unit 14, an arithmetic unit 15, and a control unit 16. . These components can be realized by cooperation between hardware such as a CPU and a memory and software.
[0016]
The A / D converter 11 converts analog data input from a sensor or the like (not shown) into digital data and outputs the digital data to the sampling unit 12.
The sampling unit 12 periodically acquires a sample value from the digital data output from the A / D conversion unit 11. Then, the obtained sample value is output to the ring buffer 13. Note that the sampling cycle of the sampling unit 12 can be freely set as appropriate by the control unit 16 described later.
[0017]
The ring buffer 13 has the same configuration as the conventional ring buffer 13 described with reference to FIG. 11B, and identifies a plurality of fields for storing the sample values input from the sampling unit 12 and each field. And a storage pointer indicating an address of a field for storing a sample value input from the sampling unit 12. Each field is assigned an address in the order in which the sample values are stored. The sample value input from the sampling unit 12 is stored in the field of the address indicated by the storage pointer of the ring buffer 13. Each time a sample value is stored in a field, the storage pointer is incremented according to the order of addresses, and then the field for storing the next sample value is sequentially moved. When the storage pointer increments to the last address of the plurality of fields, it returns to the first address next. Note that the number of fields can be freely set as appropriate.
[0018]
In such a ring buffer 13, the sample value input from the sampling unit 12 is stored in one field indicated by the storage pointer. At this time, if no sample value is stored in any of the fields of the ring buffer 13, the ring buffer 13 stores the sample value in the field of the first address indicated by the storage pointer.
For example, if there are n fields as shown in FIG. 1 (b), sample values are sequentially stored in the field one by one from the first sample to the n-th sample. After the (n + 1) -th sampling, that is, when sample values are stored in all fields, the next sample value is stored in the field of the first address, that is, the field in which the oldest sample value is stored, Replaced by old sample values. In this way, the ring pointer 13 sequentially replaces the oldest sample value with the latest sample value as the storage pointer circulates through the fields.
[0019]
The arithmetic processing unit 14 performs either simple average or moving average processing on the sample values stored in the ring buffer 13 based on an instruction from the control unit 16 described later, and calculates the processing result as a measured value. Output to the unit 15. Here, the simple average means a quotient obtained when the sum of n data is divided by n, for example, when there are n data.
[0020]
If at least one field of the ring buffer 13 does not have a sample value, the arithmetic processing unit 14 performs a simple averaging on the sample values stored in the ring buffer 13. That is, assuming that the number of fields is n, from the first sampling to the (n-1) th sampling, a simple average is performed from the first sampling value to the (n-1) th sampling value, and the result is calculated as a measured value. Output to the unit 15.
On the other hand, when all the fields of the ring buffer 13 have sample values, the arithmetic processing unit 14 performs a normal moving average. That is, as shown in FIG. 1B, after the n-th sampling, a normal moving average is performed, and the result is output to the arithmetic unit 15 as a measured value.
With this configuration, in the present embodiment, it is possible to quickly follow a change in input data.
[0021]
The operation unit 15 performs a predetermined operation such as an input ranging operation, an output scaling operation, or a temperature correction operation on the measured value input from the operation processing unit 14, and outputs the operation result to the outside as output data.
[0022]
The control unit 16 selects whether to perform simple averaging or moving averaging on the sample values stored in the ring buffer 13 based on the number of fields having the sample values in the ring buffer 13.
[0023]
Next, the operation of the digital measuring instrument according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a flowchart illustrating the operation of the digital measuring device according to the first embodiment.
When the digital measuring instrument 1 starts measurement, first, the sampling unit 12 deletes all the sample values stored in the ring buffer 13 at the time of the previous measurement (Step S201). When the ring buffer 13 is cleared (step S202: YES), the sampling unit 12 acquires one sample value from the digital data input from the A / D conversion unit 11 (step S203), and rings this sample value. Output to the buffer 13.
[0024]
The ring buffer 13 stores the sample value input from the sampling unit 12 in the field indicated by the storage pointer (Step S204). The storage pointer specifies one field for one sample value. Accordingly, one sample value output from the sampling unit 12 is stored in one field of the ring buffer 13.
