专利名称：滑动窗口式数据采样方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于信号测量技术领域，涉及一种信号处理技术，特别涉及一种滑动窗口式的数据采样方法及装置。
背景技术：
在信号测量技术领域中，模数转换器是最重要的元件之一，但模数转换器的输入范围普遍都比较小，在很多情况下由于输入信号的范围较大，不能够直接作为模数转换器的输入，通常采用变送器将输入信号范围转化为模数转换器的输入范围，为了配合输入信号的最大值，满量程电压值选得很大，使得小信号的分辨率不是很好。同时模数转换器的性能在其输入范围的不同区间内是不相同的，都存在一个最优测量区间。只有使模数转换器的输入控制在其最优的测量区间内，才能最大限度的提高其测量性能。现有的一种技术方案是通过变送器(如传感器、互感器等)将大范围的输入信号转换至适合模数转换器输入信号范围内，然后由控制器(ARM、DSP、FPGA等)对模数转换器进行控制，对输入信号进行采样，转化为可以由微机处理的数字量化值，继而结合变送器的特性，进行数字量化值的规一化处理(显示、判断等)。通常用到的传感器与互感器分为电压型互感器、电流型互感器、温度变送器等，传感器与互感器的主要作用都是将大量程信号按比例降至可以直接用模数转换器进行采样的小量程信号或将非电压信号转换成模数转换器可以采样的电压信号。对于传感器与互感器的选用，必须结合模数转换器的输入范围进行确定。此方案通过变送器将大范围输入信号按比例转换至模数转换器的输入信号范围内，将会对输入信号的信号分辨率造成损失，信号的分辨率的损失倍率即为变送的器变送比例，例如将0-20V电压信号转换至模数转换器的输入0-5V，信号分辨率为直接对0-20V信号进行采样的0.25倍。同时，此方案对于模数转换器的转换范围亦是全范围的使用，无法避免模数转换器的不同输入区间的不同转换性能的差异。另外，由于变送器的输出与模数转换器输入信号的匹配关系，在进行变送器和模数转换器二者任一元件的更换时，如果涉及到二者信号的匹配关系，必须同时进行更换。现有的另一种方案是采用对数放大器对大范围的输入信号进行压缩，将大的输入动态范围转换为小的输入范围，以适合模数转换器的输入，其方案原理图如图1所示。此方案利用了对数放大器是输入与输出之间为对数关系的原理，由于对数放大器的输入输出特性在于对数放大器的输入为等比级数，对数放大器的输出为等差级数，故而可以对大范围输入信号转换至模数转换器的小范围输入。但是，由于对数转换器的特性，在输入信号电平较低的情况下，由于log(o)=-⑴，故而对数放大器的转换将存在问题，必须在对数放大器的前级增加前置放大器，对输入为小信号时进行放大，来避免对数放大器的转换问题。同时，上述两种方案均没有考虑模数转换器的不同输入区间的转换性能差异。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种滑动窗口式的数据采样方法及装置。本发明具体采用如下技术方案一种滑动窗口式数据采样方法，其特征在于通过对待采样的信号叠加正向和反向的修正电压，形成一个动态滑动的采样窗口，将模数转换器的输入电压控制在其最优测量区间内，并通过数据处理单元对模数转换器的采样数据进行处理，跟踪调整正向及反向修正电压，同时结合正向和反向修正电压数据，对采样数据进行规一化处理，得到准确的实时输入数据。一种滑动窗口式数据采样装置，其特征在于包括正向修正数模转换器，用于产生正向修正电压；反向修正数模转换器，用于产生反向修正电压；正向调理电路，对所述正向修正电压进行信号调理；反向调理电路，对所述反向修正电压进行信号调理；运算放大器，将待采样的信号和经过信号调理的正向、反向修正电压进行叠加，叠加后的电压信号作为模数转换器的输入信号；模数转换器，对经运算放大器叠加后的电压信号进行模数转换，并输出采样数据到数据处理单元；数据处理单元，对模数转换器和正、反向修正数模转换器进行控制，实时处理模数转换器输出的采样数据，跟踪调整正、反向修正数模转换器的数字量输入，从而调整运算放大器的输出电压窗口。