多通道数据采集系统、陷波器以及陷波器的设计方法与流程

本发明涉及数据处理技术领域，尤其是涉及一种多通道数据采集系统、陷波器以及陷波器的设计方法。

背景技术：

人类生活所处空间中存在大量各种周期性电磁波，这类电磁波通过一定的耦合途径，会窜入到电子线路与仪器中。例如，在野外进行数据采集的地质电磁信号接收系统、人体体表电子测量系统(如心电图)以及配电网载波通信系统等等，其传感器所接收到的电子信号中，会掺入大量的周期性谐波成分，常见的是工频50Hz或60Hz及其谐波，且能量远大于待观测信号成分。这会对数据采集及信号观测带来大大困难，因此需要在这类系统中数据采集前端加入陷波器，以抑制周期性谐波干扰。

陷波滤波器可以模拟电路实现，也可以用数字信号处理。但是单个模拟陷波器一般为单点陷波，对元器件参数的精度和稳定度要求高，不容易控制精度和一致性，对谐波的处理能力也有限。

常用的数字陷波滤波器可以滤除单个频点成分，但通常要消除的谐波成分是在相对采集频率的低频段中，而现有技术的陷波器在低频段的系数灵敏度高，量化后陷波频点容易发生偏移。梳状陷波器可以滤除周期性高次谐波，但其极低频，如小于0.5Hz的频率下性能极差，会污染、破坏有用信号，这更使得它无法适应在需要分析信号多频率特性尤其是极低频率的数据采集系统中。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种多通道数据采集系统、陷波器以及陷波器的设计方法，易于控制精度，可滤除多次谐波，且在低频部分不污染或破坏信号。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种陷波器的设计方法，该设计方法包括以下步骤：

确定陷波器的M个陷波频率为ω_N1、ω_N2、…、ω_NM及每个陷波频率的-3dB带宽Ω₁、Ω₂、…、Ω_M，其中，(ω_N1<ω_N2<…<ω_NM)；

根据所述陷波频率和带宽获取频点ω_i以及相位函数θ_A(ω_i)，所述ω_i以及θ_A(ω_i)满足以下公式：

${\mathrm{\&omega;}}_i={\mathrm{\&omega;}}_{N\&lsqb;(i+1)/2\&rsqb;}-\frac{1}{2}(1-{\left(-1\right)}^{\mathrm{mod}(i,2)})*\frac{{\mathrm{\&Omega;}}_{\&lsqb;(i+1)/2\&rsqb;}}{2},$

${\mathrm{\&theta;}}_A\left({\mathrm{\&omega;}}_i\right)=-(2*\&lsqb;\frac{i+1}{2}\&rsqb;-1)\mathrm{\&pi;}+\frac{1}{2}(1-{\left(-1\right)}^{\mathrm{mod}(i,2)})*\frac{\mathrm{\&pi;}}{2};$

其中，i＝1,2,…2M，表示不大于的最大整数，mod(i,2)表示i被2除的余数；

根据所述ω_i以及θ_A(ω_i)获取向量P和矩阵Q，其表达式分别为：

p＝[tan(β₁) tan(β₂) ... tan(β_2M)]^T，

Q_ik＝sin(kw_i)-tan(β_i)cos(kw_i)；

其中，β_i＝[θ_A(ω_i)+2*M*ω_i]/2，k＝1,2,...,2M；

根据所述p和Q获取滤波器系数a，其表达式为：

a＝Q^-1p；

根据a获取所述陷波器的传递函数H(z)，其中所述H(z)满足：

$H\left(z\right)=\left(\frac{(a_{2M}+1)+(a_{2M-1}+a_1)z^{-1}+...+(a_1+a_{2M-1})z^{-2M+1}+(1+a_{2M})z^{-2M}}{1+a_1{z}^{-1}+...+a_{2M-1}{z}^{-2M+1}+a_{2M}{z}^{-2M}}\right)/2.$

其中，H(z)满足：

H(z)＝(1+A(z))/2，

其中，所述A(z)为传递函数，其表达式为：

$A\left(z\right)=\frac{a_{2M}+a_{2M-1}{z}^{-1}+...+a_1{z}^{-2M+1}+z^{-2M}}{1+a_1{z}^{-1}+...+a_{2M-1}{z}^{-2M+1}+a_{2M}{z}^{-2M}}.$

