本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)采集方法，尤其涉及一種基于多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高低頻信號(hào)波形混合采集方法。

背景技術(shù)：

在一些多路信號(hào)采集的場(chǎng)合，會(huì)出現(xiàn)某些低頻信號(hào)和高頻信號(hào)需要同時(shí)采集的情況。如果使用傳統(tǒng)的單一數(shù)據(jù)采集卡的同一頻率采集，則會(huì)遇到采集頻率和信號(hào)頻率無(wú)法匹配的矛盾。如果根據(jù)高頻信號(hào)采集要求的頻率進(jìn)行采集，則低頻信號(hào)部分單周期會(huì)采集過(guò)多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，浪費(fèi)較多資源，性價(jià)比低；反之，如果根據(jù)低頻信號(hào)采集要求的頻率進(jìn)行采集，則高頻信號(hào)部分單周期采集數(shù)據(jù)點(diǎn)達(dá)不到采集要求。

公開(kāi)號(hào)為201510155256.4的中國(guó)專利公開(kāi)了一種軟仿真插值提升交流采樣頻率的方法，通過(guò)在實(shí)際采樣點(diǎn)間插入模擬仿真點(diǎn)，提升了交流采樣頻率，提高采樣精度。現(xiàn)有技術(shù)能適用于高低頻信號(hào)波形混合采集，但是其高頻信號(hào)的采集要求是利用軟件插值提升頻率達(dá)到的，并不是實(shí)際采樣數(shù)據(jù)得到的，軟仿真插值結(jié)果不如實(shí)際采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種基于多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高低頻信號(hào)有限時(shí)間混合采集方法，該方法能夠在有限時(shí)間內(nèi)通過(guò)采集通道的合理配置，實(shí)現(xiàn)高低頻信號(hào)波形的混合采集，提高性價(jià)比。

一種基于多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高低頻信號(hào)有限時(shí)間混合采集方法，具體包括以下步驟：

(1)定義以基礎(chǔ)頻率采集的信號(hào)為低頻信號(hào)，以n倍基礎(chǔ)頻率采集的信號(hào)為高頻信號(hào)；

(2)按照步驟(1)中的定義將各個(gè)采集信號(hào)進(jìn)行分類，得到低頻信號(hào)為a個(gè)，高頻信號(hào)為b個(gè)，并確定高頻信號(hào)的采樣頻率為f₂，低頻信號(hào)的采樣頻率為f₁＝f₂/n；如果實(shí)際高低頻信號(hào)不是整數(shù)倍關(guān)系，以高頻信號(hào)頻率為基準(zhǔn)來(lái)確定；

(3)根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最高采樣速率f_max與采樣通道總數(shù)L限制，以設(shè)定的采樣頻率與參數(shù)對(duì)每個(gè)低頻信號(hào)與高頻信號(hào)進(jìn)行分組采樣，得到第i個(gè)低頻信號(hào)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合A_i和第j個(gè)高頻信號(hào)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合B_j，其中，1≤i≤a，1≤j≤b；

(4)將集合A_i中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)合成該低頻信號(hào)波形，將集合B_j中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)分割疊加合成該高頻信號(hào)波形。

所述的步驟(3)的具體步驟為：

(3-1)設(shè)定每個(gè)通道采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)低頻信號(hào)采用單通道采集，每次分組采樣采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)高頻信號(hào)采用多通道采集，每次分組采樣采集多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(3-2)設(shè)定各信號(hào)每個(gè)周期采樣N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)高頻信號(hào)占用m個(gè)通道，且相鄰高頻信號(hào)采集通道之間的間隔δ通道，則采集通道數(shù)M為：

M＝a+b×m≤L

(3-3)定義內(nèi)時(shí)鐘周期為分組采樣中高頻信號(hào)采樣周期，外時(shí)鐘周期是分組采樣中低頻信號(hào)采樣周期，是每組采樣時(shí)間與組間間隔時(shí)間之和，

內(nèi)時(shí)鐘頻率f_in為：

組間間隔時(shí)間T_d為：

其中，δ_t為某高頻信號(hào)占用的末通道與下一個(gè)循環(huán)采樣時(shí)首通道之間的間隔通道數(shù)，且δ_t≤δ；

外時(shí)鐘頻率f_ex為：

(3-4)對(duì)于第i個(gè)低頻信號(hào)，采集每次分組采樣中的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到該低頻信號(hào)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合A_i；

