專利名稱：工業(yè)控制應(yīng)用中用于信號數(shù)字處理及濾波的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在工業(yè)控制應(yīng)用中信號的數(shù)字處理及濾波，尤其涉及可用來顯著減小模擬信號測量中的噪聲含量的信號處理和濾波的方法和裝置。
典型地，一個工業(yè)控制器測量一輸入信號，所述輸入信號例如可以來自一傳感器。所述來自傳感器的模擬信號被一標(biāo)準(zhǔn)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為一代表該模擬信號的數(shù)字信號。常見的情況下輸入控制器的模擬傳感器信號中的噪聲很大。因此，代表了傳感器信號的數(shù)字信號將反映出此噪聲含量。
通常在控制器中使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號處理技術(shù)(例如一現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器或移動均值濾波器)來降低輸入信號中的噪聲含量。使用這種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號處理技術(shù)所帶來的問題是必須兼顧噪聲抑制和信號響應(yīng)時間。換句話說，一個嚴(yán)重衰減信號含量將很好地消除噪聲，然而它對一有效信號變化的響應(yīng)將很慢，另一方面，一個輕微衰減信號能很好地跟蹤有效信號變化然而它也將比嚴(yán)重衰減信號更多地跟蹤噪聲因而其噪聲抑制性能較差。
用于一離散的時間框(例如以微處理器為基本組件之控制器)的滯后濾波器可具有如下的形式的控制周期lag(n)＝lag(n-1)+ (w(n)-lag(n-1))/(衰減權(quán)重) (1)其中w(n)是傳感器信號的當(dāng)前值，lag(n-1)是來自前一控制周期的滯后濾波器的值，lag(n)是當(dāng)前控制周期中滯后濾波器的值而衰減權(quán)重決定了濾波器的響應(yīng)?？梢宰⒁獾阶帜竛對應(yīng)于一分時間隔如一控制周期，其中w(n)是一由標(biāo)準(zhǔn)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器完成的輸入模擬傳感器信號w(t)的取樣測量值。
滯后濾波器是通過比較傳感器的新值和滯后濾波器先前值間的差值而工作的。滯后濾波器當(dāng)前值等于滯后濾波器先前值加上以衰減權(quán)重值來表示的所述差值的分?jǐn)?shù)。有時滯后濾波器用離散的時間間隔定義為如下的等式lag(n)＝lag(n-1)+ (dt[w(n)-lag(n-1)])/(TC+dt) (2)其中dt是控制周期的時間間隔，TC是與濾波器的衰減權(quán)重有關(guān)的時間常數(shù)。例如，在由所述時間常數(shù)確定的時間內(nèi)此濾波器的輸出響應(yīng)可達到輸入幅值的63.2%。
與滯后濾波器相反，一移動均值濾波器中包括了許多個先前儲存測量值和一個當(dāng)前測量值。所述移動均值濾波器的輸出就是預(yù)定個數(shù)的所儲存測量值的平均值。一移動均值取如下的形式MA(n)＝ (w(n)+w(n-1)+w(n-2)…)/(儲存值的個數(shù)) (3)其中MA(n)為移動均值濾波器的當(dāng)前輸出，w(n)、w(n-1)等是傳感器信號以前的一些值。
當(dāng)被儲存的值的個數(shù)更多時，就要對個數(shù)更多的樣本取平均值，從而產(chǎn)生更好的噪聲抑制性能。然而，如果信號具有一有效的變化，移動均值的輸出對其作出的響應(yīng)將較慢?？赏ㄟ^以下的方法來理解這一點，移動均值中所儲存的值越多，使傳感器信號輸入發(fā)生變化而應(yīng)被變化的儲存值也將越多。與滯后濾波器相同，需同時兼顧噪聲抑制和有效信號響應(yīng)。如果對較少的值進行存儲和平均則對有效信號變化的可進行更緊密的跟蹤，但這必須以較差的噪聲抑制性能為代價。
本發(fā)明的“靈巧(Smart)濾波器”中采用了一獨特的非現(xiàn)有技術(shù)的方法，它可以決定如何在一循環(huán)形式的每個控制周期中調(diào)節(jié)一數(shù)值。其新穎性在于本發(fā)明區(qū)分出現(xiàn)在工業(yè)控制器的輸入端的隨機噪聲，噪聲尖峰和真實的輸入信號變化的能力。所述靈巧濾波器使用這一區(qū)別來規(guī)定濾波器的動態(tài)衰減權(quán)重系數(shù)。本發(fā)明可使用任一型式的濾波器或數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)，例如(但不局限于這些)，滯后濾波器，加窗濾波器或移動均值濾波器。


