关于单⽚机模拟信号采集⼀些⽅法
2010-10-15 22:51
单⽚机系统采集的信号有模拟电压信号、模拟电流信号、PWM信号、数字逻辑信号等。现在，绝⼤多数传感器输出的信号都是模拟信号量，电流和电压。所以模拟信号的采集应⽤最为⼴泛，处理过程也相对复杂。相⽐于模拟信号，PWM信号和数字逻辑信号的采集⽐较直接，单⽚机能够直接处理这类信号，⽆需额外的器件进⾏信号转换。
这⾥的模拟信号是指电压和电流信号，对模拟信号的处理技术主要包括模拟量的选通、模拟量的放⼤、信号滤波、电流电压的转换、V/F转换、A/D转换等。 1．模拟通道选通
单⽚机测控系统有时需要进⾏多路和多参数的采集和控制，如果每⼀路都单独采⽤各⾃的输⼊回路，即每⼀路都采⽤放⼤、滤波、采样/保持，A/D等环节，不仅成本⽐单路成倍增加，⽽且会导致系统体积庞⼤，且由于模拟器件、阻容元件参数特性不⼀致，对系统的校准带来很⼤困难；并且对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采⽤⼀个回路⼏乎是不可能的。因此，除特殊情况下采⽤多路独⽴的放
⼤、A/D外，通常采⽤公共的采样／保持及A／D转换电路(有时甚⾄可将某些放⼤电路共⽤)，利⽤多路模拟开关，可以⽅便实现共⽤。
在选择多路模拟开关时，需要考虑以下⼏点：
（1）通道数量
通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道数⽬越多，寄⽣电容和泄漏电流通常也越⼤。平常使⽤的模拟开关，在选通其中⼀路时，其它各路并没有真正断开，只是处于⾼阻状态，仍存在漏电流，对导通的信号产⽣影响；通道越多，漏电流越⼤，通道间的⼲扰也越多。滚动转子式压缩机
（2）泄漏电流
在设计电路时，泄漏电流越⼩越好。采集过程中，信号本⾝就⾮常微弱，如果信号源内阻很⼤，泄漏电流对精度的影响会⾮常⼤。
（3）切换速度
在选择模拟开关时，要综合考虑每路信号的采样速率、A/D的转换速率，因为它们决定了对模拟开关的切换速度的要求。
（4）开关电阻
理想状态的多路开关其导通电阻为零，⽽断开电阻为⽆穷⼤，⽽实际的模拟开关⽆法到这个要求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻⾜够低的多路开关。
（5）参数的漂移性及每路电阻的⼀致性
（6）器件的封装吸咪头
常⽤的模拟开关有DIP和SO两种封装，可以根据实际需要选择。
2．信号滤波
从传感器或其它接收设备获得的电信号，由于传输过程中的各种噪声⼲扰，⼯作现场的电磁⼲扰，前段电路本⾝的影响，往往会有多种频率成分的噪声信号，严重情况下，这种噪声信号甚⾄会淹没有效输⼊信号，致使测试⽆法正常进⾏。为了减少噪声信号对测控过程的影响，需采取滤波措施，滤除⼲扰噪声，提⾼系统的信噪⽐(S／N)。
过去常⽤模拟滤波电路实现滤波，模拟滤波的技术较为成熟。模拟滤波可分为有源滤波和⽆源滤波。设计有源滤波器，⾸先根据所要求的幅频特性，寻可实现的有理函数进⾏逼近设计。常⽤的逼近函
数有：波待⽡兹（Butterworth)函数、切⽐雪夫(Chebyshev)函数，贝塞尔(Besel)函数等，然后计算电路参数，完成设计。
但是模拟滤波电路复杂，不仅增加了设计成本，⽽且还增加系统的功耗，降低了系统可靠性。随着电⼦技术的发展，现在很多的场合都应⽤数字滤波技术。数字滤波技术发展⾮常迅速，现在的⼿机、PDA等智能设备，⼤多采⽤数字滤波技术。它作为软件⽆线电的⼀个处理单元，有⾮常⼴阔的发展前景。但是，单⽚机的处理能⼒有限，只能完成⽐较简单的数字滤波。
在单⽚机系统中，⾸先在设计硬件是对信号采取抗⼲扰措施，然后在设计软件时，对采集到的数据进⾏消除⼲扰的处理，以进⼀步消除附加在数据中的各式各样的⼲扰，使采集到的数据能够真实的反映现场的情况。下⾯介绍的⼏种⼯控中常⽤的数字滤波技术。
（1）死区处理
从⼯业现场采集到的信号往往会在⼀定的范围内不断的波动，或者说有频率较⾼、能量不⼤的⼲扰叠加在信号上，这种情况往往出现在应⽤⼯控板卡的场合，此时采集到的数据有效值的最后⼀位不停的波动，难以稳定。这种情况可以采取死区处理，把波动的值进⾏死区处理，只有当变化超出某值时才认为该值发⽣了变化。⽐如编程时可以先对数据除以10，然后取整，去掉波动项。
（2）算术平均值法
公式为YK =(XK1+XK2+XK3+…+XKN)/N，在⼀个周期内的不同时间点取样，然后求其平均值，这种⽅法可以有效的消除周期性的⼲扰。同样，这种⽅法还可以推⼴成为连续⼏个周期进⾏平均。