(3-5)對(duì)于第j個(gè)高頻信號(hào)，采集每次分組采樣中的多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到該高頻信號(hào)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合B_j。

所述的多通道采集是將同一信號(hào)接入多個(gè)通道，各個(gè)通道之間存在一個(gè)或多個(gè)內(nèi)時(shí)鐘周期的時(shí)移。每個(gè)外時(shí)鐘周期內(nèi)，低頻信號(hào)采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，高頻信號(hào)采集m個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

所述的步驟(4)的具體步驟為：

(4-1)對(duì)于低頻信號(hào)，將集合A_i中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)合成該低頻信號(hào)波形，每個(gè)信號(hào)周期包含N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(4-2)對(duì)于高頻信號(hào)，首先將集合B_j中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)按信號(hào)周期順序分割，得到p個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包含mN/n數(shù)據(jù)點(diǎn)；然后，對(duì)于第k個(gè)數(shù)據(jù)塊B_jk，將后面相鄰的數(shù)據(jù)塊B_j(k+1)、B_j(k+2)、...、B_j(k+n/m-1)交叉填充到數(shù)據(jù)塊B_jk中，合成該高頻信號(hào)波形，每個(gè)信號(hào)周期提升到N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，k的取值范圍為1,2,3,…,p。

當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，采樣得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)值會(huì)突變，根據(jù)突變數(shù)據(jù)點(diǎn)值判斷出現(xiàn)故障信號(hào)的采樣分組，則該分組采樣所在的信號(hào)周期數(shù)據(jù)不參與此前、此后信號(hào)周期數(shù)據(jù)的疊加合成，單獨(dú)以此分組采樣周期采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)合成此周期的波形，損失一些高頻信號(hào)的精度，但是保證了準(zhǔn)確度。這些精度受影響的分組采樣周期較少且時(shí)間較短，誤差可以接受。

故障信號(hào)通常為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，使用低頻信號(hào)頻率采樣，且將其放在末通道采集。

本發(fā)明中，低頻信號(hào)的完整采樣周期是通過(guò)N個(gè)分組采樣周期中的數(shù)據(jù)點(diǎn)疊加合成的，高頻信號(hào)的完整采樣周期是通過(guò)N/m個(gè)分組采樣周期中的數(shù)據(jù)點(diǎn)疊加合成的，內(nèi)時(shí)鐘周期控制了高頻信號(hào)每個(gè)分組采樣周期內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)移，組間間隔時(shí)間控制了高頻信號(hào)的分組采樣周期之間對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)移，以實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)前后分組采樣周期數(shù)據(jù)點(diǎn)的交叉疊加合成。

本發(fā)明基于多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高低頻信號(hào)有限時(shí)間混合采集方法，低頻信號(hào)通過(guò)單通道多分組采樣周期疊加采集，高頻信號(hào)通過(guò)多通道多分組采樣周期疊加采集，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)當(dāng)需要同時(shí)采集高頻和低頻信號(hào)時(shí)，使用一塊數(shù)據(jù)采集卡的單通道采樣時(shí)，則需要將所有信號(hào)的采樣頻率都設(shè)置為最高采集頻率，方能滿足所有信號(hào)的采集頻率需求。此時(shí)對(duì)于需要高頻采集的信號(hào)來(lái)說(shuō)沒(méi)有損失，但是對(duì)于其他只需要低頻采集的信號(hào)來(lái)說(shuō)，浪費(fèi)了大量的采集和存儲(chǔ)資源。本發(fā)明方法的提出，則能有效解決該問(wèn)題，使各個(gè)信號(hào)都能按照其適合的頻率進(jìn)行采集，合理利用資源，提高了性價(jià)比。利用節(jié)省下來(lái)的數(shù)據(jù)采集卡的資源，還能實(shí)現(xiàn)原先采樣方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的采集要求。

(2)當(dāng)需要同時(shí)采集高頻和低頻信號(hào)時(shí)，使用多塊數(shù)據(jù)采集卡也能實(shí)現(xiàn)高低頻信號(hào)波形混合頻率采集，但此時(shí)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。本發(fā)明的方法只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中6脈整流逆變電路電氣原理圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中外時(shí)鐘觸發(fā)的分組采樣脈沖圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中信號(hào)與數(shù)據(jù)采集卡硬件連接示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)施例中采集整流逆變中頻感應(yīng)電爐設(shè)備中的6脈整流逆變電路的電氣柜信號(hào)，實(shí)用的數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率最高為250kHz，模擬輸入通道總數(shù)有16路。

