技术领域

本发明涉及连续物理量数据采集技术， 尤其是涉及热工、 化工、 冶金、 电 力行业的温度、 压力、 流量、 电压、 浓度、 电流、 电压、 功率、 转速等连续物 理量数据采集方法和装置。 背景技术

在工业自动化中， 需要对温度、 压力、 流量、 电压、 浓度等连续物理量进 行测量和数据采集（以下筒称数据采集）。 通常， 对于连续物理量经过模拟采 样通道按照应用端要求对模拟信号进行数据采 样， 采样频率为 f _Ay 。 为了避免 混频， 需要在模拟采样通道中设置模拟低通滤波器， 其截至频率 f _e <0.5 X f _{A y} , 由于 f _Ay 较小， 所以， f _c 很小， 将增加模拟低通滤波器的难度和成本。

此外，很大一部分工业自动化采用稳态模型， 需要物理量的数据采集稳态 值。 中国发明专利 ZL200910158375.X和 ZL200910158370.7 (发明人： 郝玉山， 发明名称 "连续物理量测量装置和方法" ）中给出了一般物理量的稳态量和全 态量的测量与记录，但输出的频率不符合以上 数据采集频率、输出内容也较多 (包括起止时间等） ， 不便直接应用于工业自动化中。 发明内容

本发明针对以上问题， 旨在给出连续物理量的数据采集方法与装置。

本发明的连续物理量数据采集方法包括，

输入代表连续物理量的电压信号 u;

经模拟采样通道对电压信号 U采样得到采样信号 U _k , 采样频率为 f _Ah ;

对采样信号 U _k 重抽样获得重抽样信号 _Uj , 重抽样频率 f _{A y} 由应用端规定； 还包括， 重抽样之前， 将采样信号 u _k 经数字低通滤波后获得 ;

对 重抽样获得重抽样信号 ； 存储并输出重抽样信号 到应用端。

数字低通滤波的截至频率 f _c <0.5 f _Ay ,以避免重抽样可能产生的混频错误。 模拟低通滤波的截至频率 f _c <0.5 x f _Ah , 由于 f _Ah 大于 f _Ay 很多倍， 与没有数字 低通滤波和重抽样相比， 本方法能够提高模拟低通滤波器的 f _c 很多倍， 所以， 本方法能够降低模拟低通滤波器的难度和成本 ， 而快速的模数变换尤其是 Δ-

∑的模数变换器造价很低。

数字低通滤波的传递函数如下式：

G(z) = -

<¾+<¾· z +··· + α _η -ζ

其中， η=2,4,6,8, 为滤波器的阶数。 G(z)常用特殊函数， 如 n阶巴特沃斯 或 n阶切比雪夫滤波器。

按照本发明的一个方面， 所述数字低通滤波是变结构的平均算法： 判断 ¾是稳态还是暂态， 给出标志 F, F=l, u _k 为暂态， F=0, u _k 为稳态； 当 F=0时， 由采样信号 u _k 求取平均值 当 F=l时， 平均值 为采样信号 u _k 实 际应用中不可能达到的值，到达应用端后对 ^中不可能达到的值作为坏数据予 以剔除； 当 F由 1变到 0时， 将平均值 清零并令 = 1。

平均值 的计算公式是： ^ Ί^ .^ κ _l+w ]。 判断 u _k 是稳态还是暂态的判据为： 对输入量 u _k 求方差，

Λ2 k— 2. ^2 . (― — 、2 (― 、2

s _k = - ~ +■- ~ ~(u _k -u _k )

κ-Ι κ-Ι

若 |^- |≤7^ _/2 -1). 则¾为稳态， 否则 u _k 为暂态， 其中， 为平均值， „ _/2 为学生分布， a为风险水平。

所述数字低通滤波是变结构的 α β γ滤波：

对输入量 u _k 进行 α β γ滤波， 获得 u _k 的位置分量 S _k 、 速度分量 v _k 和加速度 分量 ¾; 位置分量 S _k 即数字低通滤波的输出；

若 I <¾| < 且 | | < t ^贝 ¹ J¾为稳、态, F=0, Sk保持不更； 否贝 ¹ J , ¾为暂态, F=l,

S _k 为 u _k 实际应用中不可能达到的值， 到达应用端后对 中不可能达到的值作为 坏数据予以剔除； 当 F由 1变到 0时， 将 S _k 清零并令 = 1; 输出 S _k 到重抽样。 其中 ¾和" _£ 为给定值， 它们与信号 u _k 的带宽、 即时间常数有关， 详见 α β γ滤 波器设计或卡尔曼滤波器设计的有关资料。