[0025]
In the first sampling, the sample value is stored in only one field of the ring buffer 13 (step S205: NO). In this case, the arithmetic processing unit 14 performs simple averaging on the sample values stored in the ring buffer 13 based on an instruction from the control unit 16. However, as shown in FIG. 1B, since only the first sample value is stored in the ring buffer 13, the arithmetic processing unit 14 outputs the first sample value as a measured value to the arithmetic unit 15 (Step S208). .
[0026]
The calculation unit 15 performs a predetermined calculation on the measured value input from the calculation processing unit 14, and outputs the calculation result to the outside as output data (step S207). When this calculation ends, the process returns to the step S202.
[0027]
In the case of the second and subsequent samplings, when a predetermined period has elapsed since the previous sampling (step S202: YES), the sampling unit 12 acquires a sample value from the digital data input from the A / D conversion unit 11 (step S202). S203). The ring buffer 13 stores the sample value obtained by the sampling unit 12 in a field indicated by the storage pointer (Step S204).
[0028]
As described above with reference to FIG. 11B, when the sample value is stored in the field, the storage pointer moves to the field of the next address where the sample value is stored in accordance with the address order. For this reason, as shown in FIG. 1B, assuming that the ring buffer 13 has n fields, the field of the ring buffer 13 in which the sample values are stored is set to the following every time from the second to the n-th sampling. Increase by one. Since the sample values are stored in all the fields in the (n + 1) th and subsequent samplings, the ring buffer 13 replaces the oldest sample value among the already stored sample values with the latest sample value. To go.
[0029]
The control unit 16 instructs the arithmetic processing unit 14 to perform a simple average or a moving average on the sample values stored in the ring buffer 13 according to the number of fields in the ring buffer 13 in which the sample values are stored. put out.
Assuming that the number of fields is n, at least one field in which no sample value is stored exists in the fields of the ring buffer 13 until the (n-1) th sampling (step S205: NO). Therefore, the arithmetic processing unit 14 performs a simple averaging process based on the instruction of the control unit 16, that is, performs a simple average on the sample values stored in the ring buffer 13, and outputs the result to the arithmetic unit 15 as a measured value. (Step S208).
In the n-th and subsequent samplings, sample values are stored in all the fields of the ring buffer 13 (step S205: YES). Therefore, the arithmetic processing unit 14 performs a normal moving average process, that is, performs a moving average on the sample values stored in all the fields based on the instruction of the control unit 16, and outputs the result to the arithmetic unit 15 as a measured value. (Step S206).
[0030]
The calculation unit 15 performs a predetermined calculation on the measured value input from the calculation processing unit 14, and outputs the calculation result to the outside as output data (step S207). When this calculation ends, the process returns to step S202 again, and the digital measuring instrument according to the first embodiment continuously performs the above-described processes.
As a result, in the first embodiment, since the sample value is stored in one field for each sampling, the influence of the first sample value on the calculated measurement value is reduced. Therefore, the digital measuring instrument according to the first embodiment can suppress the influence of such data even if the initial sample value is unstable, and output a stable calculation result. Can be.
[0031]
Next, referring to FIGS. 3 and 4, under the condition that the input data that the number of moving averages is 10, the first sample value is 10 (abnormal value), and the second and subsequent sample values are 5, are steady values. The simulation results of the measurement results of the digital measuring device according to the first embodiment and the conventional digital measuring device will be compared. FIG. 3A is a schematic diagram illustrating a configuration of sample values stored in a ring buffer of the digital measuring instrument according to the first embodiment when the first sample value is an abnormal value, and FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a sample value stored in a ring buffer of a conventional digital measuring instrument when an initial sample value is an abnormal value, and FIG. 6 is a graph showing measurement results of the digital measuring device according to the first embodiment and a conventional digital measuring device.
[0032]
As shown in FIG. 3A, the digital measuring device according to the first embodiment stores a sample value in one field for each sampling. Therefore, even when the first sample value is an abnormal value, the abnormal value is stored in only one field. For this reason, in the first embodiment, the influence of the initial sample value on the measured value at the initial stage of sampling can be reduced, and the measured value can be made closer to the ideal value early.
[0033]
On the other hand, as shown in FIG. 3B, the conventional digital measuring instrument stores initial sample values in all fields at the time of initial sampling. The first sample value is replaced with the latest sample value only once per sampling. For this reason, in the conventional digital measuring instrument, the influence of the first sample value appearing in the measured value in the initial stage of sampling is large.
