對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法及系統(tǒng)，所述方法包括：將緩動直流信號通過一階RC低通濾波器；所述一階RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計為23Hz-27Hz左右；將經(jīng)過硬件濾波電路的緩動直流信號通過采樣速率至少為5kS/s的模數(shù)變換器；將經(jīng)過模數(shù)變換器的緩動直流信號進行IIR數(shù)字低通濾波算法進行二次濾波，得到濾波后的緩動直流信號。通過本發(fā)明的方法及系統(tǒng)，結(jié)合簡單的一階RC低通濾波器硬件電路和軟件數(shù)字濾波算法，有效濾除50Hz機器諧波工頻干擾，同時抗頻率混疊，并且對5Hz及其以下頻率成分影響很小，在進行高精度A/D轉(zhuǎn)換時，可以有效減小測量誤差。并且通過對算法的改進，不要求CPU具有浮點運算能力及硬件出發(fā)運算單元，降低了硬件成本。
【專利說明】對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)控制系統(tǒng)和模擬電子【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)控制緩動直流信號(以下簡稱緩動直流信號)在工業(yè)控制系統(tǒng)中非常常見，很多模擬傳感器(溫度、壓力、流量等)和變送器輸出信號都屬于緩動直流信號，工業(yè)控制標準模擬聯(lián)絡信號多數(shù)也屬于緩動直流信號，緩動直流信號的頻譜中，頻率上限一般不超過5Hz。
[0003]工業(yè)現(xiàn)場往往存在較為強烈的工頻干擾，這種干擾的頻譜主要包括工頻50Hz和50Hz諧波頻率，在實際工業(yè)環(huán)境中，工頻干擾很容易竄入緩動直流信號中，與緩動直流信號疊加在一起，對緩動直流信號造成干擾。這種干擾有時候甚至是很強烈的，能導致測量儀表測量不穩(wěn)定，嚴重時測量儀表甚至根本無法進行準確測量，因此，有必要在測量儀表中，進行模擬信號調(diào)理時有效濾除工頻干擾。
[0004]緩動直流信號頻率上限與工頻干擾頻率下限相距較遠，理論上濾除并不復雜，過去通常使用簡單的并聯(lián)大容量電容或者一階RC低通濾波器(將轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計為5Hz左右)濾除工頻干擾，某些使用了 MCU的系統(tǒng)中，也可以使用簡單的一階RC低通數(shù)字濾波算法代替模擬濾波器。這些方法在大多數(shù)情況下都是行之有效的，但隨著目前測量精度要求的提高，14位、16位甚至24位高精度ADC的推廣使用，簡單的一階RC低通濾波存在幅一頻曲線平緩的缺點，倍頻程選擇性差(僅6dB/倍頻程)，通帶和阻帶之間沒有十分陡峭的界限，將轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計為5Hz左右雖然基本能滿足濾除工頻干擾的需求，但對有用信號也有一定的損失，會造成某些較為急劇的變化被衰減，而且ADC精度越高，這種損失帶來的測量誤差也越明顯，因此這種簡單的濾波方法對于高精度測量是不宜使用的。復雜的數(shù)字濾波算法雖然具有很高的濾波性能，但一般需要DSP等高性能MCU，而工業(yè)控制測量儀表很多還在使用低成本、低性能但成熟的8位或者16位MCU，無法使用復雜數(shù)字濾波算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法及系統(tǒng)，解決了在去除工頻干擾信號時，對緩動直流信號的干擾，能夠降低在去除工頻干擾信號時的硬件成本，并且保證對緩動直流信號測量的準確性。
[0006]一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法，包括:
將緩動直流信號通過硬件濾波電路，所述硬件濾波電路為一階RC低通濾波器；所述一階RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為23Hz-27Hz ;這一轉(zhuǎn)折頻率對5Hz信號的衰減僅約為0.2dB(絕對值)，相對轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計為5Hz的一階RC低通濾波器，對5Hz信號的衰減約為3dB (絕對值)，25Hz轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計對緩動直流信號中的有用頻率成分影響大大減??；