其中，设计方法还包括：

对所述传递函数的相位函数θ_A(ω)进行如下设计，以得到所述全通滤波器的传递函数A(z)：

θ_A(ω_Ni)＝-(2i-1)π，

θ_A(ω_Ni-Ω_i/2)＝-(2i-1)π+π/2，

θ_A(ω_Ni+Ω_i/2)＝-(2i-1)π-π/2；

其中，在所述陷波器的陷波频率为M个时，所述全通滤波器的传递函数A(z)为2M阶。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种陷波器，其中，陷波器应用在多通道数据采集系统中，其中，陷波器包括：

数据输入端，其包括通道编号输入接口、通道数据输入接口以及通道数据有效标记输入接口三个输入接口，用于分别接收各通道的通道编号、原始通道数据以及通道数据有效标记三个信号；

数据输出端，其包括通道编号输出接口、通道数据输出接口以及通道数据有效标记输出接口三个输出接口，用于分别输出各通道的通道编号、最终通道数据以及通道数据有效标记三个信号；

乘加器，用于对所述原始数据进行乘法和加法运算，以得到所述最终通道数据。

其中，陷波器还包括：

各通道的x(n)、y(n)多阶缓存单元，用于缓存各通道的数据。

其中，乘加器的运算满足：

$y\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{2M}{\&Sigma;}}{a}_i*y(n-i)+\underset{i=0}{\overset{2M}{\&Sigma;}}{b}_i*x(n-i)$

其中，M为陷波器的陷波频率点数，a_i、b_i为陷波器系数，x(n-i)、y(n-i)为x(n)、y(n)多阶缓存值。

为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种多通道数据采集系统，其中，多通道数据采集系统包括：

与通道数量相等的数据采集单元，用于采集对应通道的信号；

陷波器，陷波器包括前文所述的陷波器，其中，陷波器的输入端接收所述采集单元的采集到的信号；

存储器，存储器存储所述陷波器输出的信号。

其中，多通道数据采集系统还包括：

控制单元，用于控制所述数据采集单元同步采集信号；

缓存器，用于缓存所述数据采集单元采集到的信号并输送给所述陷波器。

其中，每个所述数据采集单元包括模拟采集器以及模数转换器，其中：

模拟采集器用于采集模拟信号；

模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号。

其中，模数转换器进行两次数模转换之间的时间为T_ADC,缓存器缓存数据时间为T_Buf，所述陷波器处理完一个通道的原始通道数据所需要时间为T_Notch，所述多通道数据采集系统中的通道总数为N_CHs，所述存储器存储一个通道的所述最终通道数据的时间为T_Store，则T_ADC、T_Buf、T_Notch、N_CHs以及T_Store满足以下关系：

T_ADC>T_Buf+N_CHs*(T_Notch+T_Store)。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种多通道数据采集系统、陷波器以及陷波器的设计方法，设计方法包括以下步骤：首先确定陷波器的M个陷波频率为ω_N1、ω_N2、…、ω_NM及每个陷波频率的-3dB带宽Ω₁、Ω₂、…、Ω_M，其中，(ω_N1<ω_N2<…<ω_NM)；然后根据陷波频率和带宽获取频点ω_i以及相位函数θ_A(ω_i)，ω_i以及θ_A(ω_i)满足以下公式：其中，i＝1,2,…2M，表示不大于的最大整数，mod(i,2)表示i被2除的余数，进而根据ω_i以及θ_A(ω_i)获取向量P和矩阵Q，其表达式分别为：p＝[tan(β₁) tan(β₂) ... tan(β_2M)]^T；Q_ik＝sin(kw_i)-tan(β_i)cos(kw_i)，其中，β_i＝[θ_A(ω_i)+2*M*ω_i]/2，k＝1,2,...,2M，进一步的，根据p和Q获取滤波器系数a，其表达式为：a＝Q^-1p；最后根据a获取陷波器的传递函数H(z)，其中H(z)满足：因此，本发明的陷波器是根据多个陷波频率设计出来的，易于控制精度，可滤除多次谐波，且在低频部分不污染或破坏信号。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种陷波器的设计方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种数据采集系统的结构示意图；