[0034]
FIG. 4 shows that the measured value according to the first embodiment follows the ideal value more quickly than the measured value using a conventional digital measuring instrument. In particular, the difference between the measured value and the ideal value at the time of the initial sampling is much smaller in the first embodiment than in the conventional digital measuring instrument. As is clear from this, the first embodiment can suppress the influence of unstable input data at the beginning of measurement, and can output a stable calculation result.
[0035]
[Second embodiment]
The first embodiment can suppress the influence of initial unstable input data. However, in the case where input data changes in the middle other than the initial sample value, such as a ramp input or a step input, the first embodiment dramatically reduces the input data compared to a conventional digital measuring instrument. It is hard to say that you can follow the change. This is because the first embodiment calculates the measured value before the input data changes, that is, by using the sample value already stored in the ring buffer.
Therefore, in the second embodiment, the following new functions are added to the control unit 16 of the first embodiment in order to quickly follow a change in input data. Since the second embodiment has substantially the same configuration as the first embodiment, the same reference numerals and names are given to the same components, and the description will be appropriately omitted.
[0036]
When the sampling unit 12 acquires the sample value, the control unit 16 calculates a difference between the acquired sample value and the previous sample value already stored in the ring buffer 13. When the calculated difference exceeds a predetermined threshold, the control unit 16 deletes all the sample values already stored in the ring buffer 13 and sets the position of the storage pointer of the ring buffer 13 to the start address of the ring buffer 13. Move to the field. Then, the sampling unit 12 outputs the obtained sample value to the ring buffer 13. The ring buffer 13 stores the sample value input from the sampling unit 12 in a field indicated by the storage pointer.
Note that the threshold can be freely changed as needed.
[0037]
Next, the operation of the digital measuring instrument according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart illustrating the operation of the digital measuring device according to the second embodiment.
When the digital measuring device according to the second embodiment starts measurement, first, the sampling unit 12 deletes all the sample values stored in the ring buffer 13 at the time of the previous measurement (Step S501). When the ring buffer 13 is cleared (step S502: YES), the sampling unit 12 acquires one initial sample value from the digital data input from the A / D conversion unit 11 (step S503), and this sample value Is output to the ring buffer 13.
[0038]
In the first sampling, no sample value is stored in the ring buffer 13. Therefore, the control unit 16 compares the initial sample value with the threshold value (Step S504). However, the first sample value is eventually stored in the field indicated by the storage pointer, whether or not it exceeds the threshold (step S505).
[0039]
In the first sampling, the ring buffer 13 stores a sample value in only one field (step S506: NO). The arithmetic processing unit 14 performs simple averaging on the sample values stored in the ring buffer 13 based on the instruction from the control unit 16 (step S510). However, since only the first sample value is stored in the ring buffer 13, 1B, the first sample value is output to the arithmetic unit 15 as a measured value.
[0040]
The calculation unit 15 performs a predetermined calculation on the measured value input from the calculation processing unit 14, and outputs the calculation result to the outside as output data (step S508). Upon completion of this calculation, the process returns to step S502.
[0041]
In the case of the second and subsequent samplings, when a predetermined period has elapsed since the previous sampling (step S502: YES), the sampling unit 12 converts the digital data input from the A / D conversion unit 11 into a sample value (the latest sample value). ) Is obtained (step S503).
The control unit 16 calculates a difference between the latest sample value and a previously obtained sample value (previous sample value) already stored in the ring buffer 13 and compares this difference with a predetermined threshold value ( Step S504). At this time, the control unit 16 reads the previous sample value from the ring buffer 13.
[0042]
When the difference exceeds the predetermined threshold value (step S504: YES), the control unit 16 deletes all the sample values already stored in the ring buffer 13 and changes the position of the storage pointer in the ring buffer 13 to the ring buffer 13. (Step S509). The ring buffer 13 stores the latest sample value in the field of the head address indicated by the storage pointer (Step S505).
If the difference exceeds the predetermined threshold, only one sample value is stored in the ring buffer 13 as in the case of the first sampling (step S506: NO). The arithmetic processing unit 14 performs simple averaging on the sample values stored in the ring buffer 13 based on the instruction from the control unit 16 (step S510), but only the latest sample value is stored in the ring buffer 13. Therefore, the latest sample value is output to the arithmetic unit 15 as a measured value.
[0043]
If the calculated difference does not exceed the predetermined threshold (step S504: NO), the ring buffer 13 stores the latest sample value in the field of the address indicated by the storage pointer, that is, the field of the address next to the previous sample value. Is stored (step S505).