圖1是一可使用本發(fā)明的靈巧濾波器的一工業(yè)處理控制環(huán)路的一般方框圖。
圖2是圖1所示環(huán)路的控制器中用于完成本發(fā)明之功能的硬件的方框圖。
圖3是一描述了欲作出本發(fā)明之靈巧濾波器所必須的編程邏輯的流程圖。
圖4示出了一有噪聲的階躍輸入信號及在一現(xiàn)有技術(shù)的滯后型濾波器和本發(fā)明的靈巧濾波器之輸出端上最后得到的波形的曲線圖。
圖5示出了作為與理想的階躍電壓相比較的有噪聲的信號、滯后濾波器響應(yīng)和靈巧濾波器響應(yīng)的實時誤差的曲線圖。
圖6示出一在其上疊加有大的噪聲尖峰的穩(wěn)態(tài)輸入信號的曲線圖。所述滯后濾波器響應(yīng)及靈巧濾波器響應(yīng)也示于圖中。
圖7描述了與本發(fā)明的靈巧濾波器之推廣相關(guān)聯(lián)的編程邏輯的流程圖。
本發(fā)明的靈巧濾波器可用于如圖1中的8那樣的一工業(yè)過程控制應(yīng)用中。如圖1中所示，所述過程控制應(yīng)用8包括一控制器10和一區(qū)域處理系統(tǒng)13。所述控制器10包括比例、積分和微分(“PID”)單元9，在所述單元中包括PID算法。區(qū)域處理系統(tǒng)包括激勵器14，過程15和傳感器16。所述控制器10在某些離散的時間間隔(通常稱為控制周期)內(nèi)作用于區(qū)域處理系統(tǒng)13。
所述過程15的實際輸出17所需的值作為設(shè)定值(“SP”)出現(xiàn)在控制器的輸入7上。傳感器16感知實際的過程輸出以在輸入12上提供模擬過程變量(“PV”)信號至控制器。所述模擬PV代表了實際過程輸出17的值。所述控制器響應(yīng)于PV和SP，使用PID算法運算并在其輸出11上產(chǎn)生控制輸出(“CO”)。所述控制輸出通過激勵器14被饋入過程15。
現(xiàn)參見圖2，其中示出了控制器10的一簡化了的方框圖?？刂破?0包括微處理器5，它可通過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)19在輸出端11上改變控制信號，并能通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)18監(jiān)視PV(一模擬信號)。所述DAC19將由微處理器產(chǎn)生的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為輸出端11上的模擬控制輸出。所述ADC18將模擬PV信號轉(zhuǎn)換為一數(shù)字信號。ADC18的取樣時間通常與控制周期相同。
與微處理器5相關(guān)聯(lián)的是隨機存取存儲器(RAM)3和可擦可編程只讀存儲器(EPROM)4。用于運行微處理5的內(nèi)部程序被儲存于EPROM4中。所述微處理器5可使用RAM3來儲存數(shù)據(jù)，例如代表了由傳感器16所得到的實際過程輸出值的數(shù)字信號。在EPROM4中執(zhí)行的程序?qū)⒅甘疚⑻幚砥?如何操作RAM3中的數(shù)據(jù)或它應(yīng)如何改變控制器10的輸出11上的控制輸出。
其中可使用本發(fā)明的靈巧濾波器的應(yīng)用8的一個例子是用來控制過程15的溫度。在這種應(yīng)用中可將一熱電偶用作傳感器16來提供代表了過程輸出17上之溫度的輸入信號12。一些熱電偶的電壓與溫度的關(guān)系非常靈敏。例如，一“S”型熱電偶對于華氏1度的溫度變化僅產(chǎn)生3微伏的電壓。在噪聲很大的工業(yè)應(yīng)用中可以很容易地產(chǎn)生比在熱電偶傳感器的輸入端上的3微伏大幾個數(shù)量級的噪聲。因此，溫度的讀數(shù)可僅僅由于噪聲而跳起幾個數(shù)量級，這在過程控制及監(jiān)視應(yīng)用中顯然是無法接受的。
現(xiàn)參見圖3，它示出了可實現(xiàn)所述靈巧濾波器的EPROM4中編程邏輯的流程圖。通過對流程圖所作的描述，我們可以明白，所述靈巧濾波器是把本發(fā)明的方法及裝置和一種濾波器相結(jié)合而得的裝置，所述濾波器例如可以是但并不限于結(jié)合圖3而描述過的現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器。由圖3流程圖的描述還可以知道，本發(fā)明的方法及裝置提供了一個用于濾波器的因數(shù)(以下稱作“濾波器因數(shù)”)來處理裝置的輸入端處的數(shù)字信號。
