专利名称：预处理装置和方法
技术领域：
本发明适合用于抑制环境条件传感器输出电信号中的随机噪音，更具体地说涉及的是一种信号处理装置和方法，用于最大限度地减小能够指示诸如烟雾或火的环境条件的电信号中的随机噪音。
已经有多种系统能够检测报警条件。本申请入获得的另一项美国专利4916432号公开了一种用于检测烟雾或火的系统，在此引用作为已知技术。
在接受系统中一个或多个检测器产生的输出后，该系统的控制单元能够根据一种或多种因素来判断是否发生了火警。已经采用过多种用于作出上述判断的技术。
诸如光电烟雾检测器之类的烟雾传感器提供了能够指示环境烟雾状况的输出信号。然而，由可能进入上述传感器之中的灰尘颗粒或昆虫之类产生的环境噪音会使传感器的输出信号产生变化，这样的环境噪音与烟雾的存在没有任何关系。如果相应检测器的灵敏度足够高，这些含有噪音的输出就有可能导致误报警。
已往试图解决上述问题的努力只能说是部分成功，例如为检测器安装网罩来防止昆虫进入检测器。这样作会减小所用检测器的灵敏度，使得只有在出现较大输出信号时才会产生误报警(然而为产生真实报警也需要较大的输出信号)。这不是一种理想的解决方案，因为当出现烟雾或火时会延迟报警信号的产生。此外，也可以采用对模拟或数字输出信号进行某种形式的滤波或平滑，以便减小所述瞬态随机噪音的影响。
现实总是需要提供能够尽可能减小随机噪音影响的装置和方法，它一方面使得检测器能以尽可能高的灵敏度进行工作，另一方面又具有足够的可靠性，不会因为瞬态噪音而发出误报警。这样的装置和方法最好能装入到检测器中，同时又不至于显著地增大其复杂性或成本。
本发明的目的是提供一种在现场或远处对环境条件传感器的输出信号进行预处理的装置和方法。该预处理装置和方法能够消除与检测到的环境条件无关的噪音脉冲。
上述预处理的方式是对传感器的当前输出值和先前输出值进行比较，并选择其中的最小值。该装置能够安装用于存储两个先前输出值的存储器，将当前输出值与两个先前输出值进行比较，并选取这3个数值中的最小值。
此外，所述预处理的方式还可以是将当前输出值与预期的正常输出值进行比较。如果当前输出值超过了所述预期正常值，就选取当前输出值与一个或多个先前输出值中的最小值。如果当前输出值小于所述预期正常输出值，则选取当前输出值与一个或多个先前输出值中的最大值。
本发明的方法包括如下步骤A、确定一个测量周期；B、检测一种环境条件的当前值，并产生一个指示该当前值的信号；C、对所述信号的当前值和该信号的至少一个先前值进行比较；E、根据比较的结果，选择一个最小值予以输出；F、存储所述信号的当前值；G、在下一个测量周期中重复步骤B-E。
通过下面结合附图对本发明以及其实施例的详细说明，本发明的其他特点和效果将变得更为清楚。
附
图1是本发明的一种报警系统的方框图；附图2是可供附图1所示系统使用的检测器的方框图；附图3是一种检测器的输出曲线图，其输出是在没有检测到环境报警条件的情况下获得的，它是时间或采样数目的函数；附图4是对附图3所示传感器输出信号进行预处理之后的曲线图；附图5是对附图3所示传感器输出信号进行另一种预处理后的曲线图；附图6A-6C是传感器输出信号以及对之进行预处理后的曲线图；附图7是附图6C所采用的方法的流程图；附图8是一种模拟预处理电路的方框图；附图9是一种数字预处理电路的方框图。
本发明可以采用许多不同形式的实行实现方式，下面仅仅结合附图对本发明的特定实施例进行详细说明。应当指出的是，该实施例仅仅是举例性质的，不应当对本发明的范围产生限制。
附图1显示了本发明的系统10的方框图。该系统包括一个控制单元12，它可以采用一个可编程的处理器14和一个存储单元16来实现。上述存储单元16可以是只读存储器、读写存储器或者能以电方式编程的只读存储器，具有供处理器14使用的程序存储区域和数据存储区域。
