基于多通道模数转换器的高低频信号有限时间混合采集方法与流程

本发明涉及数据采集方法，尤其涉及一种基于多通道模数转换器的高低频信号波形混合采集方法。

背景技术：

在一些多路信号采集的场合，会出现某些低频信号和高频信号需要同时采集的情况。如果使用传统的单一数据采集卡的同一频率采集，则会遇到采集频率和信号频率无法匹配的矛盾。如果根据高频信号采集要求的频率进行采集，则低频信号部分单周期会采集过多的数据点，浪费较多资源，性价比低；反之，如果根据低频信号采集要求的频率进行采集，则高频信号部分单周期采集数据点达不到采集要求。

公开号为201510155256.4的中国专利公开了一种软仿真插值提升交流采样频率的方法，通过在实际采样点间插入模拟仿真点，提升了交流采样频率，提高采样精度。现有技术能适用于高低频信号波形混合采集，但是其高频信号的采集要求是利用软件插值提升频率达到的，并不是实际采样数据得到的，软仿真插值结果不如实际采样数据的准确度高。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种基于多通道模数转换器的高低频信号有限时间混合采集方法，该方法能够在有限时间内通过采集通道的合理配置，实现高低频信号波形的混合采集，提高性价比。

一种基于多通道模数转换器的高低频信号有限时间混合采集方法，具体包括以下步骤：

(1)定义以基础频率采集的信号为低频信号，以n倍基础频率采集的信号为高频信号；

(2)按照步骤(1)中的定义将各个采集信号进行分类，得到低频信号为a个，高频信号为b个，并确定高频信号的采样频率为f₂，低频信号的采样频率为f₁＝f₂/n；如果实际高低频信号不是整数倍关系，以高频信号频率为基准来确定；

(3)根据模数转换器的最高采样速率f_max与采样通道总数L限制，以设定的采样频率与参数对每个低频信号与高频信号进行分组采样，得到第i个低频信号采样数据点的集合A_i和第j个高频信号采样数据点的集合B_j，其中，1≤i≤a，1≤j≤b；

(4)将集合A_i中的所有数据点合成该低频信号波形，将集合B_j中的所有数据点通过分割叠加合成该高频信号波形。

所述的步骤(3)的具体步骤为：

(3-1)设定每个通道采集一个数据点，对低频信号采用单通道采集，每次分组采样采集一个数据点，对高频信号采用多通道采集，每次分组采样采集多个数据点；

(3-2)设定各信号每个周期采样N个数据点，每个高频信号占用m个通道，且相邻高频信号采集通道之间的间隔δ通道，则采集通道数M为：

M＝a+b×m≤L

(3-3)定义内时钟周期为分组采样中高频信号采样周期，外时钟周期是分组采样中低频信号采样周期，是每组采样时间与组间间隔时间之和，

内时钟频率f_in为：

组间间隔时间T_d为：

其中，δ_t为某高频信号占用的末通道与下一个循环采样时首通道之间的间隔通道数，且δ_t≤δ；

外时钟频率f_ex为：

(3-4)对于第i个低频信号，采集每次分组采样中的一个数据点，得到该低频信号采样数据点的集合A_i；

(3-5)对于第j个高频信号，采集每次分组采样中的多个数据点，得到该高频信号采样数据点的集合B_j。

所述的多通道采集是将同一信号接入多个通道，各个通道之间存在一个或多个内时钟周期的时移。每个外时钟周期内，低频信号采集一个数据点，高频信号采集m个数据点。

所述的步骤(4)的具体步骤为：

(4-1)对于低频信号，将集合A_i中的所有数据点合成该低频信号波形，每个信号周期包含N个数据点；

(4-2)对于高频信号，首先将集合B_j中的所有数据点按信号周期顺序分割，得到p个数据块，每个数据块包含mN/n数据点；然后，对于第k个数据块B_jk，将后面相邻的数据块B_j(k+1)、B_j(k+2)、...、B_j(k+n/m-1)交叉填充到数据块B_jk中，合成该高频信号波形，每个信号周期提升到N个数据点，k的取值范围为1,2,3,…,p。