所述編程邏輯采用一種技術(shù)來決定輸入信號的變化是由于噪聲還是由于一有效的信號變化引起的。如以下將作詳述的那樣，所述邏輯使用了可提供對裝置輸入端處信號方向的趨勢作出過去分析的信息。所述趨勢信息(以下作“趨勢指示)包括一代表了該趨勢之以往歷史的因數(shù)。如以下也將更為詳細地描述的那樣。所述邏輯采用了最近的趨勢指示以合理的置信度來決定當(dāng)時在裝置輸入端處的信號是或不是噪聲的特性。如果輸入端處的信號被認為不是噪聲特性，則所述邏輯將通過對趨勢指示調(diào)整一個量，這個量以下稱作“跟蹤可信度(tracking credit)”。所述跟蹤可信度實際上是又一個置信度，表明輸入信號的改變不是噪聲特性。所述技術(shù)將現(xiàn)有技術(shù)的濾波器之有效信號響應(yīng)時間與噪聲抑制之間平衡降至最小。以下將描述編程邏輯中特定的步驟。
參見圖3中的流程圖，步驟21中的靈巧濾波器取得了在當(dāng)前控制周期上測量得到的PC新值并減去來自步驟30的舊平均值以決定差值。所述舊平均值是前一控制周期靈巧濾波器的輸出。一個根據(jù)步驟26或27而決定的累積狀態(tài)字節(jié)(CSB)的絕對值和舊平均值一起被儲存在RAM3中并與使用靈巧濾波器的每一PV輸入信號(圖3的邏輯可被用于多個PV)相聯(lián)系。CSB是趨勢指示。CSB的絕對值在步驟22中被參照AMT1而檢查。AMT1在靈巧濾波器將開始把輸入信號以為是不同于噪聲的真正的變化電平之前被選作一趨勢出現(xiàn)率的最少值。步驟24顯示出如果CSB小于AMT1則不會給出可信度。
為了進行說明且并不限制本發(fā)明的范圍，為AMT1選擇了一個數(shù)值2。當(dāng)CSB的絕對值等于或超過所述AMT1的數(shù)值時，如步驟22和23中可看到的為這個輸入的變化給出了跟蹤可信度。所述可信度具有一個比例因數(shù)AMT2，它可在使用靈巧濾波器的應(yīng)用中被設(shè)置為例如一個雙倍于最大預(yù)計噪聲電平的數(shù)值。比例因數(shù)AMT2在輸入信號幅度的改變被允許提供給可信度之前決定必須出現(xiàn)在輸入信號幅度中的最小改變。在這一例子中基于圖4中所示的輸入信號中的隨機噪聲電平AMT2的值被確定為0.4。如果以整數(shù)形式儲存且可信度CSB的絕對值小于AMT2，則可信度為0(即可信度被截去)。
接下來在步驟25中，靈巧濾波器通過與CSB比較差值的極性，從而決定所述差值的絕對值是比AMT3的數(shù)值小(這代表了輸入信號被認為是噪聲的最大幅度)還是所述增值與CSB中的以前的趨勢相矛盾，如果上述所作決定中任何一個是真實的，則如步驟27中所述那樣CSB回到零。AMT3可被設(shè)置在一個值，它確定了在靈巧波波器的輸出值附近一加窗范圍的數(shù)值，在所述范圍內(nèi)需最大衰減權(quán)重，在這種情況下選AMT3的值為0.02。
如果CSB趨勢與增值相同則在步驟26中調(diào)節(jié)CSB，做法是在CSB上加可信度并在增值符號函數(shù)輸出[sign(DELTA)]上加可信度，如果增值是正的，所述sign(DELTA)輸出+1，如果增值是0，則輸出0，如果增值是負的，則輸出-1。隨后靈巧濾波器在步驟28中基于所述經(jīng)過調(diào)節(jié)的CSB值來決定比例(SCALAR)值，即濾波因數(shù)。在這個例子中所述SCALAR值被限定為一正值或零，這里負值被設(shè)置為零。步驟28中的max(0，應(yīng)答值)函數(shù)在應(yīng)答值為正時產(chǎn)生應(yīng)答值，在應(yīng)答值為0或負時產(chǎn)生零。AMT4來確定所需的最大SCALAR值;因而，這確定了最重(最大)衰減權(quán)重。步驟28顯示了當(dāng)CSB為0時所述SCALAR將為最大且不會小于零。
在步驟29中靈巧濾波器的輸出是用分?jǐn)?shù)部分的當(dāng)前增值來調(diào)節(jié)先前輸出而得到。所述調(diào)節(jié)包括把增值除以SCALAR的平方再加上AMT5的數(shù)值。數(shù)值A(chǔ)MT5可被設(shè)置為所希望的衰減權(quán)重的最小值。注意到AMT5必須大于零以防止在步驟29中出現(xiàn)被零除。在這一例子中AMT5等于1。在離開程序之前，所述舊平均值被設(shè)置為步驟30中的當(dāng)前輸出值。