如圖1所示的是6脈整流逆變電路電氣原理圖，整流變壓器1輸入工頻三相電，整流橋2整流出直流電，通過(guò)濾波電抗3，輸入到逆變橋4得到中頻交流電，整流橋和逆變橋輸出信號(hào)到故障診斷模塊5。需要采集的信號(hào)為：整流輸入電壓6、整流輸入電流7、整流輸出電壓8、逆變輸入電壓9、逆變輸出電流10、逆變輸出電壓11以及故障信號(hào)12共7種信號(hào)。整流輸入電壓6的頻率在50Hz左右，整流輸入電流7、整流輸出電壓8、逆變輸入電壓9的頻率在300Hz左右，逆變輸出電流10、逆變輸出電壓11的頻率在2.7kHz左右，故障信號(hào)是開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

采用本發(fā)明的方法對(duì)以上信號(hào)進(jìn)行采集，具體為：

步驟1，以基礎(chǔ)頻率為300Hz采集的信號(hào)為低頻信號(hào)，以9倍基礎(chǔ)頻率采集的信號(hào)為高頻信號(hào)。

步驟2，按照步驟1中的定義將各個(gè)采集信號(hào)進(jìn)行分類，得到低頻信號(hào)為5個(gè)，分別為：整流輸入電壓6、整流輸入電流7、整流輸出電壓8、逆變輸入電壓9以及故障信號(hào)12；高頻信號(hào)為2個(gè)，分別為：逆變輸出電流10、逆變輸出電壓11。

步驟3，設(shè)定每個(gè)通道采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)低頻信號(hào)采用單通道采集，每次分組采樣采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)高頻信號(hào)采用多通道采集，每次分組采樣采集多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

步驟4，設(shè)定每個(gè)周期采樣63個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)高頻信號(hào)占用3個(gè)通道，且相鄰高頻信號(hào)采集通道之間的間隔3通道，則采集通道數(shù)M為：

M＝(5+2×3)≤16

步驟5，定義內(nèi)時(shí)鐘周期為分組采樣中高頻信號(hào)采樣周期，外時(shí)鐘周期是分組采樣中低頻信號(hào)采樣周期，是每組采樣時(shí)間與組間間隔時(shí)間之和，外時(shí)鐘觸發(fā)的分組采樣脈沖圖如圖2所示，其中，a表示啟動(dòng)使能，b表示外時(shí)鐘脈沖，c表示分組采樣脈沖。

內(nèi)時(shí)鐘頻率f_in為：

組件間隔時(shí)間T_d為：

其中，δ_t＝2；

外時(shí)鐘頻率f_ex為：

如圖3所示，設(shè)置分組采樣的通道順序如下：

10-11-6-7-10-11-8-9-10-11-12

信號(hào)與數(shù)據(jù)采集卡硬件連接包括：

逆變輸出電流10：連接AI0、AI4、AI8號(hào)通道。

逆變輸出電壓11：連接AI1、AI5、AI9號(hào)通道。

整流輸入電壓6：連接AI2號(hào)通道。

整流輸入電流7：連接AI3號(hào)通道。

整流輸出電壓8：連接AI6號(hào)通道。

逆變輸入電壓9：連接AI7號(hào)通道。

故障信號(hào)12：連接AI10號(hào)通道。

步驟6，對(duì)于第i個(gè)低頻信號(hào)，采集每次分組采樣中的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到該低頻信號(hào)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合A_i，將集合A_i中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)簡(jiǎn)單合成該低頻信號(hào)波形，每個(gè)信號(hào)周期包含63個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

利用步驟6合成整流輸入電壓6的波形、整流輸入電流7的波形、整流輸出電壓8的波形、逆變輸入電壓9的波形、故障信號(hào)12的波形。

步驟7，對(duì)于第j個(gè)高頻信號(hào)，采集每次分組采樣中的多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到該高頻信號(hào)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合B_j；

對(duì)集合B_j中數(shù)據(jù)點(diǎn)合成整個(gè)波形的過(guò)程為：

首先，將集合B_j中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)按信號(hào)周期順序分割，得到p個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包含21數(shù)據(jù)點(diǎn)；

然后，對(duì)于第k個(gè)數(shù)據(jù)塊B_jk，利用后面相鄰的數(shù)據(jù)塊B_j(k+1)，B_j(k+2)，交叉填充合成該高頻信號(hào)波形，每個(gè)信號(hào)周期提升到63個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，k的取值范圍為1,2,3,…,p。

