一种基于FPGA的键相信号自适应处理方法、装置及介质与流程

本发明涉及电力系统及工业控制，尤其是涉及一种基于fpga的键相信号自适应处理方法、装置及介质。

背景技术：

1、旋转机械振动监测在电力、石油化工、钢铁、交通运输等行业，有着广泛的应用。其中关于试验数据管理系统（test data management，tdm）数据采集分析、偏心等数据的采集分析，键相信号提供了相位基准和数据采集的起始时标。因此，键相信号的精准采集，对于旋转机械振动监测相当关键。

2、目前现场的键相信号的采集，部分是通过电涡流或者霍尔传感器采集，部分是通过复接汽轮机安全监视仪表系统（turbine supervisory instrumentation，tsi）厂家输出的键相信号，tsi厂家输出的键相信号存在原始传感器信号复制输出和处理后的方波脉冲信号输出两种情况。因此在旋转机械振动监测现场键相信号存在来源不同、信号电压等级不同、信号形式不同等复杂情况。

3、目前市面上主要针对来自传感器原始信号进行键相信号处理，滞回比较电路固定，门槛电压固定，在键相信号的多来源、信号多形式、信号电压等级不同以及不同现场纹波干扰不同的情况下，键相信号的处理没法做到自适应多方位覆盖，没法做到精准采集处理。

4、同时在针对毛刺干扰信号滤波时，硬件电路滤波频率固定，不能适应多场景下的动态调整参数进行滤波。在外部键相信号意外丢失的情况下，没有统一的键相自学习信号输出给tdm数据采集分析、偏心等数据采集分析的板卡或装置使用。传统微控制单元（microcontroller unit，mcu）等处理器处理键相信号时，处理器内部的中断、串行处理机制等会带来延时，实时性没有现场可编程门阵列（field programmable gate array，fpga）的并行处理机制强。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于fpga的键相信号自适应处理方法、装置及介质，能够解决滞回比较电路固定、门槛电压固定、滤波电路固定，无法自适应多场景环境下对键相信号不同来源、不同信号电压等级、不同信号形式、不同频率毛刺干扰、不同幅度纹波等复杂情况多方位覆盖处理的问题；在外部键相信号意外丢失的情况下，能够解决没有统一的键相自学习信号输出给tdm数据采集分析、偏心等数据采集分析的板卡或装置使用的问题；同时通过采用fpga的技术方案，能够解决键相信号实时处理的问题。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、一方面，本发明提供了一种基于fpga的键相信号自适应处理方法，包括：

4、获取原始键相信号；

5、根据当前使用场景，fpga控制外围光耦继电器选通，选择相应场景对应的滤波电路；

6、将所述原始键相信号输入相应场景对应的滤波电路进行信号过滤，生成滤波信号；

7、将所述滤波信号输入微分电路，把滤波信号的基准电压拉至零，生成隔直信号；

8、将原始键相信号、滤波信号和隔直信号通过adc采样，得到采样数据，将采样数据输入fpga，识别采样数据的键相脉宽、键相周期，计算采样数据的键相脉宽占空比，同时根据adc采样到的隔直信号波动幅值计算pwm信号占空比，根据pwm信号占空比调节滞回比较电路的门槛电压；所述门槛电压幅值绝对值高于隔直信号除键相脉冲以外的波形相对于零轴波动幅值绝对值；

9、将所述隔直信号输入门槛电压调节后的滞回比较电路，生成比较信号；

10、将所述比较信号输入fpga，对比较信号采用两级寄存器同步电路抑制亚稳态，根据fpga配置生成上升沿触发或下降沿触发的第一处理信号；所述第一处理信号的脉冲宽度根据采样数据的键相脉宽占空比或fpga配置的指定键相脉宽占空比，以及当前fpga自学习键相信号的周期确定；