這里值得注意的是，本發(fā)明中的步驟29可用一現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器來代替，所述濾波器的時間常數(shù)由步驟28的SCALAR值來確定，同樣地，一現(xiàn)有技術(shù)的移動均值濾波器也可代替步驟29。其中儲存平均測量值的個數(shù)要根據(jù)步驟28中的SCACAR值而定。本發(fā)明的這一靈活性允許多種濾波器形式均得益于靈巧濾波器的性能。
作為本發(fā)明靈巧濾波器的一個例子，結(jié)合圖3的流程圖使用上述值。
圖4至6示出了靈巧濾波器在存在噪聲的處理方面優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器。一現(xiàn)有技術(shù)的移動平均值型濾波器可通過分別調(diào)節(jié)所儲存數(shù)值的個數(shù)和衰減權(quán)重而以與現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器非常相似的方式工作。因而，為了進行說明僅將衰減權(quán)重為8的現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器與本發(fā)明的靈巧濾波器作比較。
由圖4至6及以下的說明可以看到，為了在信號接近穩(wěn)態(tài)時使滯后濾波器達到靈巧濾波器的衰減必須增加所述滯后濾波器的衰減權(quán)重。然而，提高了現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器的衰減權(quán)重同時也降低了滯后濾波器的跟蹤能力由此增加了所述濾波器的階躍響應(yīng)時間(即，一更慢更遲緩的響應(yīng))。同樣地，降低滯后濾波器的衰減權(quán)重以允許其更密切地跟蹤信號響應(yīng)將犧牲滯后濾波器的噪聲濾波性能。
圖4至6的幅度和時間刻度是不相關(guān)的，這是因為它們的刻度依性質(zhì)和應(yīng)用而定。因而，衰減權(quán)重、控制周期時間和相應(yīng)的輸入電平可根據(jù)不同的過程控制應(yīng)用而變化;但是，與現(xiàn)有技術(shù)的濾波技術(shù)相比靈巧濾波器所提供的總體優(yōu)點仍可加以應(yīng)用。
圖4中所示的輸入階躍信號42上疊加有噪聲。圖4示出了對于階躍輸入信號42的靈巧濾波器的響應(yīng)40和現(xiàn)有技術(shù)的滯后型濾波器的響應(yīng)41。對于階躍輸入信號的理想的輸出響應(yīng)是一理想的階躍波形。由圖4可見，與現(xiàn)有技術(shù)的滯后型濾波器的響應(yīng)相比較，靈巧濾波器的響應(yīng)反映了這一特性。
圖5示出的波形提供了小型濾波器響應(yīng)50，現(xiàn)有技術(shù)滯后濾波器響應(yīng)51及帶噪聲的階躍輸入信號52與理想階躍響應(yīng)相比較的實時誤差。所述帶噪聲的輸入信號52只是疊加在理想階躍上的噪聲。滯后濾波器誤差51示出了在階躍出現(xiàn)處附近的急速跳變及逐漸衰減。這是因為現(xiàn)有技術(shù)的滯后型濾波器對信號中的實際階躍具有一較慢的響應(yīng)(響應(yīng)時間較長)。開始時滯后濾波響應(yīng)大約在達到階躍的數(shù)值時結(jié)束，隨著時間的推移，滯后濾波響應(yīng)慢慢地接近階躍，這在這時成為滯后濾波響應(yīng)中誤差的主要原因。靈巧濾波器開始時的誤差與滯后濾波器相同，但是靈巧濾波器的響應(yīng)的恢復(fù)比現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器響應(yīng)的恢復(fù)要快得多。
與圖5中每個波形相聯(lián)系的是一個“平方誤差和”。所述對應(yīng)于各波形的平方誤差和是由先從每一濾波響應(yīng)中減去理想階躍響應(yīng)再在每一周期將其數(shù)量進行平方而決定的。隨后對示于圖中的時間間隔內(nèi)的各個響應(yīng)把這些來自每一周期的平方值之差相加。平方誤差和是比較靈巧濾波器和現(xiàn)有技術(shù)滯后濾波器對于理想階躍響應(yīng)之響應(yīng)的一種方法。因而，平方誤差和越小則濾波器對于階躍的響應(yīng)越好。由圖5可見靈巧濾波器的平方誤差和最小因而它有最好的響應(yīng)。