实际应用中， 判断 u _k 是稳态还是暂态的判据还可以筒化， 满足 |^|< 或 | |< 其中之一时， 则 u _k 为稳态， 否则 u _k 为暂态。

本发明还提供了一种连续物理量数据采集装置 ， 包括， 模拟采样通道， 用于对输入连续物理量的电压信号 U进行模拟采样， 采样 频率是 f _Ah , 输出采样信号 u _k ;

重抽样开关， 对采样信号 U _k 重抽样获得重抽样信号 1¾ , 并输出重抽样信号 1¾到寄存器；

寄存器， 寄存重抽样信号 ；

总线， 控制寄存器输出数据到总线、 并经总线输出数据 到应用端； 和 定时控制器， 用于控制模拟采样通道和重抽样开关；

还包括

数字低通滤波器， 接收来自模拟采样通道的模拟电压的采样信号 u _k 、 进行 低通滤波、并输出低通滤波后的信号 。数字低通滤波器的截至频率 f _c 小于 0.5 倍的重抽样频率^^ 而模拟采样通道中的模拟低通滤波器的截至频 率 f _c 小于 0.5倍的采样频率 f _Ah 。

根据本发明的连续物理量数据采集装置的一个 方面，在上述方案中， 所述 数字低通滤波器还可以由平均单元和判断单元 组成：

所述判断单元输入来自模拟采样通道的采样信 号 u _k , 求出标志 F, 输出到 平均单元； 当采样信号 u _k 处于稳态过程时 F=0, 反之， 当采样信号 u _k 处于暂态 过程时 F=l ;

所述平均单元输入来自模拟采样通道的采样信 号 u _k , 当 F=0时， 求出平均 值 ; 当 F=l时， 平均值 赋值为 u _k 不可能达到的值（例如不可能出现的最大 值）， 该不可能达到的值到达应用端后将作为坏数予 以剔除； 当 F由 1变 0时， 所述平均值 被清零并令 k = 1 ; 平均值 输出到重抽样开关。

所述数字低通滤波器还可以是变结构的 α β γ滤波器：

α β γ滤波器对输入量 u _k 进行 α β γ滤波， 获得 u _k 的位置分量 S _k 、 速度分 量 υ！^和加速度分量 ¾;

若 I <¾| < 且 | | < tig贝 ¹ J 为稳、态, F=0, Sk保持不更； 否贝 ¹ J , ¾为暂态, F=l ,

S _k 为 u _k 实际应用中不可能达到的值， 到达应用端后对 中不可能达到的值作为 坏数据予以剔除； 当 F由 1变到 0时， 将 S _k 清零并令 = 1 ; 输出 S _k 到重抽样。 其中 ¾和" _£ 为给定值， 它们与信号 u _k 的带宽、 即时间常数有关， 详见 α β γ滤 波器设计或卡尔曼滤波器设计的有关资料。 实际应用中，上述判据允许筒化，例如只取 μ _Α | < 或 | | < 中的一个作为 判据。

采用数字低通滤波器和重抽样开关后， 模拟采样通道能够采用便宜的

ADC和便宜的模拟低通滤波器， 从而降低模拟采样通道的成本。

或 代替 _Uj 直接应用于工业自动化中， 尤其是 或 中不再包含暂态值， 能够满足稳态模型对输入量的要求， 并抑制随机干扰、 提高测量精度。 附图说明

图 1是本发明的一种连续物理量的数据采集方法� �装置。

图 2是本发明的一种连续物理量的稳态值数据采� �方法和装置。

图 3是本发明的一种连续物理量的稳态值数据采� �方法和装置。 具体实施方式

图 1给出了一种连续物理量的数据采集方法和装� �。

图 1中， 包括模拟采样通道 1、 寄存器 2、 总线 3和定时控制器 4, 本发 明人的贡献在于， 还包括重抽样开关 5和数字低通滤波器 6。 输入连续物理量 的电压信号 u,经模拟采样通道 1后给出模拟电压的采样信号 u _k ;采样信号 u _k 经 过数字低通滤波器 6滤除高频，避免后续重抽样过程可能产生的� �频错误，输 出经过低通滤波的信号 ;滤波后的信号 输出到重抽样开关 5,进行重抽样， 输出重抽样值 存储到寄存器 2中； 寄存器 2在总线 3的控制下经总线 3输出 数据到应用端； 模拟采样通道 1和重抽样开关 5受控于定时控制器 4。