將經(jīng)過硬件濾波電路的緩動直流信號通過模數(shù)變換器，所述模數(shù)變換器采樣速率至少為5kS/s ；25Hz轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計的一階RC低通濾波器對2.5kHz信號的衰減可達約40dB，因此只要將ADC采樣速率設(shè)計為5kS/s以上，即可同時起到抗頻率混疊作用；
將經(jīng)過模數(shù)變換器的緩動直流信號進行IIR數(shù)字低通濾波算法進行二次濾波，得到濾波后的緩動直流信號。25Hz轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計的一階RC低通濾波器對50Hz信號的衰減約為6dB，對IOOHz信號的衰減約為12dB，對工頻干擾的濾波效果不佳，因此A / D轉(zhuǎn)換之后要配合軟件數(shù)字低通濾波算法進行二次濾波。
[0007]所述的方法中，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法對50Hz信號總衰減至少為30dB。由于硬件濾波電路對工頻干擾信號已經(jīng)有一定的衰減，因此軟件數(shù)字低通濾波算法的設(shè)計要求可以降低，保證對50Hz信號總衰減30dB以上的要求即可。
[0008]所述的方法中，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法的通帶截止頻率至少為25Hz。在可能的情況下，數(shù)字低通濾波算法的通帶截止頻率應該盡量高一些，通?？梢匀?5Hz以上，這樣即使選用相頻特性線性不好的IIR數(shù)字濾波器算法，一般在OHz — 5Hz頻率范圍內(nèi)，其相頻特性依然可以近似看作線性的，對5Hz及其以下頻率有用信號影響很小。
[0009]所述的方法中，在IIR數(shù)字低通濾波算法進行迭代運算時，根據(jù)相乘系數(shù)精度n，將所有小數(shù)相乘系數(shù)乘以2"后，進行加減乘運算，并將運算結(jié)果小數(shù)點右移η位。在IIR數(shù)字濾波器算法進行迭代運算時，為了避免浮點數(shù)運算，選擇適當?shù)倪\算字長和相乘系數(shù)精度，將所有小數(shù)相乘系數(shù)乘以f轉(zhuǎn)換成為整數(shù)，然后直接進行加減乘運算，最后將運算結(jié)果右移位，算法即可在8位高速單片機上實現(xiàn)。
[0010]一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的系統(tǒng)，包括:
硬件濾波模塊，用于將緩動直流信號通過硬件濾波電路進行濾波，所述硬件濾波電路為一階RC低通濾波器；所述一階RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為23HZ-27HZ左右；
模數(shù)變換模塊，用于將經(jīng)過硬件濾波電路的緩動直流信號通過模數(shù)變換器，所述模數(shù)變換器采樣速率至少為5kS/s ；
數(shù)字濾波模塊，用于將經(jīng)過模數(shù)變換器的緩動直流信號進行IIR數(shù)字低通濾波算法進行二次濾波，得到濾波后的緩動直流信號。
[0011]所述的系統(tǒng)中，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法對50Hz信號總衰減至少為30dB。
[0012]所述的系統(tǒng)中，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法的通帶截止頻率至少為25Hz。
[0013]所述的系統(tǒng)中，在IIR數(shù)字低通濾波算法進行迭代運算時，選擇相乘系數(shù)精度為η,則將所有小數(shù)相乘系數(shù)乘以2η后，進行加減乘運算，并將運算結(jié)果小數(shù)點右移η位。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)勢在于，結(jié)合簡單的硬件濾波電路和軟件數(shù)字濾波算法，對工業(yè)控制緩動直流信號進行軟硬件結(jié)合濾波，一方面可有效濾除50Hz及其諧波工頻干擾，同時抗頻率混疊，另一方面對緩動直流信號中有效的5Hz及其以下頻率成分影響很小，在進行高精度A / D轉(zhuǎn)換時，可以有效減小測量誤差。該方法中的軟件數(shù)字濾波算法對CPU的要求很低，不要求CPU具有浮點運算能力以及硬件除法運算單元，只需要加減乘運算和移位運算指令，可適用于高速8位單片機，成本很低。