本发明的滑动窗口式的数据采样方法及装置，可以将采样输入电压范围作正向和反向的扩展，扩展的范围可由设计参数确定，同时，基于正向修正电压和反向修正电压的实时调整，形成动态滑动的转换窗口，可以准确将输入信号进行转换，将模数转换器的实时输入锁定至模数转换器最优性能区间窗口，提高信号采集的整体性能。
图1 采用对数放大器将输入信号范围转化为模数转换器输入范围的原理框图；图2 滑动窗口式数据采样方法原理框图；图3 滑动窗口式数据采样方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步地说明。如图2所示为滑动窗口式数据采样方法原理框图，采用正、反向修正数模转换器即数模转换器A和数模转换器B分别产生正向和反向的修正电压，数模转换器A和数模转换器B的数字量输入端分别与数据处理单元连接，数模转换器A和数模转换器B的模拟量输出端分别接有调理电路，用于对正向和反向修正电压进行信号调理。正、反向调理电路的输出端分别经电阻Ra和Rb与一运算放大器的正、反相输入端连接，运算放大器将待采样的信号SAM_INPUT和经信号调理的正向、反向修正电压进行叠加，叠加后的电压作为模数转换器的输入ADC_INPUT。模数转换器的数字量输出端与数据处理单元连接，数据处理单元采用相应的程序算法，对模数转换器和两路数模转换器进行控制，实时处理模数转换器的采样数据，跟踪调整数模转换器的数字量输入，调整运算放大器的输出电压窗口。结合本发明的设计方法，涉及以下相关参数(1)模数转换器相关参数模数转换器参考ADC_REF，其为模数转换器的参考电压输入，为电压量，与硬件设计所采用的模数转换器器件参数及硬件电路设计决定其数值大小；模数转换器位数ADC_BITS，其为模数转换器的器件参数，表征模数转换器的数字量输出位数，由模数转换器器件参数决定；模数转换器输入ADC_INPUT，模数转换器的模拟量实时输入，其有效测量数据应在模数转换器参考范围内；模数转换器输出ADC_C0DE，模数转换器的数字量输出，其是模数转换器输入的数字量化反映，其数值在模数转换器位数的最大表征范围内。模数转换器相关参数存在以下关系ADC CODE =ADC—INPUT 坏广c-BITS % ⑴ L J -ADC_REF工、⑴ (2)数模转换器A相关参数数模转换器A参考DAC_A_REF，此参数表征数模转换器A的数字量输入为最大值 (即2DAe-A-BITS)时为数模转换器所输出的模拟量化值，其由数模转换器器件参数及相关硬件设计所决定；数模转换器A位数DAC_A_BITS，数模转换器A数字量输入位数，为数模转换器的器件参数；数模转换器A输入DAC_A_C0DE，数模转换器A实时数字量输入，其数值范围由数模转换器A位数决定；数模转换器A输出DAC_A_0UTPUT，数模转换器A实时模拟量输出，其与数模转换器A实时数字量输入相关。数模转换器A相关参数存在以下关系