可以注意到在圖中所示的時間框上，滯后濾波器會產(chǎn)生比噪聲本身更多的誤差。這是由于滯后濾波器固有的緩慢階躍響應(yīng)導(dǎo)致了在這一時間框上主要的誤差。若給出一個只有一個階躍的更長的時間框，則滯后濾波器的輸出誤差將可能降低至噪聲誤差以下，然而其性能仍比本發(fā)明的靈巧濾波器來得差。
圖6示出了其上疊加有大噪聲尖峰的一穩(wěn)態(tài)輸入信號62。因為所述大噪聲尖峰不是有效的信號變化，過程控制器對它們將不作出響應(yīng)。如在圖6中可以看到的那樣，靈巧濾波器響應(yīng)60在輸入噪聲尖峰存在的情況下仍連續(xù)進行濾波。然而，滯后濾波器響應(yīng)61受到每一個噪聲尖峰的影響，雖然噪聲尖峰并不是有效的信號變化。因而，與靈巧濾波器響應(yīng)60相比，所述滯后濾波器又一次將更多的誤差帶進了實際信號(在這種情況下是DC)。
如上所述，靈巧濾波器的響應(yīng)實質(zhì)上優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的滯后濾波器。雖然圖4至6中未示出，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將明了靈巧濾波器的響應(yīng)將同樣優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的移動均值型濾波器的響應(yīng)。此外，使用現(xiàn)有技術(shù)的移動均值型濾波器的一個缺點在于其固有的對噪聲尖峰的噪聲阻扼能力差。當(dāng)噪聲尖峰作為所存儲的測量值之一輸入時，移動均值的輸出連續(xù)地對所述噪聲尖峰與其它所儲存的測量值同等地進行加權(quán)直至噪聲尖峰測量值在按時間順序儲存的測量值的限定數(shù)量中被取代為止。這將使現(xiàn)有技術(shù)的移動平均值輸出產(chǎn)生一接近于方波的效果。
圖3的步驟25可改變?yōu)樵谶@些過程控制應(yīng)用中允許使用靈巧濾波器，在所述應(yīng)用中信號響應(yīng)的方向指示了所述信號和噪聲的特性。在這些類型的應(yīng)用中步驟25中對CSB和DELTA設(shè)置為零的電平可設(shè)置為不同的數(shù)值。例如，不同于步驟25中的一個限制條件‘(DELTA(＝0)＆(CSB＞0)’，可將此限制條件改為‘(DELTA＜＝-1)＆(CSB＞2)’。除非增值小于-1且CSB大于2，這將防止CSB消除。這種響應(yīng)將對正向信號與反向信號給出不同的響應(yīng)。
在不要求具備所述靈巧濾波器的所有高級性能的應(yīng)用中本發(fā)明可得以簡化。例如，通過用‘CREDIT＝1’來代表步驟23，用‘SCALAR＝0’來代替步驟26，用‘SCALAR＝所希望的最大衰減設(shè)置’來代替步驟27，并去除步驟28我們可容易地完成以下功能為了跟蹤信號，在保持絕對增值大于AMT3的同時，AMT1將代表信號必須與趨勢一致的控制周期的個數(shù)，否則通過最大SCALAR來衰減信號。
上述的本發(fā)明可用于需要一低通濾波器裝置的場合。可通過將步驟22中的‘＞＝’改為‘＜’;將步驟25中的‘DELTA＞＝’改為‘DELTA＜’;‘DELTA＜＝’改為‘DELTA＞’;‘＜AMT3’改為＞＝AMT3’;使用本發(fā)明來實現(xiàn)一種高通濾波器形式的裝置。
步驟22主要用來區(qū)別信號中的有效變化和加在信號上的噪聲尖峰。步驟22可以用一功能來代替，所述功能將詢問“前一周期的增值是否在當(dāng)前周期的增值A(chǔ)MT7的范圍內(nèi)？”AMT7可以是一個例如為0.154的幅值或是該值的百分值例如20%。
可對傳至濾波器的SCALR值進行平方，立方或代表2的乘冪以達到靈巧濾波器衰減改變的加速率。例如一值為3的SCALAR可被立方以通過值為27的衰減權(quán)重。在一不同的情況下值為3的SCALAR代表2的乘冪，而由2的3次冪得到衰減權(quán)重為8。
當(dāng)值用浮點表示時可完成圖3的流程圖中本發(fā)明所必需的程序。然而，本發(fā)明的靈巧濾波器也可方便地使用于整型格式的應(yīng)用。為了甚至于在衰減權(quán)重因數(shù)非常大的情況下跟蹤輸入信號，用于整數(shù)的靈巧濾波器將在變化中加一個二進制位。例如，步驟29中輸出仍將是用比例增值加以調(diào)節(jié)的舊平均值;然而，人們總是希望對比例增值進行四舍五入至下一個整數(shù)，因而除非增量為零它將不會是零。另一方面，人們可根據(jù)增值的符號來簡便地增大或減小舊平均值當(dāng)符號為正時增大舊平均值，符號為負時減小舊平均值。值為零的增值將不會增大或減小所述舊平均值。