11、将原始键相信号作为第二处理信号，fpga控制外围光耦继电器选通，选择第一处理信号或第二处理信号作为处理后的键相信号。

12、可选的，所述滤波电路获取方式为：

13、根据各场景下的设备标准转速，计算各场景下设备标准转速对应原始键相信号的标准最小持续时间；

14、根据所述标准最小持续时间计算原始键相信号的截止频率；

15、根据原始键相信号的截止频率计算原始时间常数，根据原始时间常数获得各场景对应的滤波电路的电阻和电容。

16、可选的，所述原始键相信号的截止频率表示为：

17、；

18、其中，；

19、式中，表示原始键相信号的截止频率；表示原始键相信号的频率；表示原始键相信号的截止倍数；表示滤波电路的电阻；表示滤波电路的电容；表示标准最小持续时间；

20、所述原始时间常数表示为：

21、；

22、式中，表示原始时间常数。

23、可选的，将所述原始键相信号输入相应场景对应的滤波电路进行信号过滤，生成滤波信号，包括：

24、将所述原始键相信号输入相应场景对应的滤波电路，保持原始键相信号波形，滤除原始键相信号中最小持续时间小于标准最小持续时间的毛刺干扰信号，生成滤波信号。

25、可选的，所述微分电路的获取方式为：

26、根据滤波信号的脉冲宽度确定微分电路时间常数；

27、根据微分电路时间常数的取值，获得微分电路的电阻和电容。

28、可选的，所述微分电路时间常数表示为：

29、；

30、式中，表示微分电路时间常数；表示微分电路的电阻；表示微分电路的电容；表示滤波信号最低频率对应的脉冲宽度；

31、可选的，根据adc采样到的隔直信号波动幅值计算pwm信号占空比，根据pwm信号占空比调节滞回比较电路的门槛电压，包括：

32、将隔直信号通过adc采样后输入fpga，识别adc采样到的隔直信号的波动，根据隔直信号除键相脉冲以外的波形相对于零轴波动幅值，改变fpga输出的pwm信号占空比；

33、将fpga输出的pwm信号输出到无源rc低通滤波电路，通过无源rc低通滤波将pwm信号平滑为0~vcc的直流电压，通过差分减法器将0~vcc的直流电压转换为-vcc/2~vcc/2的直流电压，将-vcc/2~vcc/2的直流电压作为滞回比较器的中心参考电压，覆盖隔直信号键相正脉冲或负脉冲；

34、根据滞回比较器的中心参考电压调节滞回比较电路的门槛电压，使门槛电压幅值绝对值高于隔直信号除键相脉冲以外的波形相对于零轴波动幅值绝对值，同时门槛电压取调节时的最小值；

35、其中，vcc表示fpga通过i/o管脚输出pwm信号的高电平。

36、可选的，还包括当fpga接入的键相信号丢失时，fpga通过自学习记录键相信号的脉冲周期和脉冲宽度，根据自学习的键相信号的脉冲周期和脉冲宽度，生成丢失前的键相信号。

37、第二方面，本发明提供了一种基于fpga的键相信号自适应处理装置，包括：

38、信号获取模块，用于：获取原始键相信号；

39、滤波选择模块，用于：根据当前使用场景，fpga控制外围光耦继电器选通，选择相应场景对应的滤波电路；

40、信号滤波模块，用于：将所述原始键相信号输入相应场景对应的滤波电路进行信号过滤，生成滤波信号；

41、信号隔直模块，用于：将所述滤波信号输入微分电路，将滤波信号的基准电压拉至零，生成隔直信号；

42、电压调节模块，用于：将原始键相信号、滤波信号和隔直信号通过adc采样，得到采样数据，将采样数据输入fpga，识别采样数据的键相脉宽、键相周期，计算采样数据的键相脉宽占空比，同时根据adc采样到的隔直信号波动幅值计算pwm信号占空比，根据pwm信号占空比调节滞回比较电路的门槛电压；所述门槛电压幅值绝对值高于隔直信号除键相脉冲以外的波形相对于零轴波动幅值绝对值；