利用步驟7合成逆變輸出電流10的波形、逆變輸出電壓11的波形。

舉例說(shuō)明逆變輸出電流10的集合B₁中數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲得和合成過(guò)程為：

高頻信號(hào)第一次分組采樣采集到的相當(dāng)于一個(gè)周期中的1、4、7號(hào)點(diǎn)，第二次分組采樣采集到的相當(dāng)于一個(gè)周期中的10、13、16號(hào)點(diǎn)，以此類推，第7次分組采樣采集到一個(gè)周期中的55、58、61號(hào)點(diǎn)。第8次分組采樣采集到的相當(dāng)于第二個(gè)周期中的2、5、8號(hào)點(diǎn)，之后繼續(xù)11、14、17號(hào)點(diǎn)，以此類推，第14次分組采樣采集到第二個(gè)周期中的56、59、62號(hào)點(diǎn)。第15個(gè)分組采樣采集到的相當(dāng)于第三個(gè)周期中的3、6、9號(hào)點(diǎn)，之后繼續(xù)12、15、18號(hào)點(diǎn)，以此類推，第21次分組采樣采集到第三個(gè)周期中的57、60、63號(hào)點(diǎn)。

將以上得到的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)按照信號(hào)周期順序分割，得到3個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包含21個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)于第1個(gè)數(shù)據(jù)塊B₁₁，利用后面相鄰的數(shù)據(jù)塊B₁₂和B₁₃交叉填充到第1個(gè)數(shù)據(jù)塊B₁₁中，合成該逆變輸出電流10的波形，每個(gè)信號(hào)周期提升到63個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

故障信號(hào)是開(kāi)關(guān)量信號(hào)，當(dāng)中頻感應(yīng)電爐電氣柜正常工況時(shí)是低電平，當(dāng)電氣柜出現(xiàn)故障時(shí)變成高電平。此時(shí)其他信號(hào)會(huì)出現(xiàn)突變，則不適合高頻信號(hào)的疊加合成。將故障信號(hào)放在末通道采集，當(dāng)判斷其處于高電平時(shí)，則說(shuō)明該分組采樣周期中信號(hào)周期波形可能發(fā)生了突變，所以該分組采樣周期的高頻信號(hào)采樣點(diǎn)不與前后周期進(jìn)行疊加合成，單獨(dú)以此分組采樣周期采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)合成此分組周期的波形，這樣會(huì)損失一些高頻信號(hào)的精度，但是保證了準(zhǔn)確度。該分組采樣周期的前幾個(gè)未合成的周期(少于21個(gè)分組采樣周期)，仍然疊加合成。這些精度受影響的分組采樣周期較少且時(shí)間較短，誤差可以接受。該分組采樣周期的后續(xù)分組采樣周期重新開(kāi)始疊加采集。

以上即實(shí)現(xiàn)了一種基于多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高低頻信號(hào)有限時(shí)間混合采集方法。

如果這7個(gè)信號(hào)都使用單通道的方式采樣，則根據(jù)2.7kHz高頻信號(hào)每個(gè)周期采樣63個(gè)點(diǎn)的要求，數(shù)據(jù)采集卡最終設(shè)置的采集速率為：

f＝2.7kHz×63×7＝1190.7KHz

遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了該數(shù)據(jù)采集卡的最大采樣速率，無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

如果使用本發(fā)明的基于多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高低頻信號(hào)波形混合采集方法采樣，則需要使用11個(gè)通道，基礎(chǔ)頻率為300Hz，則數(shù)據(jù)采集卡最終設(shè)置的采集速率為226.8kHz。

由此可以看出，本發(fā)明不僅能大大提高數(shù)據(jù)采集卡的利用效率，合理使用資源，提高性價(jià)比。而且還能在一些場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)原先無(wú)法實(shí)現(xiàn)的采樣要求，大大提高了實(shí)用性。實(shí)際應(yīng)用中，如果數(shù)據(jù)采集卡對(duì)采集速率的設(shè)置有限制，即按照上述步驟計(jì)算出來(lái)的內(nèi)時(shí)鐘頻率不在數(shù)據(jù)采集卡的允許采集速率點(diǎn)，可以先就近遷移至允許的采集速率點(diǎn)，再反向核算外時(shí)鐘頻率的設(shè)置值。

以上所述的具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。