数字低通滤波器的截至频率 f _c 小于 0.5倍的重抽样频率^ 而重抽样频率 f _Ay 由应用端规定。

图 2给出了一种连续物理量的稳态值数据采集方� �和装置。

图 2将图 1中的数字低通滤波器 6更换成图 2的平均单元 7和判断单元 8, 其它电路配置和作用都同图 1的描述。 图 2中， 模拟采样通道 1的输出 u _k —方 面经过平均单元 7后给出平均值 , 再经过采样开关 5寄存到寄存器 2中； u _k 另一方面输入到判断单元 8, 输出标志 F到平均单元 7; 当 u _k 处于稳态过程时 F=0, 反之， 当 u _k 处于暂态过程时 F=l; 其中， 当 F=0时， 平均单元 7求出平均 值^ 当 F=l时， 赋平均单元 7中平均值 为不可能达到的值（例如不可能出 现的极大值） ， 该不可能达到的值到应用端后将作为坏数据予 以剔除， 当 F由 1变 0时， 所述平均值 被清零和 k= 1; 输出平均值 到重抽样开关。

平均值 _k 的计算公式是： u _k =^.y _Ul = -[(k-l)- u _k _, + )]。

k ι ₌ ι k

判断单元 8的判据为： 对采样信号 u _k 求方差，

^2 k 2 _Λ 2 /― ― 、2 1 /― 、2

¾ = - ~~ + +- ~~ - u _k -u _k )

k-l k-l

若|^- |≤ ^ _/2 -1) 则¾为稳态， 否则 u _k 为暂态， 其中， 为平均值， „ _/2 为学生分布， （X为风险水平。

图 3给出了另一种连续物理量的稳态值数据采集� �法和装置。

图 3将图 1中的数字低通滤波器 6更换成图 3的 α β γ滤波器（ A ) 、 赋 值单元（B)和判断单元（C) , 其它电路配置和作用都同图 1 的描述。 图 3 中， 模拟采样通道 1的输出 u _k 经过 α β γ滤波器（Α)后输出位置分量 S _k 、 速 度分量 V _k 和加速度分量 ¾, 位置分量 S _k 即滤波器的输出， 经过赋值单元（ B ) 后、再经重抽样开关 5寄存到寄存器 2中；速度分量 υ _k 和加速度分量 a _k 输入到 判断单元（C) , 当 u _k 处于稳态时 F=0, 反之， 当 u _k 处于暂态时 F=l, 判断单元

(C)输出标志 F到赋值单元（B) ； 当 F=0时， 赋值单元（B) 的输出等于位 置分量 S _k , 当 F=l 时， 赋值单元（B) 的输出等于 u _k 不可能达到的值， 该不可 能达到的值到应用端后将作为坏数据予以剔除 。

判断单元 （C) 的判据是： 若| < 且| |< 则 u _k 为稳态， F=0; 否则， u _k 为暂态， F=l。

允许判断单元（C) 的判据筒化： 满足 | < 或| |< 其中之一， 例如，

|^|< 且| |≥ （或 | |< 且 |α _Α |≥ ) , 若满足则 u _k 为稳、态； 否则， |α _Α |≥ 且

| |≥ 则 U _k 为暂态。 其中 ¾和 ^为给定值， 它们与信号 u _k 的时间常数有关， 详 见 α β γ滤波器设计或卡尔曼滤波器设计的有关资料� ��

上述实施方案可用 CPLD ( Complex Programmable Logic Device, 复杂可 编程逻辑器件） 、 FPGA ( Field - Programmable Gate Array, 现场可编程门阵 歹 'J ) 、 ASIC ( Application Specific Integrated Circuit, 专用集成电路）或类似数 字电路完成， 也可由 DSP (Digital Signal Processor, 数字信号处理器） 的程 序实现，详见它们的开发说明书。也可以将上 述实施方案全部集成在一个芯片 内加以实现。

本发明的实施例仅给出了一些具体实施方式， 本领域的普通技术人员在不 脱离本申请的发明精神和构思的情况下， 可以做出各种变型， 这些都属于本申 请的权利要求所要求保护的范围。