[0015]本發(fā)明提供了一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法及系統(tǒng)，所述方法包括:將緩動直流信號通過一階RC低通濾波器；所述一階RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計為23Hz-27Hz左右；將經(jīng)過硬件濾波電路的緩動直流信號通過采樣速率至少為5kS/s的模數(shù)變換器；將經(jīng)過模數(shù)變換器的緩動直流信號進行IIR數(shù)字低通濾波算法進行二次濾波，得到濾波后的緩動直流信號。通過本發(fā)明的方法及系統(tǒng)，結(jié)合簡單的一階RC低通濾波器硬件電路和軟件數(shù)字濾波算法，有效濾除50Hz機器諧波工頻干擾，同時抗頻率混疊，并且對5Hz及其以下頻率成分影響很小，在進行高精度A/D轉(zhuǎn)換時，可以有效減小測量誤差。并且通過對算法的改進，不要求CPU具有浮點運算能力及硬件出發(fā)運算單元，降低了硬件成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本發(fā)明或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1為本發(fā)明對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法流程圖；
圖2為本發(fā)明對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]為了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，并使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明中技術(shù)方案作進一步詳細的說明。
[0019]本發(fā)明提供了一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法及系統(tǒng)，解決了在去除工頻干擾信號時，對緩動直流信號的干擾，能夠降低在去除工頻干擾信號時的硬件成本，并且保證對緩動直流信號測量的準確性。
[0020]一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法，如圖1所示，包括:
5101:將緩動直流信號通過硬件濾波電路，所述硬件濾波電路為一階RC低通濾波器；所述一階RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為23Hz-27Hz ;由于工頻信號是50Hz，因此最佳選擇轉(zhuǎn)折頻率為25Hz，這一轉(zhuǎn)折頻率對5Hz信號的衰減僅約為0.2dB (絕對值)，相對轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計為5Hz的一階RC低通濾波器，對5Hz信號的衰減約為3dB (絕對值)，25Hz轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計對緩動直流信號中的有用頻率成分影響大大減?。?br> 5102:將經(jīng)過硬件濾波電路的緩動直流信號通過模數(shù)變換器，所述模數(shù)變換器采樣速率至少為5kS/s ；25Hz轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計的一階RC低通濾波器對2.5kHz信號的衰減可達約40dB,因此只要將ADC采樣速率設(shè)計為5kS/s以上，即可同時起到抗頻率混疊作用；
硬件濾波電路選用簡單的一階RC低通濾波器可以有效降低成本，提高可靠性，但其轉(zhuǎn)折頻率的設(shè)計，以及與模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速率的配合要精心設(shè)計。要求對5Hz及其以下頻率有用信號的衰減盡量小，對50Hz信號有一定的衰減，但對頻率大于模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣頻率1/2的信號要有足夠的衰減，一般應在40dB以上，這樣一來，硬件濾波電路在對有用信號影響盡量小，對工頻干擾信號有一定衰減的情況下，同時兼起到抗頻率混疊作用，可以省去抗混疊濾波電路。
[0021]S103:將經(jīng)過模數(shù)變換器的緩動直流信號進行IIR數(shù)字低通濾波算法進行二次濾波，得到濾波后的緩動直流信號。25Hz轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計的一階RC低通濾波器對50Hz信號的衰減約為6dB，對IOOHz信號的衰減約為12dB，對工頻干擾的濾波效果不佳，因此A / D轉(zhuǎn)換之后要配合軟件數(shù)字低通濾波算法進行二次濾波。
