一种低成本高速脉冲信号数据采样和峰值检测方法与流程

1.本发明涉及信号采样和信号处理技术领域，特别涉及一种低成本高速脉冲信号数据采样和峰值检测方法。


背景技术：

2.目前，随着光电子、核电子等技术的发展，光谱、核谱检测技术得到很大提高。但市场上的各种光谱、核谱检测仪器仪表和设备采用的信号采样和峰值检测方法主要有两种：一种是受限于mcu微控制单元数据采样和信号处理速度，将脉冲信号通过模拟电路信号调理，信号宽度进行展宽后进行数据采样，然后进行脉冲信号软件寻峰处理，达到测量脉冲信号的峰值。由于脉冲展宽存在检测死时间，影响脉冲信号的检测效率和通过率；另外一种方法是脉冲信号经放大、调理后经高速a/d转换器进入fpga，在fpga的控制下通过a/d数据采集和数据分析处理，这样保证了脉冲信号的实时采集和通过率，这种方法电路复杂且成本高。


技术实现要素：

3.本发明提供一种低成本高速脉冲信号数据采样和峰值检测方法，用以解决脉冲信号实时采集和通过率低，电路复杂、成本高的情况。
4.一种低成本高速脉冲信号数据采样和峰值检测方法，包括：获取脉冲信号，将所述脉冲信号通过adc控制器进行双重adc交替采样，获取一级采样数据；将所述一级采样数据通过sinc
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滤波器进行滤波，获取二级采样数据；将所述二级采样数据通过数据校准寄存器进行校准，获取三级采样数据；将所述三级采样数据通过模拟看门狗进行模拟看门狗检测，获取四级采样数据；将所述四级采样数据通过极值寄存器进行极值监测，获取五级采样数据；将所述三级采样数据通过dma控制器输出至存储单元或外部存储单元进行采样数据保存，获取脉冲信号采样保存数据。
5.作为本发明的一种实施例：所述获取脉冲信号，将所述脉冲信号通过adc控制器进行双重adc交替采样，获取一级采样数据，包括：获取探测器或传感器的第一输出信号，将所述第一输出信号通过前置放大电路进行信号放大处理，获取第二输出信号；将所述第二输出信号通过信号调理电路进行整形和放大处理，获取第三输出信号；将所述第三输出信号通过adc控制器中的adc1快速通道和adc2快速通道采用双重adc模式进行交替采样，获取一级采样数据。
6.作为本发明的一种实施例：所述将所述二级采样数据通过数据校准寄存器进行校准，获取三级采样数据，其中，获取的三级采样数据脉冲信号的采样数据值，包括：
获取所述二级采样数据，将所述二级采样数据和所述数据校准寄存器内的零偏误差和线性误差进行校准，获取三级采样数据。
7.作为本发明的一种实施例：所述将所述三级采样数据通过模拟看门狗进行模拟看门狗检测，获取四级采样数据，包括：基于预设的阈值范围针对所述三级采样数据进行数据监测，当所述三级采样数据大于预设的上限阈值时，所述模拟看门狗产生第一中断信号；其中，所述产生第一中断信号表示监测到脉冲信号的上升沿；所述模拟看门狗监测的值包括上限阈值、下限阈值。
8.作为本发明的一种实施例：所述将所述四级采样数据通过极值寄存器进行极值监测，获取五级采样数据，包括：当中断服务程序接收到所述第一中断信号时，读取极值寄存器的值，并基于所述极值寄存器的取值中获取对应的最大值，将所述最大值进行清零处理；并将所述上限阈值设置为采样数据的最大刻度值；将所述下限阈值设置为待监测数据值，其中，所述待监测数据值表示脉冲信号的下降沿；当采样数据小于所述下限阈值时，产生第二中断信号，读取极值寄存器的值，并基于所述极值寄存器的取值获取对应的最大值，所述最大值为脉冲信号的峰值，将所述下限阈值设置为采样数据的最小刻度值；将上限阈值设置为待监测数据值；其中，采样数据小于所述下限阈值表示监测到脉冲信号的下降沿，所述待监测数据值表示脉冲信号的上升沿。
9.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
10.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
11.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为本发明实施例中一种低成本高速脉冲信号数据采样和峰值检测方法的电路结构示意图；图2为本发明实施例中一种低成本高速脉冲信号数据采样和峰值检测方法的流程示意图；图1中，探测器或传感器-1000；前置放大电路-2000；信号调理电路-3000；adc控制器-4100；adc1快速通道-4110；adc2快速通道-4120；dfsdm模块-4200；sinc
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滤波器-4210；数据校准寄存器-4220；模拟看门狗-4230；上限阈值-4231；下限阈值-4232；极值寄存器-4240；最大值-4241；最大值-4242；dma控制器-4400；存储单元-4300；外部存储单元-5000。
具体实施方式