控制单元12通过双向通讯连线20与总地用附图标记22来表示的多个环境条件传感器或检测器相连接。上述多个检测器22，例如传感器22A、22B…22N，用于监测相邻环境中的某个特定环境参数。
检测器的典型类型是电离型或光电型烟雾检测器。根据本发明，可以在系统10中采用温度传感器以及其他类型的环境参数传感器。
附图2是适合系统10使用的检测器22I的方框图。该检测器22I包括一个传感元件30，用于检测特定的环境条件，例如烟雾、温度、红外辐射或类似参数，该传感元件通过导线32提供一个用于指示上述参数的电信号。
附图3是导线32所提供的输出波形，该波形是时间或传感器30采样数目的函数。如附图3所示，在正常或不需要报警的情况下，检测器30在导线32上产生如标记36所示的正常值，表明不存在任何需要报警的环境条件。
例如，当检测器30为光电型或电离型传感器时，上述正常值36对应于由传感器30产生的洁净空气输出值，表示不存在烟雾。对于诸如辐射能量传感器、温度传感器或其他类型的典型传感器来说，其输出与上述情况相似。
如附图3所示，传感器30的输出导线32会产生如脉冲38A、38B、38C所示的随机噪音信号。附图3所示的上述噪音与需要检测的任何环境条件，例如烟雾、火或温度等等都不相关，它们仅仅表示传感器30所检测到的噪音。
产生上述噪音的典型噪音源包括灰尘、昆虫以及传感器30有可能对之产生响应的电瞬态过程或类似情况。与需要监测的任何环境条件，例如烟雾、热或火等无关的上述脉冲38A-38C是一种不希望产生的信号，如果不予以抑制，就会在高灵敏系统中产生误报警。
回到附图2，传感器30通过导线32将其输出送到一个现场检测器控制元件40。该控制单元40可以用数字电路或模拟电路来现。如果采用数字方式，控制元件40既可以采用硬线逻辑，也可以采用装有程序的微机。控制元件40通过接口电路42和通信链路20能够与系统控制单元12进行双向通讯。
本发明的一种下面将要详细说明的方法可以用系统控制单元12来实现，也可以用检测器本地控制元件40来实现，对此没有限制。上述方法可以用硬线电路来实现，也可以用设置了程序的微机来实现，对此也没有限制。
附图4表示了根据本发明对附图3所示检测器30的输出进行预处理之后所获得的结果。如附图4所示的预处理可以在本地控制元件40中进行，也可以在系统控制单元12中进行。如附图4所示，诸如38A、38B之类的单个噪音脉冲已经基本上完全被消除了。
根据附图4所示的预处理方法，传感器通过导线32产生的当前输出将与传感器在前一采样周期中产生的输出进行比较。这两个数值中的最小值被检测为当前输出值。当传感器当前输出值大于上述两个数值中的最小值时，将在预处理序列中采用该最小值来取代它。这样，通过根据本发明进行预处理，就能够完全消除诸如附图3所示的脉冲38A、38B之类的单个噪音脉冲。
本发明的预处理方法(附图4)可以表述如下如果输出N－1大于输出N，则将输出N设置为等于输出N，否则将输出N设置为等于输出N－1。这样，通过上述预处理方法，就能够基本上将噪音消除掉。然而，对烟雾、热或火的响应不会受到显著的减小，只会被延迟，但是仅仅延迟一到两个采样周期。由于采用本发的上述预处理方法能够消除瞬态噪音，从而允许大大提高用于系统10的每一个传感器的灵敏度，这就足以抵消上述延迟所带来的不利影响。对于已往的系统10来说，为了尽可能地减小由于瞬态噪音所导致的误报警问题而不得不减小检测器的灵敏度，而本发明的系统10可以采用具有更高灵敏度的检测器，因而对于火警条件来说具有更快的响应速度。
如附图4所示的预处理方法可以通过下述方式来增强如果当前输出值超过了正常数值36，这种情况在没有监测到环境条件和没有噪音的情况下也会发生，则选择当前数值和先前数值中的最小值。此外，如果当前的传感器检测值小于正常值，则选择当前传感器检测值和先前传感器检测中的最大值，不包含噪音的输出36将最大限度地减小传感器的负向噪音。上述步骤能够同时消除正向和负向噪音脉冲。