Γ)Δ(" A (Y)nFDAC _ A _OUTPUT = ~願~*DAC _A_REF 式⑵(3)数模转换器B相关参数数模转换器B参考DAC_B_REF，此参数表征数模转换器B的数字量输入为最大值 (即2DAe-B-BITS)时为数模转换器所输出的模拟量化值，其由数模转换器器件参数及相关硬件设计所决定；数模转换器B位数DAC_B_BITS，数模转换器B数字量输入位数，为数模转换器的器件参数； 数模转换器B输入DAC_B_C0DE，DAC_A_C0DE，数模转换器B实时数字量输入，其数值范围由数模转换器B位数决定；数模转换器B输出DAC_B_0UTPUT，数模转换器B实时模拟量输出，其与数模转换器A实时数字量输入相关。数模转换器B相关参数下存在以下关系DAC_B_ OUTPUT =二腿 * DAC_B_REF式⑶(4)运算放大器相关参数输入信号电压系数电阻Ri，电阻值正向修正电压系数电阻Ra，电阻值反向修正电压系数电阻Rb，电阻值运算放大器增益电阻Rf，电阻值；
采样信号输入电压SAM_INPUT，为待采集信号输入的实时电压信号；
采样信号输出结果SAM_C0DE，为对采样信号进行归一化处理后的实时采样数字 量化值；正向修正电压调理输出DAC_A_0UTBUF，数模转换器A的输出经调理电路处理所得的电压量，其与数模转换器A的数字量输入为线性关系；正向修正电压调理系数Ka，其与运算放大器增益电阻Rf及正向修正电压系数电阻Ra相关；反向修正电压调理输出DAC_B_0UTBUF，数模转换器B的输出经调理电路处理所得的电压量，其与数模转换器B的数字量输入为线性关系；反向修正电压调理系数Kb，其与运算放大器增益电阻Rf及正向修正电压系数电阻Rb相关；运算放大器相关参数存在以下关系 DAC_A_0UTBUF = Ka*DAC_A_0UTPUT 式 DAC_B_0UTBUF = Kb*DAC_B_0UTPUT 式(5)
权利要求
1.一种滑动窗口式数据采样方法，其特征在于通过对待采样的信号叠加正向和反向的修正电压，形成一个动态滑动的采样窗口，将模数转换器的输入电压控制在其最优测量区间内，并通过数据处理单元对模数转换器的采样数据进行处理，跟踪调整正向及反向修正电压，同时结合正向和反向修正电压数据，对采样数据进行规一化处理，得到准确的实时输入数据。
2.根据权利要求1所述滑动窗口式数据采样方法，其特征在于采用正、反向修正数模转换器分别产生正向和反向的修正电压，正向和反向的修正电压分别进行信号调理后，通过一路运算放大器与待采样的信号进行叠加，叠加后的电压作为模数转换器的输入，数据处理单元采用相应的程序算法，对模数转换器和数模转换器进行控制，实时处理模数转换器的采样数据，跟踪调整数模转换器的数字量输入，调整运算放大器的输出电压窗口即采样窗口，具体包括如下步骤步骤(1)，采样窗口搜索在数据采样初始时，对采样窗口进行首次搜索，采样窗口搜索是通过调整正向及反向修正电压来对输入信号进行叠加，并对模数转换器转换结果数字量进行判断，以确定模数转换器输入当前电压范围，进而跟踪调整正向、反向修正电压，以将模数转换器的输入修正至其采样窗口搜索结果范围内，即模数转换器输入范围的 20% -80%区间内；步骤0)，采样窗口锁定跟踪调整正向、反向修正电压，将模数转换器输入进一步修正至模数转换器输入范围的30% -70%区间内；步骤(3)，采样窗口跟踪滑动完成采样控制，并对采样结果进行归一化处理，得到实时的采样数据，同时通过调整正、反向修正电压，来实现采样窗口的跟踪滑动，将模数转换器的输入始终锁定至模数转换器的最佳输入中心，即模数转换器输入范围的50%处。
3.根据权利要求2所述的滑动窗口式数据采样方法，其特征在于步骤(1)的具体步骤如下步骤1-1，正、反向修正初始化初始化正、反向修正数模转换器的数字量输入DAC_A_ CODE 禾口 DAC_B_C0DE，置为 0 ；步骤1-2，模数转换器采样控制启动模数转换器转换，待模数转换完毕后取得模数转换器数字量输出ADC_C0DE ；步骤1-3，模数转换器结果判断对模数转换器数字量输出ADC_C0DE进行判断，若ADC_ CODE大于2ADC-BITS的80 %，进入步骤1-4反向修正过程，若ADC_C0DE小于2ADC-BITS的20 %， 进入步骤1-5正向修正过程，若ADC_C0DE大于或等于2ADG-BITS的20 %并且ADC_C0DE小于或等于2ADe-BITS的80%，则转至步骤⑵进行采样窗口锁定，其中2ADe-BITS表示模数转换器数字量输出的最大值，ADC_BITS表示模数转换器的数字量输出位数；步骤1-4，反向修正过程正向修正数模转换器实时数字量输入DAC_A_C0DE增加 0. 