12.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
13.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
14.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
15.实施例1：本发明实施例提供了一种低成本高速脉冲信号数据采样和峰值检测方法，如图1，2所示，包括：获取脉冲信号，将所述脉冲信号通过adc控制器4100进行双重adc交替采样，获取一级采样数据；将所述一级采样数据通过sinc
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滤波器4210进行滤波，获取二级采样数据；将所述二级采样数据通过数据校准寄存器4220进行校准，获取三级采样数据；将所述三级采样数据通过模拟看门狗4230进行模拟看门狗检测，获取四级采样数据；将所述四级采样数据通过极值寄存器4240进行极值监测，获取五级采样数据；将所述三级采样数据通过dma控制器4400输出至存储单元4300或外部存储单元5000进行采样数据保存，获取脉冲信号采样保存数据；本技术方案实施的原理：本技术方案中mcu微控制单元包括：adc控制器、dfsdm模块、存储单元，其中，adc控制器包含两个adc快速通道，dfsdm模块包括sinc
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滤波器、数据校准寄存器、模拟看门狗、极值寄存器，当脉冲信号通过mcu内部adc控制器进行双重adc交替采样，采样数据直接送到mcu内部σ
∆ꢀ
数字滤波模块（dfsdm）；σ
∆ꢀ
数字滤波模块（dfsdm）具有硬件sinc
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滤波器、硬件数据校准、硬件极值监测和硬件模拟看门狗监测等功能，采样数据经过滤波、校准、模拟看门狗监测、极值监测等信号及中断处理，最后通过极值监测获得峰值数据，并且三级采样数据d3是实时采样数据通过dma控制器输出至存储单元或外部存储单元进行数据保存，此外，采用mcu内部硬件sinc
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滤波器技术，有fastsinc、sinc1、sinc2、sinc3、sinc4和sinc5六种滤波算法和1-1024种过采样率；上述技术方案的有益效果为：本发明通过采用双重adc交替采样，采样速率最大可达到单路adc采样的两倍，有利于提高数据采样速率，从而提高脉冲信号的通过率，通过sinc
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滤波器技术，可以根据要检测的脉冲信号类型、信号频率和信号带宽，通过软件设置进行不同的滤波处理，增加了脉冲信号检测电路硬件的通用型，过程中不需要mcu参与，且加快信号处理速度。
16.实施例2：在一个实施例中，所述获取脉冲信号，将所述脉冲信号通过adc控制器4100进行双重adc交替采样，获取一级采样数据，包括：获取探测器或传感器1000的第一输出信号，将所述第一输出信号通过前置放大电路2000进行信号放大处理，获取第二输出信号；将所述第二输出信号通过信号调理电路3000进行整形和放大处理，获取第三输出
信号；将所述第三输出信号通过adc控制器4100中的adc1快速通道4110和adc2快速通道4120采用双重adc模式进行交替采样，获取一级采样数据；本技术方案实施的原理：本技术方案中将探测器或传感器的输出信号vi经前置放大电路进行放大，获得输出信号，将前置放大电路的输出信号经信号调理电路进行整形和放大处理，获得输出信号，mcu微控制单元的adc控制器通过adc1快速通道和adc2快速通道采用双重adc模式对输出信号进行交替采样，采样数据传送给dfsdm模块的sinc
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滤波器进行滤波处理；上述技术方案的有益效果为：本技术方案中通过采用sinc
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滤波器技术，fastsinc、sinc1、sinc2、sinc3、sinc4和sinc5六种滤波算法和1-1024种过采样率，可以根据要检测的脉冲信号类型、信号频率和信号带宽，通过软件设置进行不同的滤波处理，增加了脉冲信号检测电路硬件的通用型，且过程中不需要mcu参与，有利于提高信号处理速度。
17.实施例3：在一个实施例中，所述将所述二级采样数据通过数据校准寄存器4220进行校准，获取三级采样数据，其中，获取的三级采样数据脉冲信号的采样数据值，包括：获取所述二级采样数据，将所述二级采样数据和所述数据校准寄存器4220内的零偏误差和线性误差进行校准，获取三级采样数据；本技术方案实施的原理：本技术方案中将sinc