此外，本發(fā)明可被用于一移動均值濾波器的應(yīng)用中，在所述濾波器中經(jīng)平均的存儲測量值個數(shù)的變化反映了SCALAR的數(shù)值;因而，濾波及快速響應(yīng)可以采用移動均值的形式來完成。控制器10(見圖1)將按時間順序存儲在輸入12上的一定個數(shù)的過程可變信號的測量值?？刂破魉鎯Φ臏y量值的個數(shù)將反映用于移動均值所希望的最重(最大)衰減權(quán)重。
移動均值的一種應(yīng)用可使用28的SCALAR項平方加1來表示有多少個測理值將被求平均值以決定靈巧濾波器的輸出。例如，如果控制器為移動均值靈巧濾波器存儲了多至10個數(shù)值，當(dāng)前SCALAR為2，則SCALAR平方后加1為5而所述移動均值靈巧濾波器的輸出是最后5個測量值的平均。
本發(fā)明的另一種形式使用了一種根據(jù)靈巧濾波器的SCALAR的多循環(huán)迭代的方法。來自步驟28的作根據(jù)的SCALAR值由1的值開始高至CSB的絕對值。所述經(jīng)平方的SCALAR值將表示在每一周期內(nèi)一很重(很大)衰減權(quán)重滯后濾波器應(yīng)重復(fù)運行多少次。因而，如果CSB是0，SCALAR為1而SCALAR的平方為1，滯后濾波器運行僅一次。如果CSB為4則SCALAR的平方為16而滯后濾波器在該控制周期內(nèi)將反復(fù)運行16次。可以看到，滯后濾波器反復(fù)運行的次數(shù)越多，對信號中的變化的跟蹤也越密切。同樣地，滯后濾波器每周期運行得越少，噪聲阻扼的效果越差。
此外，本發(fā)明并不限于將使用來自步驟28中的SCALAR的平方項作為決定濾波器的權(quán)重的一種方法;SCALAR可被進行立方或僅使用SCALAR值。然而，SCALAR的平方項提供了一加速的動態(tài)濾波權(quán)重，它使靈巧濾波器用最少的處理時間在一相當(dāng)?shù)亩虝r間間隔內(nèi)由重衰減至快速跟蹤作出響應(yīng)。
本發(fā)明的另一種形式是加窗濾波器型式，它使用加窗值來決定衰減權(quán)重。例如，步驟29示出了帶有可被一組由CSB的加窗值決定的衰減權(quán)重來替換的‘SCALAR＾2+AMT5’的項。所述替換可以是例如‘IF｜CSB｜＜2 then the damping weight is 16，else damping weight is 4’。這種方法的優(yōu)點在于僅使用一有限個數(shù)的權(quán)重窗(在本情況下為2)且在CSB值附近設(shè)置了窗以決定衰減權(quán)重。
圖7示出了本發(fā)明的一種推廣，它可使信號趨勢位于由AMT3設(shè)置的確定的噪聲頻帶內(nèi)。因而，如果絕對增值小于AMT3而CSB未消失，所述趨勢被用-NB-CSB(它是噪聲頻帶累積狀態(tài)字節(jié))在所述頻帶內(nèi)進行分析。靈巧濾波器中的這一增添的復(fù)雜性可提供對于噪聲頻帶內(nèi)發(fā)生的真實信號變化的更快的響應(yīng)。圖7中的步驟70將替代圖3中的步驟25。同樣地，步驟74替代步驟27。圖3中的所有其它步驟保留如同圖7中所附加的步驟。
在步驟70中，靈巧濾波器通過比較增值對CSB的極性而決定增值是否為零或增值是否與CSB中的先前趨勢相反。如果是在此情況下，則CSB和NB-CSB如步驟74中所示均被設(shè)置為零。否則，在步驟71中絕對增值被檢查以決定它是否小于AMT3，如果不是，則如72所示進入步驟26。
如果絕對增值小于AMT3則我們進入步驟73。在這里我們將在由AMT3所確定的噪聲頻帶內(nèi)工作。步驟73通過使用比較增值對NB-CSB的極性以決定增值是否與NB-CSB的先前噪聲頻帶趨勢相反。應(yīng)當(dāng)看到，NB-CSB宜為一同樣存儲在RAM中的“噪聲頻帶趨勢指示”。如果噪聲趨勢與信號變化(增值)不一致，則我們進入步驟74。否則，如果它們相一致，則NB-CSB如步驟75中所示那樣被sign(DELTA)函數(shù)加以調(diào)節(jié)且進入步驟77。
步驟77詢問噪聲頻帶趨勢NB-CSB的絕對值是否大于或等于AMT6。如果是，NB-CSB在步驟78中被重新置為0且隨后如72所示進入步驟26，在這里CSB將被調(diào)節(jié)以顯示趨勢被識別。AMT6通過在噪聲頻帶內(nèi)同方向的連續(xù)信號趨勢的個數(shù)來設(shè)置，AMT6可構(gòu)成一有效信號變化。例如，如果AMT6被設(shè)置為5，則要求在調(diào)節(jié)CSB以提供一有效信號變化之前對于至少5個連續(xù)控制周期在噪聲頻帶內(nèi)信號趨向同一方向。
