信号检测装置及方法与流程

1.本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种信号检测装置及方法。


背景技术：

2.信号检测装置用于各种应用中，例如，传感器和采集器，包括：溶解氧传感器、温湿度传感器、烟雾传感器和图像采集装置等，传感器将采集到的信号转换为电信号，实现了被测信号到电信号的转换，此时的电信号是微弱的电流信号，一般为na级电流信号，此电流信号不能直接被微处理器处理，同时，此电流信号含有较多的干扰信号，将严重影响被测信号的准确性。因此，将微弱电流信号转换为能直接获取的数字信号，在转换过程中降低外界环境及自身干扰，准确获取被测信号成为目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明提供一种信号检测装置及方法，用于解决现有技术中无法降低外界环境及自身干扰，准确获取被测信号的问题。
4.第一方面，本发明提供一种信号检测装置，包括：电源模块、信号源模块、i/v转换模块、滤波模块、模数转换模块和微处理器模块，
5.电源模块，用于为信号源模块、i/v转换模块、滤波模块、模数转换模块和微处理器模块提供电源信号；
6.信号源模块，用于提供待测电流信号；
7.i/v转换模块，用于将待测电流信号转换为待测电压信号；
8.滤波模块，用于对待测电压信号进行滤波；
9.模数转换模块，用于将滤波后的电压模拟信号转换为数字电压信号；
10.微处理器模块，用于处理数字电压信号，获取待测信号。
11.可选地，微处理器模块控制电源模块的使能端。
12.可选地，电源信号包括恒定直流电压信号。
13.可选地，电源信号包括脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)电压信号。
14.可选地，待测电流信号包括一个或多个待测电流信号。
15.可选地，i/v转换模块包括i/v转换电路和反相比例放大电路。
16.可选地，滤波模块包括低通滤波电路和带通滤波电路。
17.可选地，模数转换模块包括sigma-delta模数转换电路。
18.可选地，微处理器对待测信号进行数字滤波，并将数字滤波后的待测信号远程传输给客户端。
19.另一方面，本发明提供一种信号检测方法，包括：为信号源模块、i/v转换模块、滤波模块、模数转换模块和微处理器模块提供电源信号；提供待测电流信号；将待测电流信号转换为待测电压信号；对待测电压信号进行滤波；将滤波后的电压模拟信号转换为数字电压信号；处理数字电压信号，获取待测信号。
20.由上述技术方案可知，本发明包括：电源模块、信号源模块、i/v转换模块、滤波模块、模数转换模块和微处理器模块。通过将信号源模块提供的待测信号经过i/v转换模块、滤波模块、模数转换模块和微处理器模块处理后，降低外界环境及自身干扰，准确获取被测信号。
附图说明
21.图1为本发明一实施例提供的一种信号检测装置的结构示意图；
22.图2为本发明一实施例提供的一种pwm电压信号示意图；
23.图3为本发明一实施例提供的一种反相比例放大电路示意图；
24.图4为本发明一实施例提供的一种信号检测方法的流程示意图。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
26.图1示出了本发明一实施例提供的信号检测装置的结构示意图，如图1所示，本实施例的检测装置包括：电源模块11、信号源模块12、i/v转换模块13、滤波模块14、模数转换模块15和微处理器模块16。
27.在具体实施例中，电源模块11用于为信号源模块12、i/v转换模块13、滤波模块14、模数转换模块15和微处理器模块16提供电源信号；信号源模块12用于提供待测电流信号；i/v转换模块13用于将待测电流信号转换为待测电压信号；滤波模块14用于对待测电压信号进行滤波；模数转换模块15用于将滤波后的电压模拟信号转换为数字电压信号；微处理器模块16用于处理数字电压信号，获取待测信号。
28.电源模块11可采用线性稳压器，例如lp2981，该芯片是一个100毫安，输出电压恒定的稳压器，包括过流、过热保护，低静态电流。输出误差：0.75％～1.25％，具有超低电压差、保证100毫安的输出电流、输出电压精度为0.75％、高峰值电流能力、小于1ua静态电流时关断、线路和负载动态响应快、宽电源电压范围、可承受温度范围宽。