When the sample values are stored in all the fields of the ring buffer 13 (step S506: YES), the arithmetic processing unit 14 performs the normal moving average processing based on the instruction of the control unit 16, that is, stores the sample values in all the fields. The moving average is performed on the sample values, and the result is output to the arithmetic unit 15 as a measured value (step S507).
If there is at least one field in which no sample value is stored in the ring buffer 13 (step S506: NO), the arithmetic processing unit 14 sets the sample value stored in the ring buffer 13 based on the instruction of the control unit 16. Simple averaging is performed, and the result is output to the calculation unit 15 as a measured value (step S510).
[0044]
The calculation unit 15 performs a predetermined calculation on the measured value input from the calculation processing unit 14, and outputs the calculation result to the outside as output data (step S508). When this calculation ends, the process returns to step S502 again, and the digital measuring instrument according to the second embodiment continuously performs the above-described processes.
As a result, in the second embodiment, when the sample value exceeds the threshold value, the ring buffer 13 is cleared, so that when the input data changes rapidly, the change can be quickly followed. Therefore, in the second embodiment, a stable calculation result can be output when the input data is in a steady state, and a calculation result that quickly follows the input can be output when the input data changes rapidly.
[0045]
Next, referring to FIG. 6 and FIG. 7, a ramp input in which the number of moving averages is 10, the threshold value is 0.5, the first sample value is 1, and the second and subsequent sample values are increased by 1 from the first sample value. Under such a condition, simulation results of measurement results of the digital measuring instrument according to the second embodiment and a conventional digital measuring instrument are compared. FIG. 6A is a schematic diagram showing a configuration of sample values stored in a ring buffer of a digital measuring instrument according to the second embodiment when input data from the outside is a ramp input, and FIG. 7) is a schematic diagram showing a configuration of sample values stored in a ring buffer of a conventional digital measuring instrument when external input data is a ramp input, and FIG. 7 is a ramp input as an external input data. 12 is a graph showing results of measurement values of the digital measuring instrument according to the second embodiment in the case and a conventional digital measuring instrument.
[0046]
In the ring buffer of the digital measuring instrument according to the second embodiment, as shown in FIG. 6A, a sample value is stored only in the first address. This is because, in the second embodiment, the difference between the latest sample value and the previous sample value always exceeds the threshold value. Therefore, the control unit 16 sets the ring value every time the sampling unit 12 acquires the latest sample value. This is because the buffer 13 is cleared. Therefore, the ring buffer 13 stores a sample value only in the field of the first address, that is, stores only the latest sample value. Thus, in the second embodiment, it is possible to quickly follow a change in input data.
[0047]
On the other hand, in the ring buffer of the conventional digital measuring instrument, as shown in FIG. 6B, the first sample value is stored in all fields at the time of the first sampling. In a conventional digital measuring instrument, even when input data is ramp input, all fields are filled with initial sample values at the time of initial sampling, so that measured values are greatly affected by initial sample values.
[0048]
FIG. 7 shows that the measured value according to the second embodiment follows the change of the ideal value more quickly than the measured value of the conventional digital measuring instrument. Although the moving average value of the conventional digital measuring instrument has a large difference from the ideal value even when the number of samplings is increased, the moving average value of the second embodiment takes the same value as the ideal value. As is apparent from this, the second embodiment outputs a stable operation result when the input data is in a steady state, and outputs an operation result immediately following the input when the input data changes rapidly. can do.
[0049]
Next, the digital measuring device according to the second embodiment and the digital measuring device according to the first embodiment will be compared for the same lamp input. FIG. 8A is a schematic diagram showing a configuration of sample values stored in a ring buffer of the digital measuring instrument according to the first embodiment when input data from the outside is a ramp input, and FIG. 4) is a graph showing measurement results of the digital measuring device according to the second embodiment and the digital measuring device according to the first embodiment when input data from the outside is a lamp input.
[0050]
In the ring buffer of the digital measuring instrument according to the first embodiment, as shown in FIG. 8A, a sample value is stored in one field for each sampling. Therefore, the measurement value calculated in the first embodiment is affected by the sample values already stored in the ring buffer 13. Therefore, in the first embodiment, when the input data increases by a predetermined value such as a ramp input, the first embodiment cannot quickly follow a change in the input data as compared with the second embodiment.