当出现故障时，采样得到的数据点值会突变，根据突变数据点值判断出现故障信号的采样分组，则该分组采样所在的信号周期数据不参与此前、此后信号周期数据的叠加合成，单独以此分组采样周期采集的数据点合成此周期的波形，损失一些高频信号的精度，但是保证了准确度。这些精度受影响的分组采样周期较少且时间较短，误差可以接受。

故障信号通常为开关量信号，使用低频信号频率采样，且将其放在末通道采集。

本发明中，低频信号的完整采样周期是通过N个分组采样周期中的数据点叠加合成的，高频信号的完整采样周期是通过N/m个分组采样周期中的数据点叠加合成的，内时钟周期控制了高频信号每个分组采样周期内数据点之间的时移，组间间隔时间控制了高频信号的分组采样周期之间对应数据点之间的时移，以实现高频信号前后分组采样周期数据点的交叉叠加合成。

本发明基于多通道模数转换器的高低频信号有限时间混合采集方法，低频信号通过单通道多分组采样周期叠加采集，高频信号通过多通道多分组采样周期叠加采集，具有以下优点：

(1)当需要同时采集高频和低频信号时，使用一块数据采集卡的单通道采样时，则需要将所有信号的采样频率都设置为最高采集频率，方能满足所有信号的采集频率需求。此时对于需要高频采集的信号来说没有损失，但是对于其他只需要低频采集的信号来说，浪费了大量的采集和存储资源。本发明方法的提出，则能有效解决该问题，使各个信号都能按照其适合的频率进行采集，合理利用资源，提高了性价比。利用节省下来的数据采集卡的资源，还能实现原先采样方式无法实现的采集要求。

(2)当需要同时采集高频和低频信号时，使用多块数据采集卡也能实现高低频信号波形混合频率采集，但此时硬件结构复杂，成本较高。本发明的方法只需要一块数据采集卡，硬件结构简单、性价比高。

附图说明

图1为本发明实施例中6脉整流逆变电路电气原理图；

图2为本发明实施例中外时钟触发的分组采样脉冲图；

图3为本发明实施例中信号与数据采集卡硬件连接示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本实施例中采集整流逆变中频感应电炉设备中的6脉整流逆变电路的电气柜信号，实用的数据采集卡的采样速率最高为250kHz，模拟输入通道总数有16路。

如图1所示的是6脉整流逆变电路电气原理图，整流变压器1输入工频三相电，整流桥2整流出直流电，通过滤波电抗3，输入到逆变桥4得到中频交流电，整流桥和逆变桥输出信号到故障诊断模块5。需要采集的信号为：整流输入电压6、整流输入电流7、整流输出电压8、逆变输入电压9、逆变输出电流10、逆变输出电压11以及故障信号12共7种信号。整流输入电压6的频率在50Hz左右，整流输入电流7、整流输出电压8、逆变输入电压9的频率在300Hz左右，逆变输出电流10、逆变输出电压11的频率在2.7kHz左右，故障信号是开关量信号。

采用本发明的方法对以上信号进行采集，具体为：

步骤1，以基础频率为300Hz采集的信号为低频信号，以9倍基础频率采集的信号为高频信号。

步骤2，按照步骤1中的定义将各个采集信号进行分类，得到低频信号为5个，分别为：整流输入电压6、整流输入电流7、整流输出电压8、逆变输入电压9以及故障信号12；高频信号为2个，分别为：逆变输出电流10、逆变输出电压11。

步骤3，设定每个通道采集一个数据点，对低频信号采用单通道采集，每次分组采样采集一个数据点，对高频信号采用多通道采集，每次分组采样采集多个数据点；

步骤4，设定每个周期采样63个数据点，每个高频信号占用3个通道，且相邻高频信号采集通道之间的间隔3通道，则采集通道数M为：

M＝(5+2×3)≤16

步骤5，定义内时钟周期为分组采样中高频信号采样周期，外时钟周期是分组采样中低频信号采样周期，是每组采样时间与组间间隔时间之和，外时钟触发的分组采样脉冲图如图2所示，其中，a表示启动使能，b表示外时钟脉冲，c表示分组采样脉冲。