43、信号比较模块，用于：将所述隔直信号输入门槛电压调节后的滞回比较电路，生成比较信号；

44、信号处理模块，用于：将所述比较信号输入fpga，对比较信号采用两级寄存器同步电路抑制亚稳态，根据fpga配置生成上升沿触发或下降沿触发的第一处理信号；所述第一处理信号的脉冲宽度根据采样数据的键相脉宽占空比或fpga配置的指定键相脉宽占空比，以及当前fpga自学习键相信号的周期确定；

45、信号输出模块，用于：将原始键相信号作为第二处理信号，fpga控制外围光耦继电器选通，选择第一处理信号或第二处理信号作为处理后的键相信号。第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时，实现第一方面所述的基于fpga的键相信号自适应处理方法的步骤。

46、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

47、1、本发明根据使用场景切换使用针对不同场景设计的滤波电路，在保持原始键相信号波形的前提下，滤除毛刺干扰信号，相对于固定滤波只能过滤固定频率的干扰信号，采用最贴近当前场景下键相信号的频率进行滤波，最大程度的消除现场信号干扰。

48、2、本发明相对于传统固定滞回比较电路，在键相信号的多来源、信号多形式、信号电压等级不同的情况下，无法自适应多方位覆盖采集处理，采用键相信号基准电压归零脉宽自学习处理方法，通过微分电路这种简单电路，可将现场多样化的键相脉冲波形的基准电压拉至零，通过滞回比较电路，滞回比较电压可以设置一个比较小的电压，即可产生一个键相方波脉冲，不需要根据多样化的键相脉冲信号，产生跨度很大或者动态变化很大的滞回比较电压，方便多样化键相信号的统一处理，滞回比较电路产生的键相方波脉冲和原始的键相脉冲信号前半段的相位高度一致；fpga通过i/o输出管脚产生键相方波脉冲信号，由于微分电路只能提取脉冲边缘信号，无法输出完整脉冲，脉冲的宽度根据低速时采样滤波信号的键相脉宽和键相周期计算出的键相脉宽占空比或者fpga配置的指定键相脉宽占空比，以及当前fpga自学习键相信号的周期确定。

49、3、本发明相对于传统固定门槛电压，不同现场的信号纹波较大时，超过门槛电压容易产生误判。本发明fpga根据adc高速采集的现场信号波动幅值，通过fpga搭建的pwm波输出直流电压简单电路，自动通过改变fpga输出的pwm占空比，调节滞回比较电路的门槛电压，自动将门槛电压幅值调节到略高于信号波动幅值的水平，防止信号波动超过门槛电压产生误判。同时设置较小的门槛电压值，可以快速捕获到键相脉冲前半段变化的上升沿或下降沿，滞回比较器输出的键相方波脉冲能很好的反应原始键相脉冲的相位。

50、4、本发明相对于传统键相信号意外丢失的情况下，没有统一的键相自学习信号输出给后级板卡或装置使用。本发明fpga通过自学习，学习记录键相信号的周期和脉宽，当本板卡接入的键相信号丢失后，按照自学习的键相周期和脉宽结果，自动产生丢失信号前的键相信号输出给tdm数据采集分析、偏心等数据采集分析的板卡或装置使用。

51、5、本发明相对于传统键相信号只能固定输出波形，本发明可以根据配置选择，fpga可自动控制相关电路输出符合要求的键相信号。如在信号的上升沿或下降沿触发输出键相信号，可以输出原始键相信号或者处理后的方波脉冲信号，方波脉冲信号宽度可配置。

52、6、本发明相比于传统mcu等处理器处理键相信号时处理器内部执行的定时器、中断、串行处理机制带来的延时，fpga并行高速处理机制可以实现数据采集、键相信号处理、数据运算建模、数据输出控制等的并行加速处理。