[0022]數(shù)字低通濾波算法可選用多種，以簡單而且幅頻特性好的巴特沃斯(Butterworth)低通濾波器算法為例:設(shè)通帶截止頻率25Hz,阻帶截止頻率50Hz,通帶內(nèi)最大衰減3dB，阻帶內(nèi)最小衰減24dB (滿足對50Hz信號總衰減30dB的要求)，設(shè)計4階巴特沃斯低通濾波器算法即可滿足要求，由于通帶截止頻率較高，巴特沃斯低通濾波器算法固有的相頻特性非線性缺點對5Hz及其以下頻率有用信號影響很小。巴特沃斯低通濾波器算法在計算時，可采用迭代計算的方法，4階巴特沃斯低通濾波器算法迭代計算量較小，只需要加減乘運算，為了避免浮點數(shù)運算，選擇適當?shù)倪\算字長和系數(shù)精度，將所有小數(shù)系數(shù)乘以tT轉(zhuǎn)換成為整數(shù)，然后直接進行加減乘運算，最后將運算結(jié)果右移η位即可，算法即可在8位高速單片機，例如C8051F系列，AVR系列等上實現(xiàn)。
[0023]所述的方法中，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法對50Hz信號總衰減至少為30dB。由于硬件濾波電路對工頻干擾信號已經(jīng)有一定的衰減，因此軟件數(shù)字低通濾波算法的設(shè)計要求可以降低，保證對50Hz信號總衰減30dB以上的要求即可。
[0024]所述的方法中，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法的通帶截止頻率至少為25Hz。在可能的情況下，數(shù)字低通濾波算法的通帶截止頻率應該盡量高一些，通?？梢匀?5Hz以上，這樣即使選用相頻特性線性不好的IIR數(shù)字濾波器算法，一般在OHz — 5Hz頻率范圍內(nèi)，其相頻特性依然可以近似看作線性的，對5Hz及其以下頻率有用信號影響很小。
[0025]所述的方法中，在IIR數(shù)字低通濾波算法進行迭代運算時，選擇相乘系數(shù)精度為n，則將所有小數(shù)相乘系數(shù)乘以2"后，進行加減乘運算，并將運算結(jié)果小數(shù)點右移η位。在IIR數(shù)字濾波器算法進行迭代運算時，為了避免浮點數(shù)運算，選擇適當?shù)倪\算字長和相乘系數(shù)精度，將所有小數(shù)相乘系數(shù)乘以tT轉(zhuǎn)換成為整數(shù)，然后直接進行加減乘運算，最后將運算結(jié)果右移位，算法即可在8位高速單片機上實現(xiàn)。
[0026]一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的系統(tǒng)，如圖2所示，包括:
硬件濾波模塊201，用于將緩動直流信號通過硬件濾波電路進行濾波，所述硬件濾波電
路為一階RC低通濾波器；所述一階RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為23Ηζ-27Ηζ左右；
模數(shù)變換模塊202，用于將經(jīng)過硬件濾波電路的緩動直流信號通過模數(shù)變換器，所述模數(shù)變換器采樣速率至少為5kS/s ；
數(shù)字濾波模塊203，用于將經(jīng)過模數(shù)變換器的緩動直流信號進行IIR數(shù)字低通濾波算法進行二次濾波，得到濾波后的緩動直流信號。
[0027]所述的系統(tǒng)中，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法對50Hz信號總衰減至少為30dB。
[0028]所述的系統(tǒng)中，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法的通帶截止頻率至少為25Hz。
[0029]所述的系統(tǒng)中，在IIR數(shù)字低通濾波算法進行迭代運算時，選擇相乘系數(shù)精度為η,則將所有小數(shù)相乘系數(shù)乘以2η后，進行加減乘運算，并將運算結(jié)果小數(shù)點右移η位。