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滤波器的输出数据与数据校准寄存器内的零偏误差和线性误差校准对脉冲信号的采样数据进行实时硬件自动校准，获得脉冲信号的采样数据；上述技术方案的有益效果为：本技术方案中通过对脉冲信号的采样数据进行校准，有利于提高采样数据准确率。
18.实施例4：在一个实施例中，所述将所述三级采样数据通过模拟看门狗4230进行模拟看门狗检测，获取四级采样数据，包括：基于预设的阈值范围针对所述三级采样数据进行数据监测，当所述三级采样数据大于预设的上限阈值时，所述模拟看门狗4230产生第一中断信号；其中，所述产生第一中断信号表示监测到脉冲信号的上升沿；所述模拟看门狗监测的值包括上限阈值4231、下限阈值4232；本技术方案实施的原理：本技术方案中通过模拟看门狗监测脉冲信号的采样数据的上升沿和下降沿，在上升沿和下降沿时产生中断，在上升沿中断时开始监测脉冲信号的峰值，下降沿中断时读取脉冲信号的峰值，在脉冲信号的数据采样和峰值检测过程中除了在模拟看门狗中断时，中断服务程序会占用mcu运行时间，其他adc采样、数据滤波、数据校准、极值监测、看门狗监测和数据保存都是mcu内部硬件实现，而中断服务程序中只有设置看门狗上下限阈值寄存器、读取极值寄存器和峰值计算和保存处理等简单操作；上述技术方案的有益效果为：本技术方案采用硬件过采样技术有利于提高采样的分辨率，提高峰值信号的监测精度；采用dfsdm模块内部模拟看门狗替代外部比较触发电路，能够节约成本；采用dfsdm模块内部模拟看门狗实时监测的是经过dfsdm模块内硬件
sincx滤波器滤波后的采样数据，降低噪声干扰；此外，在采样数据监测过程中，mcu占用时间非常短，有利于处理的脉冲信号带频率较高，特别适合光谱、核谱信号等脉冲信号的实时监测。
19.实施例5：在一个实施例中，所述将所述四级采样数据通过极值寄存器4240进行极值监测，获取五级采样数据，包括：当中断服务程序接收到所述第一中断信号时，读取极值寄存器4240的值，并基于所述极值寄存器的取值中获取对应的最大值，将所述最大值进行清零处理；并将所述上限阈值4231设置为采样数据的最大刻度值；将所述下限阈值4232设置为待监测数据值，其中，所述待监测数据值表示脉冲信号的下降沿；当采样数据小于所述下限阈值时，产生第二中断信号，读取极值寄存器4240的值，并基于所述极值寄存器的取值获取对应的最大值，所述最大值为脉冲信号的峰值，将所述下限阈值设置为采样数据的最小刻度值；将上限阈值设置为待监测数据值；其中，采样数据小于所述下限阈值表示监测到脉冲信号的下降沿，所述待监测数据值表示脉冲信号的上升沿；本技术方案实施的原理：本技术方案中断服务程序收到中断信号int，读取极值寄存器的最大值和最小值，所读取的最大值即为该脉冲信号从上升沿开始到下降沿结束的之间采样数据的最大值也就是检测到的该脉冲信号的峰值；中断服务程序将下限阈值设为采样数据的最小刻度值，并将上限阈值设置为脉冲信号有效上升沿处的采样数据值，通过上限阈值监测脉冲信号的采样数据，通过对脉冲信号进行重复采样处理，实现脉冲最大峰值的实时检测、峰值数据和实时采样数据的保存，整个过程中会产生两次中断信号，当采样数据大于设定的上限阈值（下限阈值为采样数据的最小刻度值，不起作用）时，产生第一次中断，表示监测到脉冲信号的上升沿；在第一次中断服务程序中处理如下：读取极值寄存器，将最大值清零，看门狗上限阈值设为采样数据的最大刻度值，不起作用；看门狗的下限阈值设为要监测的数据值即脉冲信号的下降沿，开始监测下限阈值；当采样数据小于设定的下限阈值（上限阈值为采样数据的最大刻度值，不起作用）时，即监测到脉冲信号的下降沿，产生第二次中断；在第二次中断服务程序中处理如下：读取极值寄存器，极值寄存器中的最大值即为脉冲信号的峰值；将看门狗下限阈值设为采样数据的最小刻度值，不起作用；看门狗的上限阈值为要监测的数据值，监测上限阈值即脉冲信号的上升沿。
20.上述技术方案的有益效果为：本技术方案中采用dfsdm模块内部极值寄存器实时监测采样数据的最大值和最小值，无需mcu软件干预，硬件实现寻峰计算，有利于提高脉冲信号的峰值检测能力、检测效率和准确率，此外，通过对脉冲信号的重复采样处理，有利于获得的采样数据更加准确，并且能够对脉冲最大峰值进行实时监测，对采样数据实时保存。
21.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形
式。
22.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
23.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
24.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
25.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。