附图5是根据另一种方法对传感器30(附图3)的输出进行预处理所获得的曲线图，在附图5所示的方法中，将门限值36A设定为大于对应于洁净空气的正常输出值36。
根据附图5所示的方法，将导线32所提供的当前值与上述门限值36A进行比较。如果当前值，例如附图3中所示的数值38A，超过了门限值36A，则采用先前值来取代当前值，除非是先前值也超过了门限值36A。在这种情况下(亦即在没有两个连续超过门限值的输出的情况下)，如果先前值小于门限值36A，预处理器就输出该先前值来作为当前值。
只有当诸如脉冲38A之类的单个脉冲的幅值大于附图5所示的门限值36A时，才会将该脉冲消除掉。对输出的噪音脉冲38B来说也是同样。采用上述不同的预处理方法，所有小于门限值36A的数值都将原样不动地予以输出，以便作进一步的处理。
在本发明所提供的上述方法的实质性范围内还可以作出种种变化，例如曲线6A、6B、6C表示采用一个或两个由传感器30所产生的先前输出值进行预处理所获得的结果。附图6A表示了由传感器30通过导线32所产生的采样值，当采样值在正常输出值36的附近变化时，它是采样数目或采样周期的函数。在区域50中，由于检测到了烟雾，检测输出以一种非随机方式增大。
附图6B显示了选择当前输出值和一个先前输出值中的最小值时，对附图6A所示信号的预处理。在附图6B中，当出现区域50所示当存在烟雾时，这一预处理方法提供了一个逐渐增大的输出，表示检测到了烟雾。
根据该方法的另一方面，传感器30的当前输出值可以和两个先前检测到的并予以存储的输出值进行比较。如果当前输出值超过了门限值36，则在当前输出值和两个先前输出值中选择一个最小值。在预处理的输出序列中，用上述最小值来取代当前输出值。当两个先前采样输出值都小于正常输出门限值时，则将它们视为数值为0。
如果传感器30的当前输出值小于正常门限值36，该当前值将与两个先前值进行比较，将这3个数值中的最大值用作当前输出值。如果所述两个先前输出值都等于或大于正常门限值，这些数值将为设置为0。如附图6B所示，与采用一个先前输出值相比较，采用两个先前输出值显著地减小了噪音。
附图6C显示了对附图6A所示信号进行预处理之后的结果，它选择了当前输出值以及两个先前输出值中的最小值(在当前输出值超过正常输出门限值36时)。另一种情况是选择当前输出值和两个先前输出值中最大值(在当前输出值小于正常输出门限值时)。如附图6C所示，如附图6A所示的随机无关噪音基本上被消除为0，同时在出现了烟雾的时间间隔50中，预处理中没有产生显著的延迟。如果需要，还可以采用两个以上的先前输出值。
应当指出的是，精确的采样周期不构成对本发明的一种限制。本技术领域中的普通技术人员将能够理解，根据所采用的传感器的类型以及预计的环境条件变化速度，应当采用适当的采样周期。例如，当需要检测的是烟雾、热量或火时，大致为5-6秒的采样周期已经是足够小的采样周期了，该采样周期数值仅仅是一种举例，它不应当成为一种限制。
附图7显示了如附图6C所示的方法的流程图。
如前所述，本发明的方法可以针对所有的检测器，在系统控制单元12中实现，但是最好直接在检测器22I中实现。在这种情况下，通过通信链路20将经过预处理的输出传送到控制单元12，以便作进一步的处理和分析。
附图8是用于实现附图4所示方法的电路图。如附图8所示，预处理电路54将被装入到现场控制元件40中，接受传感器30通过导线32所送来的模拟信号。第一和第二固体开关56A和56B接受导线32上的变化输出电压。在控制元件40的硬线控制逻辑中或者在一个可编程的微机中可以采用门电路58，将不同的门输入信号提供给开关56A、56B的栅极。