[0051]
FIG. 8B shows that the measured value according to the second embodiment follows the change in the ideal value more quickly than the measured value according to the first embodiment. The measured value calculated by the second embodiment takes the same value as the ideal value. On the other hand, when the input data changes by a predetermined value such as a lamp input, the measured value calculated by the first embodiment has a large difference from the ideal value even if the number of samplings is increased. Can not follow quickly. As is apparent from this, the second embodiment outputs a stable operation result when the input data is in a steady state, and outputs an operation result immediately following the input when the input data changes rapidly. can do.
[0052]
Next, with reference to FIGS. 9 and 10, simulation results of measurement results of the digital measuring device according to the second embodiment and a conventional digital measuring device are compared. The operating conditions are as follows: the moving average number is 10, the steady sample value is 1, the step input sample value is 10, the threshold is 5, and the sample value changes to the step input sample value from the 15th sampling. FIG. 9A is a schematic diagram showing a configuration of sample values stored in a ring buffer of a digital measuring instrument according to the second embodiment when externally input data is a step input, and FIG. ) Is a schematic diagram showing a configuration of sample values stored in a ring buffer of a conventional digital measuring instrument when external input data is a step input, and FIG. 10 is a diagram showing a case where external input data is a step input. 9 is a graph showing the results of measured values of the digital measuring device according to the second embodiment and a conventional digital measuring device.
[0053]
As shown in FIG. 9A, when the difference between the latest sample value and the previous sample value exceeds the threshold value, the buffer is cleared in the ring buffer of the digital measuring instrument according to the second embodiment. , The latest sample value is stored in the first address field. Here, the difference between the fifteenth sample value and the fourteenth sample value exceeds the threshold. Therefore, all the sample values up to the 14th time are erased. Then, the fifteenth sample value is stored in the field of the first address. With such a configuration, the second embodiment can quickly follow a sudden change in input data such as a step input.
[0054]
On the other hand, as shown in FIG. 9B, when the sample values are stored in all the fields of the ring buffer 13 in the ring buffer of the conventional digital measuring instrument, one storage pointer is stored for each sampling. Replace the sample value in the indicated field with the latest sample value. For this reason, in a conventional digital measuring instrument, when there is a sudden change in input data such as a step input, it is not possible to quickly follow the change.
[0055]
FIG. 10 shows that the measured value calculated by the digital measuring device according to the second embodiment follows the change of the ideal value more quickly than the measured value calculated by the conventional digital measuring device. . The measured value calculated by the second embodiment takes the same value as the ideal value. On the other hand, the conventional digital measuring device cannot quickly follow the change when the input data suddenly changes like a step input. As is apparent from this, the second embodiment outputs a stable operation result when the input data is in a steady state, and outputs an operation result immediately following the input when the input data changes rapidly. can do.
[0056]
In the second embodiment, the control unit 16 has been described in which, when the ring buffer 13 is cleared, the storage pointer is moved to the field of the first address. It does not have to be moved. The storage pointer cycles through all the fields that store the sample values in a predetermined order. For this reason, the position of the storage pointer may exist in any field of the ring buffer 13 even after the ring buffer 13 is cleared, as long as the field for storing the sample value can be specified. For example, the position of the storage pointer after clearing the ring buffer 13 can be freely set as appropriate, such as not moving the field at an arbitrary address or clearing the ring buffer.
[0057]
In the first and second embodiments, when no sample value is stored in the ring buffer 13, the sample value obtained by the sampling unit 12 does not necessarily need to be stored in the field of the first address. The storage pointer cycles through all the fields that store the sample values in a predetermined order. For this reason, if the field of the address indicated by the storage pointer is used, the field for storing the sample value can be freely set as appropriate even when the sample value is not stored in the ring buffer 13.
[0058]
In the first and second embodiments, analog data input from the outside is converted into digital data, and the digital data is sampled. However, the sampling procedure is not limited to this. For example, the sampling unit 12 may first obtain a sample value from analog data input from the outside, and the obtained analog data may be converted into digital data by the A / D converter 11.
[0059]
In the first and second embodiments, a digital measuring instrument has been described as a measuring instrument. However, the present invention can be applied to various measuring instruments as long as they perform moving average processing. .
