[发明专利]对工业控制缓动直流信号软硬件结合滤波的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及工业控制系统和模拟电子技术领域，尤其涉及一种对工业控制缓动直流信号软硬件结合滤波的方法及系统。

背景技术

工业控制缓动直流信号（以下简称缓动直流信号）在工业控制系统中非常常见，很多模拟传感器（温度、压力、流量等）和变送器输出信号都属于缓动直流信号，工业控制标准模拟联络信号多数也属于缓动直流信号，缓动直流信号的频谱中，频率上限一般不超过5Hz。

工业现场往往存在较为强烈的工频干扰，这种干扰的频谱主要包括工频50Hz和50Hz谐波频率，在实际工业环境中，工频干扰很容易窜入缓动直流信号中，与缓动直流信号叠加在一起，对缓动直流信号造成干扰。这种干扰有时候甚至是很强烈的，能导致测量仪表测量不稳定，严重时测量仪表甚至根本无法进行准确测量，因此，有必要在测量仪表中，进行模拟信号调理时有效滤除工频干扰。

缓动直流信号频率上限与工频干扰频率下限相距较远，理论上滤除并不复杂，过去通常使用简单的并联大容量电容或者一阶RC低通滤波器（将转折频率设计为5Hz左右）滤除工频干扰，某些使用了MCU的系统中，也可以使用简单的一阶RC低通数字滤波算法代替模拟滤波器。这些方法在大多数情况下都是行之有效的，但随着目前测量精度要求的提高，14位、16位甚至24位高精度ADC的推广使用，简单的一阶RC低通滤波存在幅—频曲线平缓的缺点，倍频程选择性差（仅6dB/倍频程），通带和阻带之间没有十分陡峭的界限，将转折频率设计为5Hz左右虽然基本能满足滤除工频干扰的需求，但对有用信号也有一定的损失，会造成某些较为急剧的变化被衰减，而且ADC精度越高，这种损失带来的测量误差也越明显，因此这种简单的滤波方法对于高精度测量是不宜使用的。复杂的数字滤波算法虽然具有很高的滤波性能，但一般需要DSP等高性能MCU，而工业控制测量仪表很多还在使用低成本、低性能但成熟的8位或者16位MCU，无法使用复杂数字滤波算法。

发明内容

本发明提供了一种对工业控制缓动直流信号软硬件结合滤波的方法及系统，解决了在去除工频干扰信号时，对缓动直流信号的干扰，能够降低在去除工频干扰信号时的硬件成本，并且保证对缓动直流信号测量的准确性。

一种对工业控制缓动直流信号软硬件结合滤波的方法，包括：

将缓动直流信号通过硬件滤波电路，所述硬件滤波电路为一阶RC低通滤波器；所述一阶RC低通滤波器的转折频率为23Hz-27Hz；这一转折频率对5Hz信号的衰减仅约为0.2dB（绝对值），相对转折频率设计为5Hz的一阶RC低通滤波器，对5Hz信号的衰减约为3dB（绝对值），25Hz转折频率设计对缓动直流信号中的有用频率成分影响大大减小；

将经过硬件滤波电路的缓动直流信号通过模数变换器，所述模数变换器采样速率至少为5kS/s；25Hz转折频率设计的一阶RC低通滤波器对2.5kHz信号的衰减可达约40dB，因此只要将ADC采样速率设计为5kS/s以上，即可同时起到抗频率混叠作用；

将经过模数变换器的缓动直流信号进行IIR数字低通滤波算法进行二次滤波，得到滤波后的缓动直流信号。25Hz转折频率设计的一阶RC低通滤波器对50Hz信号的衰减约为6dB，对100Hz信号的衰减约为12dB，对工频干扰的滤波效果不佳，因此A／D转换之后要配合软件数字低通滤波算法进行二次滤波。

所述的方法中，所述的IIR数字低通滤波算法对50Hz信号总衰减至少为30dB。由于硬件滤波电路对工频干扰信号已经有一定的衰减，因此软件数字低通滤波算法的设计要求可以降低，保证对50Hz信号总衰减30dB以上的要求即可。

所述的方法中，所述的IIR数字低通滤波算法的通带截止频率至少为25Hz。在可能的情况下，数字低通滤波算法的通带截止频率应该尽量高一些，通常可以取25Hz以上，这样即使选用相频特性线性不好的IIR数字滤波器算法，一般在0Hz—5Hz频率范围内，其相频特性依然可以近似看作线性的，对5Hz及其以下频率有用信号影响很小。

所述的方法中，在IIR数字低通滤波算法进行迭代运算时，根据相乘系数精度n，将所有小数相乘系数乘以2ⁿ后，进行加减乘运算，并将运算结果小数点右移n位。在IIR数字滤波器算法进行迭代运算时，为了避免浮点数运算，选择适当的运算字长和相乘系数精度，将所有小数相乘系数乘以2ⁿ转换成为整数，然后直接进行加减乘运算，最后将运算结果右移n位，算法即可在8位高速单片机上实现。

一种对工业控制缓动直流信号软硬件结合滤波的系统，包括：