[發(fā)明專利]對(duì)工業(yè)控制緩動(dòng)直流信號(hào)軟硬件結(jié)合濾波的方法及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310734440.5
• 申請(qǐng)日: 2013-12-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103905014A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙世平;桑勝田;張栗偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱安天科技股份有限公司
• 主分類號(hào): H03H17/00
• 分類號(hào): H03H17/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

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(duì)工業(yè)控制緩動(dòng)直流信號(hào)軟硬件結(jié)合濾波的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

工業(yè)控制緩動(dòng)直流信號(hào)（以下簡(jiǎn)稱緩動(dòng)直流信號(hào)）在工業(yè)控制系統(tǒng)中非常常見(jiàn)，很多模擬傳感器（溫度、壓力、流量等）和變送器輸出信號(hào)都屬于緩動(dòng)直流信號(hào)，工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)模擬聯(lián)絡(luò)信號(hào)多數(shù)也屬于緩動(dòng)直流信號(hào)，緩動(dòng)直流信號(hào)的頻譜中，頻率上限一般不超過(guò)5Hz。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)往往存在較為強(qiáng)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(shí)際工業(yè)環(huán)境中，工頻干擾很容易竄入緩動(dòng)直流信號(hào)中，與緩動(dòng)直流信號(hào)疊加在一起，對(duì)緩動(dòng)直流信號(hào)造成干擾。這種干擾有時(shí)候甚至是很強(qiáng)烈的，能導(dǎo)致測(cè)量?jī)x表測(cè)量不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)測(cè)量?jī)x表甚至根本無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，因此，有必要在測(cè)量?jī)x表中，進(jìn)行模擬信號(hào)調(diào)理時(shí)有效濾除工頻干擾。

緩動(dòng)直流信號(hào)頻率上限與工頻干擾頻率下限相距較遠(yuǎn)，理論上濾除并不復(fù)雜，過(guò)去通常使用簡(jiǎn)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(jì)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(jiǎn)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(cè)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(jiǎn)單的一階RC低通濾波存在幅—頻曲線平緩的缺點(diǎn)，倍頻程選擇性差（僅6dB/倍頻程），通帶和阻帶之間沒(méi)有十分陡峭的界限，將轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計(jì)為5Hz左右雖然基本能滿足濾除工頻干擾的需求，但對(duì)有用信號(hào)也有一定的損失，會(huì)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(lái)的測(cè)量誤差也越明顯，因此這種簡(jiǎn)單的濾波方法對(duì)于高精度測(cè)量是不宜使用的。復(fù)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(cè)量?jī)x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(wú)法使用復(fù)雜數(shù)字濾波算法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種對(duì)工業(yè)控制緩動(dòng)直流信號(hào)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(hào)時(shí)，對(duì)緩動(dòng)直流信號(hào)的干擾，能夠降低在去除工頻干擾信號(hào)時(shí)的硬件成本，并且保證對(duì)緩動(dòng)直流信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

一種對(duì)工業(yè)控制緩動(dòng)直流信號(hào)軟硬件結(jié)合濾波的方法，包括：

將緩動(dòng)直流信號(hào)通過(guò)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(duì)5Hz信號(hào)的衰減僅約為0.2dB（絕對(duì)值），相對(duì)轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計(jì)為5Hz的一階RC低通濾波器，對(duì)5Hz信號(hào)的衰減約為3dB（絕對(duì)值），25Hz轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計(jì)對(duì)緩動(dòng)直流信號(hào)中的有用頻率成分影響大大減小；

將經(jīng)過(guò)硬件濾波電路的緩動(dòng)直流信號(hào)通過(guò)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(jì)的一階RC低通濾波器對(duì)2.5kHz信號(hào)的衰減可達(dá)約40dB，因此只要將ADC采樣速率設(shè)計(jì)為5kS/s以上，即可同時(shí)起到抗頻率混疊作用；

將經(jīng)過(guò)模數(shù)變換器的緩動(dòng)直流信號(hào)進(jìn)行IIR數(shù)字低通濾波算法進(jìn)行二次濾波，得到濾波后的緩動(dòng)直流信號(hào)。25Hz轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計(jì)的一階RC低通濾波器對(duì)50Hz信號(hào)的衰減約為6dB，對(duì)100Hz信號(hào)的衰減約為12dB，對(duì)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(jìn)行二次濾波。

所述的方法中，所述的IIR數(shù)字低通濾波算法對(duì)50Hz信號(hào)總衰減至少為30dB。由于硬件濾波電路對(duì)工頻干擾信號(hào)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(jì)要求可以降低，保證對(duì)50Hz信號(hào)總衰減30dB以上的要求即可。

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(yīng)該盡量高一些，通常可以取25Hz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0Hz—5Hz頻率范圍內(nèi)，其相頻特性依然可以近似看作線性的，對(duì)5Hz及其以下頻率有用信號(hào)影響很小。

所述的方法中，在IIR數(shù)字低通濾波算法進(jìn)行迭代運(yùn)算時(shí)，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(jìn)行加減乘運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果小數(shù)點(diǎn)右移n位。在IIR數(shù)字濾波器算法進(jìn)行迭代運(yùn)算時(shí)，為了避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算字長(zhǎng)和相乘系數(shù)精度，將所有小數(shù)相乘系數(shù)乘以2ⁿ轉(zhuǎn)換成為整數(shù)，然后直接進(jìn)行加減乘運(yùn)算，最后將運(yùn)算結(jié)果右移n位，算法即可在8位高速單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

一種對(duì)工業(yè)控制緩動(dòng)直流信號(hào)軟硬件結(jié)合濾波的系統(tǒng)，包括：