29.电源模块11为信号源模块12、i/v转换模块13、滤波模块14、模数转换模块15和微处理器模块16提供稳定电源。电源模块11的使能端采用微处理器模块16中单片机的en_sensor进行控制，当没有检测任务时，电源模块11不供电，当有检测任务时，电源模块11供电，这种方式延长了电子元器件的使用寿命，并且节约了能源消耗。
30.在具体实施例中，电源模块11提供的电源信号包括恒定直流电压信号，恒定直流电压信号为信号源模块12、i/v转换模块13、滤波模块14、模数转换模块15和微处理器模块16提供恒定直流电压源，例如3.3v电压源和5v电压源。
31.图2示出了本发明一实施例提供的pwm电压信号示意图，如图2所示，本实施例的pwm电压信号包括5v的pwm电压信号。
32.在具体实施例中，电源模块提供的电源信号包括pwm电压信号，pwm电压信号为信号源模块提供pwm波电压信号，如图2所示，pwm波的占空比为50％，5v电压为开启信号源模
块，零电压为关闭信号源模块，通过控制pwm波的占空比来控制信号源模块的开启或关闭，可以减少外界干扰和信号源模块的使用时长，同时可以节省能源，延长信号检测装置的使用寿命。
33.在具体实施例中，信号源模块包括一个或多个信号源，提供一个或多个待测电流信号，例如，信号源模块可以包括一个温度传感器，提供一个温度电流信号，信号源模块还可以包括一个温度传感器和一个溶解氧传感器，提供一个温度电流信号和一个溶解氧电流信号。若信号源模块只包含一个信号源，则只对一个待测电流信号进行i/v转换、滤波和模数转换，将可被微处理器处理的信号传输至微处理器模块。若信号源模块包含多个信号源，则需对所有的待测电流信号分别进行i/v转换、滤波和模数转换，将多路信号分别传输至微处理器模块，获取多个待测信号。
34.图3示出了本发明一实施例提供的反相比例放大电路示意图，如图3所示，本实施例的i/v转换电路和反相比例放大电路可采用ti公司生产的tlv2764，tlv2764为四通道低功耗单电源运算放大器，供电电压范围为1.8～3.6v，负载相同的情况下，供电电源越低，功耗越小，可采用电源模块提供的3.3v电源对tlv2764进行供电。
35.在具体实施例中，i/v转换模块包括i/v转换电路和反相比例放大电路，待测电流信号与tlv2764运算放大器的反相输入端连接，tlv2764运算放大器的反相输入端与输出端之间接1mω的反馈电阻，tlv2764运算放大器的输出电压与输入电流成反比例关系，通过负反馈电阻将待测电流信号转换为待测电压信号。光学传感器无需外置i/v转换电路，光电二极管内部电路就可实现i/v转换，将待测电流信号转换为待测电压信号。
36.反相比例放大电路中，待测电压信号经过r1和c2组成的低通滤波器，滤除待测电压信号中较高频率的交流信号，低通滤波电路的截止频率＝1/(2πr1c2)，经过低通滤波后，可滤除待测电压信号中的高频信号，待测电压信号中还含有低频的交流信号和小部分直流信号，经过反相比例放大电路，即通过反馈电阻r2引入负反馈，输出电压与输入电压的关系如公式(1)所示：
[0037][0038]
由公式(1)可知，输出电压与输入电压成比例关系，比例系数为-r2/r1，负号表示反相。
[0039]
通过i/v转换模块可将信号源提供的待测电流信号转换为待测电压信号，同时，将电压信号成比例放大，通过调整i/v转换电路和反相比例放大电路的比例系数可使na级电流信号转换为v级电压信号，符合模数转换模块的输入范围。
[0040]
在具体实施例中，i/v转换电路的输出信号很容易受谐波信号干扰，同时叠加了直流信号和交流信号干扰，特别是50hz的工频干扰，因为我国采用的供电频率是50hz，谐波信号和工频信号对电子电路信号处理造成很大程度的干扰，所以，滤波电路包括二阶低通滤波电路和50hz带通滤波电路，二阶低通滤波电路包括一个二阶低通滤波电路和一个电压跟随器。经过滤波电路后输出一个近似于恒定的电压信号，该信号与待测信号成正比。
[0041]
在具体实施例中，模数转换模块包括sigma-delta模数转换电路，经过滤波处理后的待测电压信号还不是数字信号，通过具有低通滤波功能的sigma-delta模数转换电路，sigma-delta模数转换电路包含积分器、比较器和一位数模转换器，将过采样、抽取滤波以