图3是图2所示的数据采集系统的陷波器的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种陷波器的设计方法的流程图，如图1所示，本实施例的设计方法包括以下步骤：

步骤S1：确定陷波器的M个陷波频率为ω_N1、ω_N2、…、ω_NM及每个陷波频率的-3dB带宽Ω₁、Ω₂、…、Ω_M，其中，(ω_N1<ω_N2<…<ω_NM)。应理解，在设计时，通常根据实际需要来确定M个陷波频率的大小，如需要对低频信号进行陷波时，则设计的陷波频率包括低频段。

由此可得本实施例的陷波器是基于M个陷波频率设计的，设计出来的陷波器能够对至少上述的M个陷波频率进行陷波，可滤除多次谐波，且在低频部分不污染或破坏信号。

步骤S2：根据陷波频率和带宽获取频点ω_i以及相位函数θ_A(ω_i)，ω_i以及θ_A(ω_i)满足以下公式：

${\mathrm{\&omega;}}_i={\mathrm{\&omega;}}_{N\&lsqb;(i+1)/2\&rsqb;}-\frac{1}{2}(1-{\left(-1\right)}^{\mathrm{mod}(i,2)})*\frac{{\mathrm{\&Omega;}}_{\&lsqb;(i+1)/2\&rsqb;}}{2},$

${\mathrm{\&theta;}}_A\left({\mathrm{\&omega;}}_i\right)=-(2*\&lsqb;\frac{i+1}{2}\&rsqb;-1)\mathrm{\&pi;}+\frac{1}{2}(1-{\left(-1\right)}^{\mathrm{mod}(i,2)})*\frac{\mathrm{\&pi;}}{2};$

其中，i＝1,2,…2M，表示不大于的最大整数，mod(i,2)表示i被2除的余数。

步骤S3：根据ω_i以及θ_A(ω_i)获取向量P和矩阵Q，其中P和Q的表达式分别为：

p＝[tan(β₁) tan(β₂) ... tan(β_2M)]^T，

Q_ik＝sin(kw_i)-tan(β_i)cos(kw_i)；

其中，β_i＝[θ_A(ω_i)+2*M*ω_i]/2，k＝1,2,...,2M。

步骤S4：根据p和Q获取滤波器系数a，其中a的表达式为：

a＝Q^-1p。

本步骤中，a＝[a₁ a₂ ... a_2M]^T。

步骤S5：根据a获取陷波器的传递函数H(z)，其中H(z)满足：

$H\left(z\right)=\left(\frac{(a_{2M}+1)+(a_{2M-1}+a_1)z^{-1}+...+(a_1+a_{2M-1})z^{-2M+1}+(1+a_{2M})z^{-2M}}{1+a_1{z}^{-1}+...+a_{2M-1}{z}^{-2M+1}+a_{2M}{z}^{-2M}}\right)/2.$

本步骤中，陷波器为IIR结构，其传递函数H(z)满足：H(z)＝(1+A(z))/2，其中，A(z)为传递函数，其表达式为：

本步骤进一步对传递函数的相位函数θ_A(ω)进行如下设计，以得到传递函数A(z)：

θ_A(ω_Ni)＝-(2i-1)π；

θ_A(ω_Ni-Ω_i/2)＝-(2i-1)π+π/2；

θ_A(ω_Ni+Ω_i/2)＝-(2i-1)π-π/2；

在陷波器的陷波频率为M个时，全通滤波器的传递函数A(z)为2M阶，其传递函数A(z)为从而可以得到前文所述的陷波器的传递函数

$H\left(z\right)=\left(\frac{(a_{2M}+1)+(a_{2M-1}+a_1)z^{-1}+...+(a_1+a_{2M-1})z^{-2M+1}+(1+a_{2M})z^{-2M}}{1+a_1{z}^{-1}+...+a_{2M-1}{z}^{-2M+1}+a_{2M}{z}^{-2M}}\right)/2.$