固化闪电之源（3）中值滤波法
这种⽅法的原理是将采集到的若⼲个周期的变量值进⾏排序，然后取排好顺序的值得中间的值，这种⽅法可以有效的防⽌受到突发性脉冲⼲扰的数据进⼊。在实际使⽤时，排序的周期的数量要选择适当，如果选择过⼩，可能起不到去除⼲扰的作⽤，选择的数量过⼤，会造成采样数据的时延过⼤，造成系统性能变差。
（4）低通滤波法
智能飞行器技术公式为YK =Q*XK+(1-Q)*YK-1 截⽌频率为f=K/2πT。这种滤波⽅式相当于使采集到的数据通过⼀次低通滤波器。来⾃现场的信号往往是4~20mA信号，它的变化⼀般⽐较缓慢，⽽⼲扰⼀般带有突发性的特点，变化频率较⾼，⽽低通滤波器就可以滤除这种⼲扰，这就是低通滤波的原理。实际使⽤时，根据信号的带宽，合理选择Q值。
（5）滑动滤波法
滑动滤波法是由⼀阶低通滤波法推⼴⽽来的。现场信号⼀般都是平滑的，不会出现突变，如果接收到
的信号有突变，那么很可能就是⼲扰。滑动滤波法就是基于这个原理，把所有的突变都视为⼲扰，并且通过平滑去掉⼲扰。应⽤这种⽅法，只能处理平滑信号，并且不同的场合，数据处理过程也要做相应调整。滑动滤波法的公式是：Yn=Q1Xn+Q2Xn-1+Q3Xn-2，其中Q1 +
Q2+ Q3 =1且Q1 >Q2> Q3。
在实际使⽤时，常常需要结合多种⽅法，以其它滤波的效果。⽐如在中值滤波法中，加⼊平均值滤波，借以提⾼滤波的性能。
3．电流电压的转换
电压信号可以经由A/D转换器件转换成数字信号然后采集，但是电流不能直接由Ａ/Ｄ转换器转换。在应⽤中，先将电流转变成电压信号，然后进⾏转换。电流／电压转换在⼯业控制中应⽤⾮常⼴泛。
电流／电压转换最简单的⽅法是在被测电路中串⼊精密电阻，通过直接采集电阻两端的电压来获得电流。A/D器件只能转换⼀定范围的电压信号，所以在电流／电压转换过程中，需要选择合适阻值的精密电阻。如果电流的动态范围较多，还必须在后端加⼊放⼤器进⾏⼆次处理。经过多次处理，会损失测量的精度。
电解离子接地棒现在有很多电流／电压转换芯⽚，其响应时间、线性度、漂移等指标均很理想，且能适应⼤范围⼤电
USB重定向流的测量。
4．电压频率的转换
频率接⼝有以下特点：
(1)接⼝简单、占⽤硬件资源少。频率信号通过任⼀根I／O⼝线或作为中断源及计数时钟输⼊系统。
(2)抗⼲扰性能好。V／F转换本⾝是⼀个积分过程，且⽤V／F转换器实现A／D转换，就是频率计数过程，相当于在计数时间内对频率信号进⾏积分，因⽽有较强的抗⼲扰能⼒。另外可采⽤光电耦合连接V／F转换器与单⽚机之间的通道，实现隔离。
(3)便于远距离传输。可通过调制进⾏⽆线传输或光传输。
由于以上这些特点，V／F转换器适⽤于⼀些⾮快速⽽需进⾏远距离信号传输的A／D转换过程。利⽤V／F变换，还可以减化电路、降低成本、提⾼性价⽐。
5．A/D转换
A/D转换是指将模拟输⼊信号转换成N位⼆进制数字输出信号的过程。伴随半导体技术、数字信号处理
技术及通信技术的飞速发展，A/D转换器近年也呈现⾼速发展的趋势。⼈类数字化的浪潮推动了A/D转换器不断变⾰，现在，在通信产品、消费类产品、⼯业医疗仪器乃⾄军⼯产品中⽆⼀不显现A/D转换器的⾝影，可以说，A/D转换器已经成为⼈类实现数字化的先锋。⾃1973年第⼀只集成A/D转换器问世⾄今，A/D、D/A转换器在加⼯⼯艺、精度、采样速率上都有长⾜发展，现在的A/D转换器的
精度可达26位，采样速度可达1GSPS，今后的A/D转换器将向超⾼速、超⾼精度、集成化、单⽚化发展。不管怎么发展，A/D 转换的原理和作⽤都是不变的。在下⼀节，将着重讨论A/D转换技术。
⼀般情况下，为了提⾼集成度，除⽤集成度⾼、尺⼨⼩的电⼦元器件外，各路模拟信号应尽量共享电路，即⽤通道切换⽅式进⾏采集。共享的通道越多，需要的元器件越少，但采集帧频越慢，因此在共享通道数与采集速度之间需要综合考虑。将信号分成多组，例如，每组使⽤1⽚1MSPS、16bit的A/D芯⽚，负责采集128路模拟信号，各组A/D同时采集。当模拟通道增加时，只需增加组数，由于组之间是并⾏操作，因此增加组数并不会降低采集速度。通道切换分成两级，第⼀级为16选1，第⼆级为8选1，因此每组可对128路信号进⾏切换。通过MCU选中的单路信号进⾏可编程增益放⼤、滤波，然后进⼊A/D进⾏采集
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