当开关56A、56B中的一个被置于导通状态时，导线32上的模拟电压存储在相应的电容器中60A或60B中。上述电容器60、60B为运算放大器62A、62B提供输入。输出导线64上的输出代表了导线32上的当前模拟电压和导线32上的先前模拟电压中的最小值。
上述控制原件40能够通过通信链路20将导线32上的最小值送到系统控制单元12。应当指出的是，预处理电路54可以具有检测功能，用于确定当前值An是大于还是小于正常输出值36和/或是大于还是小于门限值36A。
也可以如附图9所示那样，采用数字技术在现场控制单元40中进行现场预处理。
附图9显示了一个检测器70，它采用了用附图标记72所表示的数字预处理电路。上述检测器70包括一个传感器30，它可以是一个光电传感器，其输出导线32上的输出值是时间的函数。检测器70还包括一个控制电电路40，它可以是一个硬线电路，也可以是一个装有程序程的微机。
光电传感器的输出信号通过导线32送到放大器74予以放大，并在采样和保持电路76中予以采样和保持。上述采样和保持电路76在控制电路40的控制下进行工作。
采样和保持电路76的模拟输出通过导线78送到一个模/数转换器80予以数字化。通过导线78传送的经过数字化处理之后的模拟信号被暂时存储在SAR寄存器82中。
除了在模/数转换器80中将模拟信号转换成为数字信号之外，该模拟值还在比较器8件中与通过导线86传送的预存储高灵敏度门限值进行比较。上述预存储高灵敏度门限值的数值可以在控制电路40的控制下予以编程，或者通过一个由电阻构成的分压器来预先选定。
通过导线84A予以输出的比较器84的输出值能够指示出当前模拟值是大于还是小于导线86上的高灵敏度门限值。当前比较的结果被送到一个3位移位寄存器88中。上述移位寄存器88在控制电路40的控制下进行移位操作，它存储了当前比较以及先前两个比较的结果。
移位寄存器88的输出被送到一个噪音控制组合逻辑电路90。该噪音控制逻辑电路90对移位寄存器88中的存储数据进行分析，并根据该数据将SAR寄存器82的数字化信号送到数据保持寄存器R1、R2。
寄存器R1、R2的输出被送到一个多路调制器94，该多调制器94在控制电路40的控制下，选择两个保持寄存器R1、R2中的一个的数据，被选取的数据随后在一个数/模转换器96中被转换成为模拟值。
上述模拟值通过导线96A被送到一个采样和保持放大器98。该采样和保持放大器98对经过预处理和采样的模拟值进行处理，通过导线98A予以输出。该模拟输出值通过导线98A送到接口电路42，然后通过通讯连线20送到系统控制单元12。
当导线78上的当前模拟值小于导线86上的高灵敏门限值时，噪音控制逻辑电路90总是能够将SAR寄存器82的数据送到寄存器R1、R2。此时，SAR寄存器82的数据被选通送到寄存器R1、R2，并通过多路调制器94和数/模转换器96送到采样和保持放大器98。
上述采样和保持放大器98的输出表示了对导线32上的模拟输入信号的一种预处理结果。如果导线78上的采样电压大于导线86上的高灵敏门限值，该当前值和SAR寄存器所存储的数据将不会被选通到寄存器R1、R2。相反，寄存器R1、R2所存储的对先前模拟值的数字化结果被多路调制器94和数/模转换器96选通，送到采样和保持电路98予以输出。这样，导线98A上的对应于先前采样模拟值的模拟值就被用做当前的预处理模拟输出值。
当移位寄存器88的B0位和B1位上的数据表示当前模拟值和先前模拟值都超过了导线86上的高灵敏门限值时，SAR寄存器82的数据(它是当前采样模拟值的数字化结果)将被选通到寄存器R1、R2中的一个，通过多路调制器94和数/模转换器96以模拟信号的方式送到采样和保持放大器98，作为经过预处理后的模拟输出值。