内时钟频率f_in为：

组件间隔时间T_d为：

其中，δ_t＝2；

外时钟频率f_ex为：

如图3所示，设置分组采样的通道顺序如下：

10-11-6-7-10-11-8-9-10-11-12

信号与数据采集卡硬件连接包括：

逆变输出电流10：连接AI0、AI4、AI8号通道。

逆变输出电压11：连接AI1、AI5、AI9号通道。

整流输入电压6：连接AI2号通道。

整流输入电流7：连接AI3号通道。

整流输出电压8：连接AI6号通道。

逆变输入电压9：连接AI7号通道。

故障信号12：连接AI10号通道。

步骤6，对于第i个低频信号，采集每次分组采样中的一个数据点，得到该低频信号采样数据点的集合A_i，将集合A_i中的所有数据点简单合成该低频信号波形，每个信号周期包含63个数据点；

利用步骤6合成整流输入电压6的波形、整流输入电流7的波形、整流输出电压8的波形、逆变输入电压9的波形、故障信号12的波形。

步骤7，对于第j个高频信号，采集每次分组采样中的多个数据点，得到该高频信号采样数据点的集合B_j；

对集合B_j中数据点合成整个波形的过程为：

首先，将集合B_j中的所有数据点按信号周期顺序分割，得到p个数据块，每个数据块包含21数据点；

然后，对于第k个数据块B_jk，利用后面相邻的数据块B_j(k+1)，B_j(k+2)，交叉填充合成该高频信号波形，每个信号周期提升到63个数据点，k的取值范围为1,2,3,…,p。

利用步骤7合成逆变输出电流10的波形、逆变输出电压11的波形。

举例说明逆变输出电流10的集合B₁中数据点的获得和合成过程为：

高频信号第一次分组采样采集到的相当于一个周期中的1、4、7号点，第二次分组采样采集到的相当于一个周期中的10、13、16号点，以此类推，第7次分组采样采集到一个周期中的55、58、61号点。第8次分组采样采集到的相当于第二个周期中的2、5、8号点，之后继续11、14、17号点，以此类推，第14次分组采样采集到第二个周期中的56、59、62号点。第15个分组采样采集到的相当于第三个周期中的3、6、9号点，之后继续12、15、18号点，以此类推，第21次分组采样采集到第三个周期中的57、60、63号点。

将以上得到的所有数据点按照信号周期顺序分割，得到3个数据块，每个数据块包含21个数据点，对于第1个数据块B₁₁，利用后面相邻的数据块B₁₂和B₁₃交叉填充到第1个数据块B₁₁中，合成该逆变输出电流10的波形，每个信号周期提升到63个数据点。

故障信号是开关量信号，当中频感应电炉电气柜正常工况时是低电平，当电气柜出现故障时变成高电平。此时其他信号会出现突变，则不适合高频信号的叠加合成。将故障信号放在末通道采集，当判断其处于高电平时，则说明该分组采样周期中信号周期波形可能发生了突变，所以该分组采样周期的高频信号采样点不与前后周期进行叠加合成，单独以此分组采样周期采集的数据点合成此分组周期的波形，这样会损失一些高频信号的精度，但是保证了准确度。该分组采样周期的前几个未合成的周期(少于21个分组采样周期)，仍然叠加合成。这些精度受影响的分组采样周期较少且时间较短，误差可以接受。该分组采样周期的后续分组采样周期重新开始叠加采集。

以上即实现了一种基于多通道模数转换器的高低频信号有限时间混合采集方法。

如果这7个信号都使用单通道的方式采样，则根据2.7kHz高频信号每个周期采样63个点的要求，数据采集卡最终设置的采集速率为：

f＝2.7kHz×63×7＝1190.7KHz

远远超过了该数据采集卡的最大采样速率，无法实现。

如果使用本发明的基于多通道模数转换器的高低频信号波形混合采集方法采样，则需要使用11个通道，基础频率为300Hz，则数据采集卡最终设置的采集速率为226.8kHz。

由此可以看出，本发明不仅能大大提高数据采集卡的利用效率，合理使用资源，提高性价比。而且还能在一些场合实现原先无法实现的采样要求，大大提高了实用性。实际应用中，如果数据采集卡对采集速率的设置有限制，即按照上述步骤计算出来的内时钟频率不在数据采集卡的允许采集速率点，可以先就近迁移至允许的采集速率点，再反向核算外时钟频率的设置值。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。