[0030]本發(fā)明的優(yōu)勢在于，結(jié)合簡單的硬件濾波電路和軟件數(shù)字濾波算法，對工業(yè)控制緩動直流信號進行軟硬件結(jié)合濾波，一方面可有效濾除50Hz及其諧波工頻干擾，同時抗頻率混疊，另一方面對緩動直流信號中有效的5Hz及其以下頻率成分影響很小，在進行高精度A / D轉(zhuǎn)換時，可以有效減小測量誤差。該方法中的軟件數(shù)字濾波算法對CPU的要求很低，不要求CPU具有浮點運算能力以及硬件除法運算單元，只需要加減乘運算和移位運算指令，可適用于高速8位單片機，成本很低。[0031]本發(fā)明提供了一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法及系統(tǒng)，所述方法包括:將緩動直流信號通過一階RC低通濾波器；所述一階RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計為23Hz-27Hz左右；將經(jīng)過硬件濾波電路的緩動直流信號通過采樣速率至少為5kS/s的模數(shù)變換器；將經(jīng)過模數(shù)變換器的緩動直流信號進行IIR數(shù)字低通濾波算法進行二次濾波，得到濾波后的緩動直流信號。通過本發(fā)明的方法及系統(tǒng)，結(jié)合簡單的一階RC低通濾波器硬件電路和軟件數(shù)字濾波算法，有效濾除50Hz機器諧波工頻干擾，同時抗頻率混疊，并且對5Hz及其以下頻率成分影響很小，在進行高精度A/D轉(zhuǎn)換時，可以有效減小測量誤差。并且通過對算法的改進，不要求CPU具有浮點運算能力及硬件出發(fā)運算單元，降低了硬件成本。
[0032]本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于系統(tǒng)實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例的部分說明即可。
[0033]雖然通過實施例描繪了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道，本發(fā)明有許多變形和變化而不脫離本發(fā)明的精神，希望所附的權(quán)利要求包括這些變形和變化而不脫離本發(fā)明的精神。
【權(quán)利要求】
1.一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的方法，其特征在于，包括: 將緩動直流信號通過硬件濾波電路，所述硬件濾波電路為一階Re低通濾波器；所述一階RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為23Hz-27Hz ； 將經(jīng)過硬件濾波電路的緩動直流信號通過模數(shù)變換器，所述模數(shù)變換器采樣速率至少為 5kS/s ； 將經(jīng)過模數(shù)變換器的緩動直流信號進行IIR數(shù)字低通濾波算法進行二次濾波，得到濾波后的緩動直流信號。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法對50Hz信號總衰減至少為30dB。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法的通帶截止頻率至少為25Hz。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在IIR數(shù)字低通濾波算法進行迭代運算時，根據(jù)相乘系數(shù)精度n，將所有小數(shù)相乘系數(shù)乘以2n后，進行加減乘運算，并將運算結(jié)果小數(shù)點右移η位。
5.一種對工業(yè)控制緩動直流信號軟硬件結(jié)合濾波的系統(tǒng)，其特征在于，包括: 硬件濾波模塊，用于將緩動直流信號通過硬件濾波電路進行濾波，所述硬件濾波電路為一階RC低通濾波器；所述一階RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為23Ηζ-27Ηζ ； 模數(shù)變換模塊，用于將經(jīng)過硬件濾波電路的緩動直流信號通過模數(shù)變換器，所述模數(shù)變換器采樣速率至少為5kS/s ； 數(shù)字濾波模塊，用于將經(jīng)過模數(shù)變換器的緩動直流信號進行IIR數(shù)字低通濾波算法進行二次濾波，得到濾波后的緩動直流信號。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法對50Hz信號總衰減至少為30dB。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法的通帶截止頻率至少為25Hz。
8.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，在IIR數(shù)字低通濾波算法進行迭代運算時，根據(jù)相乘系數(shù)精度n，將所有小數(shù)相乘系數(shù)乘以2n后，進行加減乘運算，并將運算結(jié)果小數(shù)點右移η位。
【文檔編號】H03H17/00GK103905014SQ201310734440
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】趙世平, 桑勝田, 張栗偉 申請人:哈爾濱安天科技股份有限公司