應(yīng)該注意，可根據(jù)使用本發(fā)明完成的在一種特殊型式來限定CSB，NB-CSB和CREDIT的值。例如，如果CSB和NB-CSB被用作帶符號的字節(jié)而不是凈字節(jié)，這些數(shù)值必須被限定為最多為127的十進制絕對值以防止溢出字節(jié)。這一建議同樣適用于其它數(shù)值例如CREDIT，并推廣至不同的整數(shù)表示法(即多字節(jié))，或浮點執(zhí)行過程。
本發(fā)明這一推廣的另一有價值的性質(zhì)在于，NB-CSB可被用于在前面對于整型格式應(yīng)用中描述過的增量-減量功能。這是因為這一推廣允許在噪聲頻帶內(nèi)進行信號跟蹤，因而，對于整型應(yīng)用而言，為了跟蹤一信號變化，靈巧濾波器的輸出不再需要不經(jīng)考慮地改變1。僅當(dāng)｜NB-CSB｜如步驟77中那樣到達AMT6時才改變1，這就保持了其信號跟蹤能力而不需要靈巧濾波器的輸出每一周期都變化。
我們可以理解，對較佳實施例的描述僅是為了進行說明而并不局限本發(fā)明。常規(guī)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人員可以對所揭示的特定實施例進行某些增加，刪除或修改，這些并不會離開如所附權(quán)項所限定的本發(fā)明的精神或其范圍。
權(quán)利要求
1.在一種裝置中，包括一輸入和一輸出，所述裝置在重復(fù)出現(xiàn)的預(yù)定時間間隔中工作，一種方法用于在當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間內(nèi)在所述輸入上處理一數(shù)字信號以在所述輸出上提供一經(jīng)濾波的數(shù)字信號，所述裝置包括用來存儲在所述輸出上的所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號的裝置和一趨勢指示，其特征在于，所述方法包括以下步驟a)計算在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間在所述裝置輸入端上的所述數(shù)字信號和在先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間存儲在所述儲存裝置內(nèi)的所述裝置輸出上的經(jīng)濾波的數(shù)字信號之間的幅值之差；b)決定在所述先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間存儲于所述存儲裝置中的趨勢指示是否允許一跟蹤可信度；c)作為所述數(shù)字信號的一假定的噪聲頻帶和所述數(shù)字信號幅度之差的函數(shù)計算所述允許的跟蹤可信度，該數(shù)字信號在所述先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間出現(xiàn)在所述裝置的輸入上；d)比較所述數(shù)字信號幅度與下列各項間的差；i所述趨勢指示；和ii基于所述假定的噪聲頻帶之函數(shù)的一預(yù)定值；將所述趨勢指示作如下改變i.當(dāng)所述差和所述趨勢指示不一致或所述差的絕對值小于所述基于所述假定的噪聲頻帶之函數(shù)的預(yù)定值時，改變?yōu)?；或ii.通過將所述允許的跟蹤可信度和一相應(yīng)于所述差的極性的預(yù)定值加在所述趨勢指示上；e)基于在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間內(nèi)變化的所述趨勢指示的函數(shù)來計算一濾波因數(shù)；f)在所述裝置中使用所述濾波因數(shù)以由此在所述裝置輸出上提供所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號；且g)用在所述先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間在所述裝置輸出上的經(jīng)濾波的數(shù)字信號及存儲在所述存儲裝置中的所述趨勢指示來替代，在所述存儲裝置中用在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間變化的所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號和所述趨勢指示。