及量化噪声整形三项技术结合在一起使用。sigma-delta模数转换电路将模拟电压信号转换为数字电压信号，其数字电压大小标志着待测信号的大小，当待测信号较大时，数字电压值较大，待测信号较小时，数字电压值较小，所以读取模数转换后的电压值大小就可以获取待测信号值大小。
[0042]
待测电压信号经过模数转换后，只得到一个代表待测信号值大小的电压值，需要微处理器对电压信号进行数字滤波，并将数字滤波后的电压值转换为工程值，从而获取待测信号。
[0043]
微处理器对电压信号数字滤波方法包括：算术平均滤波和加权平均滤波。算术平均滤波可对模数转换后的电压值连续取n次值后进行算术平均，算术平均值作为滤波后的电压值，例如，n可取10，微处理器对模数转换后的电压值连续取样10次，计算10次取样值的算术平均数，如2.21v、2.18v、2.2v、2.19v、2.22v、2.18v、2.22v、2.19v、2.17v、2.2v，算术平均数为2.2v，则2.2v作为数字滤波后的电压值，将2.2v转换为对应的工程值，则获得待测信号。
[0044]
加权平均滤波是微处理器对输入的n次电压值分别乘不同的加权系数之后再求累加，加权系数一般先小后大，以突出新电压值在平均值中所占的比重，加强系统对参数变化趋势的认识，各个加权系数均为小于1的小数，且满足总和等于1的约束条件。加权平均数字滤波的数学模型如公式(2)所示：
[0045][0046]
其中，为n个采样值的加权平均值，yi为第i次采样值，n为采样次数，ci为加权系数，加权系数ci体现了各电压值在平均值中所占的比例。加权平均值滤波法可突出一部分电压信号抵制另一部分电压信号，以提高采样值变化的灵敏度，经过加权平均滤波后可获取待测电压值。
[0047]
在具体实施例中，为了提高数字滤波的准确性，可剔除待测电压信号中的异常信号值，剔除异常信号值的方法包括：拉依达准则和格拉布斯准则。拉依达准则包括当重复测试次数远大于10次时，用贝赛尔公式计算标准差s，某个可疑值xa与n个结果的平均值之差的绝对值大于等于3s时，判定xa为异常值，当xa剔除后，重新反复计算，直到为止。拉依达准则有局限，即数据样本必须大于10，一般要求大于50。格拉布斯准则是求得n次独立检测结果的标准差s和残差。残差的绝对值与s的比值大于g(n)的测量值即为异常值，可删去，同样重新反复计算，将所有异常值剔除，其中g(n)指临界系数，可直接查表获得。
[0048]
标准差s是离均差平方的算术平均数的算术平方根，标准差也被称为标准偏差，或者实验标准差，在概率统计中最常使用作为统计分布程度上的测量依据，标准差能反映一个数据集的离散程度，标准差是方差的算术平方根，计算公式如公式(3)所示：
[0049][0050]
通过公式(3)可计算测电压信号的标准差，结合拉依达准则剔除待测电压信号中的异常电压信号，提高数字滤波的准确度。
[0051]
在具体实施例中，微处理器可包括单片机，微处理器将待测信号远程传输给客户端，用户通过客户端可远程获取待测信号，用于监控信号源及进行预警，传输方式包括有线/无线传输，有线传输可包括rs485串行通信接口，无线传输可包括5g传输。
[0052]
例如，信号源模块包括温度传感器，温度传感器将待测温度信号转换为待测电流信号，待测电流信号经过i/v转换模块转换为待测电压信号，后经过滤波，模数转换转换为数字电压信号，经过微处理器进行数字滤波后可获取待测温度信号，微处理器将待测温度信号远程传输至客户端，当温度超过阈值时进行报警，并可通过执行器对温室降温，从而实现远程监控温室温度。
[0053]
图4示出了本发明一实施例提供的信号检测方法的流程示意图，如图4所示，本实施例的检测方法，包括：
[0054]
401、为信号源模块、i/v转换模块、滤波模块、模数转换模块和微处理器模块提供电源信号；
[0055]
402、提供待测电流信号；
[0056]
403、将待测电流信号转换为待测电压信号；
[0057]
404、对待测电压信号进行滤波；
[0058]
405、将滤波后的电压模拟信号转换为数字电压信号；
[0059]
406、处理数字电压信号，获取待测信号。
[0060]
由于上述方法是基于检测装置基础上，因此，本方法在工作原理与上述检测装置的原理相同，在此不再赘述。
[0061]
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
[0062]
本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。