[0060]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, in a measuring device that periodically samples input data from the outside, if no sample value is stored in the field of the ring buffer, the leading position is determined. The sample value is stored only in the address field, and thereafter, at each sampling cycle, the obtained sample value is sequentially stored in the field of the next address stored previously, and the sample value is stored in all the fields of the ring buffer. Until it is stored, the arithmetic processing unit performs a simple averaging on the sample values stored in the ring buffer, uses the result as a measured value, and performs a predetermined operation on the measured value to obtain an unstable value at the beginning of the measurement. The influence of input data can be suppressed. Therefore, a stable calculation result can be output.
[0061]
Further, the difference between the sample value obtained by the sampling means and the sample value obtained last time of this sample value is calculated, and when this difference exceeds a predetermined threshold value, all the sample values stored in the ring buffer are deleted. With such a control means, it is possible to quickly follow a sudden change in input data other than at the time of startup.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a block diagram illustrating a configuration of a digital measuring instrument according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a schematic diagram illustrating a configuration of data stored in a ring buffer 13.
FIG. 2 is a flowchart showing an operation of the digital measuring instrument according to the first embodiment.
FIG. 3A is a schematic diagram illustrating a configuration of sample values stored in a ring buffer of the digital measuring instrument according to the first embodiment when the first sample value is an abnormal value; FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a configuration of a sample value stored in a ring buffer of a conventional digital measuring instrument when the sample value is an abnormal value.
FIG. 4 is a graph showing results of measured values of the digital measuring device according to the first embodiment and a conventional digital measuring device when the initial sample value is an abnormal value.
FIG. 5 is a flowchart illustrating an operation of the digital measuring instrument according to the second embodiment.
FIG. 6A is a schematic diagram illustrating a configuration of sample values stored in a ring buffer of a digital measuring instrument according to the second embodiment when input data from the outside is a ramp input; FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of a sample value stored in a ring buffer of a conventional digital measuring instrument when input data from is a ramp input.
FIG. 7 is a graph showing results of measured values of the digital measuring device according to the second embodiment and a conventional digital measuring device when input data from the outside is a lamp input.
FIG. 8A is a schematic diagram illustrating a configuration of sample values stored in a ring buffer of the digital measuring instrument according to the first embodiment when input data from the outside is a ramp input; 10 is a graph showing the results of measured values of the digital measuring instrument according to the second embodiment and the digital measuring instrument according to the first embodiment when the input data from is a ramp input.
FIG. 9A is a schematic diagram showing a configuration of sample values stored in a ring buffer of the digital measuring instrument according to the second embodiment when input data from the outside is a step input, and FIG. FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of a sample value stored in a ring buffer of a conventional digital measuring instrument when input data from is a step input.
FIG. 10 is a graph showing the results of measured values of the digital measuring device according to the second embodiment and a conventional digital measuring device when input data from the outside is step input.
11A is a block diagram illustrating a configuration of a conventional digital measuring instrument, FIG. 11B is a schematic diagram illustrating a configuration of a ring buffer, and FIG. 11C is a schematic diagram illustrating a state in which samples are stored in the ring buffer.
FIG. 12 is a flowchart showing the operation of a conventional digital measuring instrument.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Digital measuring instrument, 11 ... A / D conversion part, 12 ... Sampling part, 13 ... Ring buffer, 14 ... Operation processing part, 15 ... Operation part, 16 ... Control part.

Claims

Sampling means for periodically acquiring a sample value from externally input data;
A ring buffer comprising a plurality of fields, sequentially and cyclically storing the sample values obtained by the sampling means in the fields;
When all the fields of the ring buffer have sample values, an average is calculated for a predetermined number of sample values including the latest sample value among the plurality of sample values stored in the ring buffer, and the average of the ring buffer is calculated. An arithmetic processing means for calculating an average of the sample values stored in the ring buffer when at least one field has no sample value.

The measuring instrument according to claim 1,
When the sampling means obtains a sample value, a difference between the obtained sample value and a sample value obtained immediately before the sample value is calculated. A measuring instrument further comprising control means for erasing all sample values already stored in the buffer.

Sampling means for periodically acquiring a sample value from externally input data;
A ring buffer comprising a plurality of fields, sequentially and cyclically storing the sample values obtained by the sampling means in the fields;
When the sampling means obtains a sample value, a difference between the obtained sample value and a sample value obtained immediately before the sample value is calculated. Control means for erasing all sample values already stored in the buffer.