2.在一種裝置中，包括一輸入和一輸出，所述裝置在重復(fù)出現(xiàn)的預(yù)定時間間隔內(nèi)工作，一種方法，用于在當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間在所述輸入上處理一數(shù)字信號以由此在所述輸出上提供一經(jīng)濾波的數(shù)字信號，在所述輸入上的所述數(shù)字信號具有一假定的噪聲頻帶，所述裝置包括用于存儲在所述輸出上的所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號的裝置，第一趨勢指示和一基于所述假定的噪聲頻帶上的第二趨勢指示，其特征在于，所述方法包括以下步驟a)計算在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間在所述裝置輸入上的所述數(shù)字信號與在所述先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間存儲在所述存儲裝置中位于所述裝置輸出上的所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號間的幅值之差;b)決定在所述先前出現(xiàn)的預(yù)定時間間隔之一的期間存儲在所述存儲裝置中的所述第一趨勢指示是否允許一跟蹤可信度;c)噪聲頻帶和所述數(shù)字信號幅度之差的函數(shù)計算所述允許的跟蹤可信度，該數(shù)字信號在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間出現(xiàn)在所述裝置輸入上;d)比較所述數(shù)字信號幅度與下列各項間的差ⅰ.所述第一趨勢指示;ⅱ.基于所述假定的噪聲頻帶函數(shù)的一第一預(yù)定值;和ⅲ.零;以將所述第一和所述第二趨勢指示中兩者或任何一者改變?yōu)榱?ⅰ.如果所述差和所述第一趨勢指示不一致;或ⅱ.如果所述差等于零;或如果所述差的絕對值小于基于所述假定的噪聲頻帶之函數(shù)的所述第一預(yù)定值且所述差與所述第二趨勢指示不一致;或?qū)⑺鲈试S的跟蹤可信度及相應(yīng)于所述差的極性的一第一預(yù)定值加在所述第一趨勢指示上，如果所述差的絕對值不小于所述基于所述假定噪聲頻帶的函數(shù)的第一預(yù)定值;或通過將所述第二趨勢指示加到一相應(yīng)于所述差的極性的一第二預(yù)定值上以改變所述第二趨勢指示，如果所述差與所述第二趨勢指示相一致，且隨后，如果所述第二趨勢指示的絕對值大于基于所述假定噪聲頻帶之函數(shù)的一第二預(yù)定值，改變所述第二趨勢指示至零且在所述第一趨勢指示上加上允許的跟蹤可信度和所述相應(yīng)于所述差的極性的所述第一預(yù)定值;e)計算在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間變化的基于所述第一趨勢指示之函數(shù)的一波濾因數(shù);f)在所述裝置中使用所述濾波因數(shù)以由此在所述裝置輸出上提供所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號;且g)用在所述先前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間在所述裝置輸出上的經(jīng)濾波的數(shù)字信號和存儲于所述存儲裝置中的所述第一和第二趨勢指示來替代在所述存儲裝置中，用在所述當(dāng)前出現(xiàn)的所述預(yù)定時間間隔之一的期間變化的所述經(jīng)濾波的數(shù)字信號及所述第一和第二趨勢指示。
全文摘要
一裝置，它結(jié)合了方法、裝置及一濾波器，濾波器可以是一種滯后濾波器。方法和裝置提供一由濾波器在裝置輸入上處理數(shù)字信號的因數(shù)。該方法能確定輸入信號的變化原因是噪聲還是有效信號的變化。該方法中使用了裝置輸入處給出信號方向趨勢的過去分析的信息，用最近的趨勢指示，確定裝置輸入上的當(dāng)前信號是否是噪聲特性。如果不是，則通過一跟蹤可信度調(diào)節(jié)趨勢指示。本方法使有效信號響應(yīng)時間及濾波器噪聲阻扼間的折衷減到最小。
文檔編號G06F3/05GK1112751SQ9312044
公開日1995年11月29日 申請日期1993年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月15日
發(fā)明者理查德·J·莫爾納 申請人:國際自動化控制信貸股份有限公司