05MDAG-A-BITS，并确保DAC_A_C0DE未超出正向修正数模转换器的数字量输入范围0_2DAG-A-BITS，反向修正数模转换器实时数字量输入DAC_B_C0DE减小0. 05*2DAC-B-BITS,并确保DAC_B_ CODE未超出反向修正数模转换器的数字量输入范围0-2-ibits，其中DAC_A_BITS、DAC_B_ BITS分别表示正、反向修正数模转换器的数字量输入位数，接着转至步骤1-2进行模数转换器采样控制；步骤1-5，正向修正过程正向修正数模转换器实时数字量输入DAC_A_C0DE减小0. 05*2dac-a-bits,并确保DAC_A_C0DE未超出正向修正数模转换器的数字量输入范围0_2DAG-A-BITS，反向修正数模转换器实时数字量输入DAC_B_C0DE增加0. 05*2DAC-B-BITS,并确保DAC_B_ CODE未超出反向修正数模转换器的输入范围0-2DAe-B-BITS，转至步骤1-2进行模数转换器采样控制。
4.根据权利要求2所述的滑动窗口式数据采样方法，其特征在于步骤O)的具体步骤如下步骤2-1，锁定修正对模数转换器转换结果数字量输出进行判断，若数字量输出大于0. 5*2ADC_BITS，则对反向修正数模转换器的实时数字量输入DAC_B_C0DE增加 并确保DAC_B_C0DE未超出反向修正数模转换器的输入范围0-2DHms，若数字量输出小于O. 5*2ADe-BITS，则对正向修正数模转换器的实时数字量输入
5.根据权利要求2所述的滑动窗口式数据采样方法，其特征在于步骤(3)的具体步骤如下步骤3-1，跟踪滑动修正结合当前模数转换器数字量输出
6. 一种滑动窗口式数据采样装置，其特征在于包括 正向修正数模转换器，用于产生正向修正电压； 反向修正数模转换器，用于产生反向修正电压； 正向调理电路，对所述正向修正电压进行信号调理； 反向调理电路，对所述反向修正电压进行信号调理；运算放大器，将待采样的信号和经过信号调理的正向、反向修正电压进行叠加，叠加后的电压信号作为模数转换器的输入信号；模数转换器，对经运算放大器叠加后的电压信号进行模数转换，并输出采样数据到数据处理单元；数据处理单元，对模数转换器和正、反向修正数模转换器进行控制，实时处理模数转换器输出的采样数据，跟踪调整正、反向修正数模转换器的数字量输入，从而调整运算放大器的输出电压窗口。
全文摘要
本发明公开一种滑动窗口式数据采样方法，通过对待采样的信号叠加正向和反向的修正电压，形成一个动态滑动的采样窗口，将模数转换器的输入电压控制在其最优测量区间内，并通过数据处理单元对模数转换器的采样数据进行处理，跟踪调整正向及反向修正电压，同时结合正向和反向修正电压数据，对采样数据进行规一化处理，得到准确的实时输入数据。本发明还公开了滑动窗口式数据采样装置。本发明方法可以将采样输入电压范围作正向和反向的扩展，扩展的范围可由设计参数确定，同时可以准确将输入信号进行转换，将模数转换器的实时输入锁定至模数转换器最优性能区间窗口，提高信号采集的整体性能。
文档编号H03M1/02GK102497209SQ201110400018
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者毛鹏, 童瑞婷 申请人:南京信息工程大学