在上面所述的实施例中，在进行预处理时将忽略超过高灵敏门限值的第一个模拟值，而将先前的传感器模拟值输出到接口电路42。然而，如果紧随其后的第二个模拟值也超过了所述高灵敏门限值，则即使导线32上的当前值超过了导线86上的高灵敏门限值，也仍然将该模拟信号输出到接口电路42。
当控制电路40采用微机时，如果需要，在不脱离本发明的实质性内容的情况下，还可以对寄存器R1、R2中数据进行其他附加的处理。
在一种有所变化的实施例中，预处理电路72可以根据附图6C所示的曲线图和附图7的方框图，对环境条件值进行预处理。根据这样的预处理，控制电路40可以通过接口电路42将当前值和一个或多个先前值中的最大值送到通讯连线20(当当前值小于洁净空气或预定门限值时)，或者当前值和一个或多个先前值中的最小值送到通讯连线20(当当前值大于洁净空气或预定门限值时)。
不难想象，在本发明的实质性内容的范围之内，还可以对本发明作出种种改变。本发明的范围不应限于上述实施例的具体结构，而是应当由下面的权利要求来确定。
权利要求
1.一种用于减小电信号中噪音的预处理电路，包括用于检测所述电信号的当前值的电路；用于存储所述电信号的至少一个先前采样值的电路；用对所述被存储的先前采样值与当前值进行比较的电路；用于选择所述两个被比较值中的最大值和最小值的电路；用于存储所述当前值的电路。
2.如权利要求1所述的预处理电路，包括一个用于确定至少一个门限值的电路。
3.如权利要求2所述的电路，包括一个电路，用于仅当所述当前值超过所述门限值时起动所述的比较电路。
4.如权利要求1所述的预处理电路，包括用于确定采样间隔的电路。
5.如权利要求1所述的预处理电路，包括用于确定所述当前值是否超过正常值的电路；一个电路，用于当所述当前值超过了所述正常值、所述选择最小值的电路被起动时，或者当所述当前值低于所述正常值、所述选择最大值的电路被起动时，选择两个被比较信号值中的最大值。
6.采用如权利要求1所述的电路，对表征环境条件的时变信号进行处理的方法，包括如下的步骤A、确定测量周期；B、检测环境条件的当前值，并产生一个指示其当前值的信号；C、将所述检测出的信号的当前值与一个预定的门限值进行比较，当所述当前值小于所述门限值时对所述信号的当前值与至少一个先前值进行比较；根据所述比较的结果，选择一个最大值作为输出值；D、存储所述信号的当前值；E、在下一个测量周期中执行上述步骤B-E。
7.采用如权利要求1所述的电路，对表征环境条件的时变信号进行处理的方法，包括如下的步骤A、检测所述环境条件的当前值，并产生一个指示该当前值的信号；B、对所述信号的当前值和该信号的至少一个先前值进行比较；C、根据所述比较的结果选择一个最大值作为输出；D、存储所述信号的当前值；E、返回到步骤A。
8.采用如权利要求所述的电路，对表示环境的时变信号进行处理的方法，包括如下步骤A、对所述环境条件建立一个期望静态值；B、确定所述环境条件的当前值，并产生一个指示该当前值的信号；C、确定所述当前值是否小于所述期望静态值；D、对所述信号的当前值和该信号的至少一个先前值进行比较；E、根据所述比较的结果，选择一个最大值予以输出；F、存储所述信号的当前值；G、返回到步骤A。
9.如权利要求8所述的方法，在当前值小于所述期望值时执行所述步骤C。
全文摘要
一种对环境条件传感器的输出信号进行预处理的装置和方法，该装置和方法采用存储器来存储两个先前值，将当前值与这两个先前值进行比较，并选择两者中的最小值和最大值。此外，还可以通过对当前值与洁净空气的预期输出值进行比较来进行处理。如果当前值超过了预期的正常输出值，就选择当前值和一个或多个先前值中的最小值。如果当前值小于预期的正常值，则选择当前值和一个或多个先前值中的最大值。
文档编号G01D1/12GK1151563SQ9610948
公开日1997年6月11日 申请日期1996年8月28日 优先权日1995年9月1日
发明者李D·泰斯, 弗兰克库斯希耶尔 申请人:彼特威公司