提高实时系统数据采集质量的研究

2.2.2  改进型竞赛评分滤波法
竞赛评分滤波法由于既能消除脉冲干扰,又能滤除低频纹波,是工程上常用的一种数字滤波方法。其基本思想是:对某一点的多次采样值进行比较,舍弃最大、最小值,把余下的采样值取算术平均值作为该点的最终有效采样值。实践证明此方法对干扰噪音较大的系统来效果不够理想,为此笔者在某配料系统研制中对上述经典的竞赛评分滤波法进行了改进,称“改进型竞赛评分滤波法”。其基本思想是:加大某一点的采样次数,然后对该点的多次采样值进行排序,舍弃最大、最小段(而不是最大、最小值),把余下的中间段4(或8)个采样值进行算术累加,然后右移2(或3)次即取算术平均值作为该点的最终有效采样值。这种方法虽然效果明显,但不能直接应用到小型实时系统中,因小型实时系统一般采用可编程控制器PLC或单片机作为控制部件直接面对物理层,其内存空间极为有限。为此进一步改进如下:对某一点施以N次(N≥6)改进型竞赛评分滤波法,得到N个有效采样值,记为t1,t2…tn(n=N),再对t1,t2…tn进行一次改进型竞赛评分滤波法,将所得值作为该点的最终有效采样值。当然这种方法是以时间和空间来换取数据精度的。
3 接地技术
在低电平放大电路中,合理地接地是减少地噪声干扰,提高数据采集质量的重要举措,必须予以特别注意。就一般情况而言,在硬件设计时,系统中的模拟公共地线应该与数字公共地线分开,然后只在一点汇集,呈“星形”状。笔者在某分析仪系统研制中曾使用北京某公司生产的PS_2119放大、采集多功能模板,为减少长距离信号传输带来的空间干扰,选用差分输入。该系统的工作原理是:当用X光线以不同的角度照射光电装置中的被测物时,其光电转换装置输出的电压幅值与X光线照射的角度成函数关系。该输出电压经放大、采集、数据处理,最后以余弦波的形式在PC上显示测试结果。图4为该系统曾经使用的不正确接地线路,其中:
    H:差分高端输入端子。
    L:差分低端输入端子。
    AGND:模拟地端子。


这种接地方法产生的后果是PC上显示的余弦波形毛剌较大,经检验产品合格率低。后改为图5所示的接地方法,其输出的余弦波形光滑,经检验产品误差在允许范围之内。
从电路分析的角度看,图4、图5都使放大采集板的差分低端L、模拟地AGND与光电转换装置的“模拟地”等三点达到“共地”的目的,但接地形式不同,产生的结果却截然相反。


4 供电技术
电源噪声对数据采集质量有着严重的危害性。在采用交流供电的实时系统中,电压波动会使系统产生随机性误差。同样,在采用干电池供电的便携式实时系统中,电池衰减会导致系统出现“时漂”。对于这些问题,已经出现了许多成熟有效的技术措施,如各种稳压器、低通滤波器、光电隔离器等。然而,前向通道对电压的波动是非常敏感的,仅采用上述措施还不够,特别对于那些物理要求传感器信号在现场放大,而采样、控制又独成体系的实时系统,其供电应特别注意。一般在设计这种系统时,为供电方便,往往将传感器、放大器与A/D所在的电路采用分开供电的方法,即传感器、放大器由现场供电,而A/D所在的电路采用另外的供电形式。这种将前向通道分开供电的方法存在一定的弊端。比较好的方法应当尽可能地对传感器、放大器、A/D采用同一电源,最好是同一电源的同一输出端子供电。这样一旦发生电源波动,则传感器、放大器、A/D的满度输出也随之变化,其最终采样值会相对基本保持不变或变化很小。
5 接口初始化技术
电源噪声及空间干扰常常会引起系统接口参数的变化,进而导致系统出现许多异常现象,严重时会使系统死机。在实际运行的实时系统中,往往会发生这样的现象:当某系统在前一时刻还处于最佳运行状态时,后一时刻却突然出现死机现象,甚至这种现象无法使用系统复位键进行清除,只好去电再加电即冷启动之后才能使系统恢复正常工作。出现这种情况除系统的容错处理存在一定缺陷之外,另一个重要原因就是因为系统对接口的初始化时序安排不当。例如,有些实时系统在设计时把初始化参数安排在冷启动之后一次完成,随后予之不理。这种方法至少会使系统潜伏着一定的缺陷。比较好的方法是在系统每次调度某一接口之前,先对其进行初始化,然后再调度。当然这对使用一块或两块可编程接口的简单系统来说比较容易。随着数字技术的不断发展,市场上已经涌现出了可编程放大器、可编程A/D、可编程键盘/显示驱动、可编程实时钟、可编程E2PROM以及本身带有多种可编程功能接口和可编程双向位控功能的单片机。使用这些智能器件能使系统硬件变得简单而可靠,但同时也带来了接口初始化和编程问题。为避免上述干扰对接口产生影响,较好的方法应当是在系统设计之前,首先从系统软、硬件两方面进行仔细分析,研究各接口在具体系统中的时序及相互制约关系;然后在每次调度具体接口之前先对其进行初始化,然后再调度。在没有对系统进行上述分析的情况下,简单地按先初始化再调度的方法对各接口进行操作,会顾此失彼,甚至整个系统无法运行。
上述方法均已在实际生产中得到应用,且收到了良好的效果。需要指出的是:上述方法适宜的采集对象为缓慢变化的信号,工业现场的大部分信号例如压力、温度、湿度、交变的电压、电流等均属此类信号。如果采集的对象为高速变化信号,应采用DSP(数字信号处理机)及其相关技术。