本实施例中，设计出来的陷波器能够对至少上述的M个陷波频率进行陷波，易于控制精度，可滤除多次谐波，且在低频部分不污染或破坏信号。

进一步的，依据应用系统的乘法器特性，若只能执行定点运算，则需要将陷波器的传递函数H(z)的系数进行量化处理，量化数据位宽需借助数学分析工具软件进行分析，以选择足够位宽，在满足陷波器性能指标要求前提下，尽量减少计算量和计算时间。

本发明还提供了一种数据采集系统，该数据采集系统包括了通过前文所述的设计方法设计出来的陷波器。具体请一并参阅图2和图3，其中图2是是本发明实施例提供的一种数据采集系统的结构示意图，图3是陷波器的结构示意图。

如图2和图3所示，本实施例的多通道数据采集系统10包括数据采集单元110、陷波器13以及存储器14。

其中，数据采集单元110的数量与多通道数据采集系统10中的通道数量相等。每一个数据采集单元110用于采集对应通道的信号，作为原始数据信号。

具体的，每个数据采集单元110包括模拟采集器11以及模数转换器12。其中，模拟采集器11用于采集模拟信号，模数转换器12用于将模拟信号转换为数字信号。因此，各通道的模拟采集器11以及模数转换器12分别独立，实现各通道完全独立进行信号采集。

陷波器13包括数据输入端IN、数据输出接口OUT以及乘加器130。其中，数据输入端IN包括通道编号输入接口131、通道数据输入接口132以及通道数据有效标记输入接口133三个输入接口。通道编号输入接口131、通道数据输入接口132以及通道数据有效标记输入接口133用于分别接收各通道的通道编号、原始通道数据以及通道数据有效标记三个信号。值得注意的是，通道编号、原始通道数据以及通道数据有效标记三个信号同时输入对应的接口中。

数据输出端OUT包括通道编号输出接口134、通道数据输出接口135以及通道数据有效标记输出接口136三个输出接口。通道编号输出接口134、通道数据输出接口135以及通道数据有效标记输出接口136用于分别输出各通道的通道编号、最终通道数据以及通道数据有效标记三个信号。同理，通道编号、最终通道数据以及通道数据有效标记三个信号同时从对应的接口中输出，以便于后续单元处理。

乘加器130用于对原始数据进行乘法和加法运算，以得到最终通道数据。陷波器13每次处理完单个通道的数据后，输送到存储器14中存储，并写入数据文件中。乘加器130依据具体的硬件资源特性，可为定点乘加器，也可为浮点乘加器。

其中，乘加器13的运算满足：其中，M为陷波器的陷波频率点数，a_i、b_i为陷波器系数，x(n-i)、y(n-i)为x(n)、y(n)多阶缓存值。

进一步的，陷波器13还包括各通道的x(n)、y(n)多阶缓存单元137和138，用于缓存各通道的多阶数据。各通道的x(n)、y(n)多阶缓存单元137和138需要各通道独立配置。

存储器14存储器存储陷波器13输出的信号。

进一步的，多通道数据采集系统10还包括控制单元15和缓存器16。其中，控制单元15用于控制多通道的数据采集单元110同步采集信号。缓存器16用于缓存数据采集单元110采集到的信号并逐通道输送给陷波器13。因此，各通道采集回的数据在缓存器16进行统一缓存，然后各通道依次移出，送给陷波器13处理。

其中，设模数转换器12进行两次数模转换之间的时间为T_ADC,缓存器16缓存数据时间为T_Buf，陷波器13处理完一个通道的原始通道数据所需要时间为T_Notch，多通道数据采集系统20中的通道总数为N_CHs，存储器14存储一个通道的最终通道数据的时间为T_Store，则T_ADC、T_Buf、T_Notch、N_CHs以及T_Store满足以下关系：

T_ADC>T_Buf+N_CHs*(T_Notch+T_Store)。

综上所述，本发明的多通道数据采集系统10仅使用一个陷波器即可完成多通道的数据采集计算，节约硬件开销，计算量小，尤其适用于MCU和DSP这类不易在内部架设多通道同时并行工作单元的硬件中。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。