基于频率跟踪方式的智能滤波信号处理系统研究

　　0　引言

　　在对涡街流量计信号处理的常用方法研究中,无论是谱分析技术[1~2]的运用,还是Rosemount提出的信号阈值探测算法[3]等,往往单纯从频域模式化分析或时域波形理论等单一角度探讨问题,使方法在实现与应用上存在一定局限性。本文在前人所做的研究工作基础上,通过综合运用FFT谱分析和滤波这两个信号处理的重要手段和关键环节,达到自适应滤波的目的,在一定程度上既克服了单纯依靠FFT精确计算信号频率时计算实时性与精度相互牵制的棘手问题,又实现了滤波参数自动适应输入信号而变化的跟踪处理过程。

　　1　系统工作原理

　　本文设计的系统实质上是用快速FFT谱分析所抽取的信号频率粗估值作为后续带通滤波的中心频率来实时调节滤波参数,从而实现中心频率实时跟踪及带宽分段变化的自适应滤波过程。由于系统后级采用施密特触发器对滤波输出的较平滑波形进行阈值控制,再将脉冲信号读入单片机,通过精确计时来计算信号频率,因而有效地绕过了单纯依靠谱分析方法时牺牲一定实时性来提高计算精度的问题。系统工作原理如图1所示。

　　2　LabW indows/CVI平台FFT环节

　　为减少研制中的盲目性和缩短研究周期,我们有必要借助LabW indows/CVI平台[4],通过设置CVI定时钟(定时时间间隔为0)来完成实时的信号采集、谱分析、抽取特定频率、显示波形及数据以及与单片机通信等工作。

　　2.1　信号采集

　　采集的核心是多功能模入模出接口卡PC26333[5]。具有很好的兼容性,它适用于具有ISA总线的PC系列微机,可在MS2DOS、W indows系列及高稳定性的Unix等各种操作系统上使用,程序编制简单、硬件安装方便。模拟信号由PC26333转换成数字信号后送入PC机中作进一步处理。

　　2.2　FFT谱分析[6]

　　利用给定的N个样本数据估计一个平稳随机信号的功率谱密度就是谱分析。频谱分析能很好地展现信号在不同频率点上(包括低频段)的功率值,能反映信号本身特点,具有抽取特定频率的功能。其中基于FFT的周期图谱分析法测量精度与实时性相互牵制,主要体现在其计算误差为

　　式中:f0为信号频率;f′为测量到的信号频率;fd为频率分辨率;fs为采样频率;N为采样点数。N/fs为采样时间,即采样时间越长,计算误差越小,精度越高。

　　利用CVI程序实现谱分析、抽取信号主频并显示的程序如下:

　　3　基于89C52程控的自适应带通滤波环节

　　3.1　设计思想及硬件接口电路

　　采用89C52编程控制MAX262滤波函数,使滤波参数动态变化(即滤波频率特性的改变),从而达到自适应滤波的目的。其中,MAX262是美国MAXIM公司生产的一种可编程开关电容有源滤波芯片,可由微处理器精确控制滤波函数,而无需外接任何器件[7]。fCLK/f0、Q及方式的用户将3个编程参数值转换为相应程序代码数后,通过芯片上数据线D0、D1写入由地址线A0~A3选中的滤波器内部程序存储器中,就可使滤波器按要求工作。