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方波頻率信號具有工作穩定、精度高、抗干擾能力強，便于與計算機接口等一系列優點， 因此在現代測控系統中得到廣泛地應用。但是在一些高電壓、大電流、高頻電磁場的工業現 場環境中，方波頻率信號也往往受到高頻電磁干擾的影響，疊加一些尖峰脈沖干擾信號。這 類干擾具有干擾力強、無規律的特點，嚴重影響測量信號的準確性。 實際應用中，一般采用隔離技術來消除方波頻率信號中的傳導干擾，但當空間的電磁輻 射干擾較為強烈時，單純的隔離技術難以達到有效降噪的目的。通過增加硬件脈寬數字濾波 電路可以達到抑制或消除高頻信號中的尖峰干擾，但需增加設備成本、且安裝調試繁雜。 本文采用LabVIEW 進行伺服電機位置、速度、轉矩等信息傳送的采集，以對多軸伺服 系統的同步/協調性能進行監測。現場測試中，扭矩傳感器輸出的方波頻率信號受到嚴重尖 峰脈沖的干擾，這里將光電隔離技術與基于LabVIEW 環境編譯的計數濾波器相結合，設計 實現了可靠、便捷的方波頻率信號濾波，工程實踐表明，該方法能有效降低傳導干擾和輻射 干擾對頻率測量精度的影響。 1 計數濾波原理 計數濾波器（Counter Filters），也稱為脈沖寬度濾波器，主要采用計數的方法來實現 數字濾波。尖峰干擾的頻率往往比方波信號要高很多，因此當脈寬小于某一設定值時，不可 能是真實的高頻方波脈沖信號，應給以濾除，從而抑制線路上的尖峰干擾。這也就是脈寬數 字濾波電路的工作原理。 以NI 公司M 系列PCI-6221 數據采集卡為例，其輸入信號、基準時鐘信號、經濾波后 的輸入信號的脈沖波形如圖1 所示。其使用在板的振蕩器產生的40MHz 頻率作為濾波器的 基準時鐘，預置濾波脈寬為125 ns (N = 5)，當原始輸入信號由低變高后，基準時鐘信號開 始被計數，當檢測到的脈沖寬度小于125ns 時，確定為尖峰干擾，不予輸出，當輸入信號寬 度大于預置濾波寬度時，濾波器輸出方波供后序電路處理。從圖1 可以看出，短時的脈沖干 擾得到很好的濾除。 NI 公司在M 系列測試設備對Counter Filters 功能的應用上提供了三項可選濾波脈沖寬 度的選擇，相應的配置參數見表1。濾波脈寬的選擇是影響計數頻率濾波器濾波效果的關鍵， 脈寬太小，部分干擾信號不能與數字信號分離；太大將會使高頻數字信號失真，所以應用中 應根據實際現場情況，選擇適當的濾波脈寬。 2 LabVIEW計數濾波方法 2.1 LabVIEW開發環境 基于G 語言的圖形化編程環境LabVIEW 是美國NI 公司的創新軟件產品，它是一種 功能強大的虛擬儀器開發平臺，同時也是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件 集成開發環境。LabVIEW 開發環境的優勢之一就是針對數據采集、儀器控制、信號分析和 數據處理等任務設計提供了豐富完善的功能圖標，用戶只需直接調用，就可免去自己編寫成 的煩瑣。 針對數字信號的采集及噪聲信號的濾波， LabVIEW 提供了一套數據采集的 NI-DAQmx VI（模板）以及多功能的屬性節點等模板，使得計數濾波器的軟件實現變得更 高效且操作簡單。NI-DAQmx 即數據采集測試服務軟體，是數據采集驅動軟件發展的新一 代產品，可幫助用戶更快速創建、測試并發布使用高性能的測量應用程序，也是NI 測量服 務軟件的核心。 2.2 LabVIEW 計數濾波器的軟件實現 本文所設計的計數濾波器就是基于LabVIEW 的虛擬儀器。該計數濾波器模板包含許多 子模板（也稱子VI），其中主要包括以下5 個子VI: （1） DAQmx Create Virtual Channel（CI-Frequency）.vi創建虛擬通道函數子VI； （2） DAQmx Channel Property Node.vi 屬性節點子VI； （3） DAQmx StartTask.vi 啟動任務函數子VI； （4） DAQmx Read(Counter DBL 1Chan 1Samp).vi 讀取函數子VI； （5） DAQmx Clear Task.vi 清除任務函數子VI； 后面板應用程序搭建如圖2所示。 （1）創建一個虛擬頻率輸入通道和一個計數沿任務； （2）建立計數器的輸入端并在輸入端上創建對數字信號進行濾波的控制程序模塊。All Functions>>NI Measurements>>DAQmx-Date Acquisition>>Active>>Counter Input>>Frequency>>Digital Filter>>Minimum pulse width/Enable； （3）調用DAQmx Start Task.vi 啟動數據采集功能； （4）通過設定的Counter DBL 1Chan 1Samp 模式在While Loop 循環中讀取波形數據直至操 作者按下停止按鈕或有錯誤產生時停止； （5）設有彈出對話框提示清除錯誤信息及舊任務等功能。 在運行計數濾波器LabVIEW 程序對尖峰干擾信號進行濾波前，首先在脈沖寬度設定欄 輸入所選的預置濾波脈寬值,其次在通道設定欄輸入選定的虛擬通道號，然后按下濾波矢能 按鈕，再啟動整個程序進入濾波狀態。相關硬件設備運轉正常，執行濾波器程序，即可得到 基本理想的頻率波形。 3 實驗測試系統 3.1測試系統組成 該測試系統應用于伺服電機同步/協調控制器的設計開發與性能測試上，由載荷模擬實 驗臺架、傳感器和數據采集卡及實時采樣監測軟件組成。 （1）載荷模擬實驗臺架 實驗臺架上安裝有伺服電機、磁粉制動器、慣量盤、傳感器等。為使測試系統實驗臺架 工作穩定、結構緊湊、便于操作，臺架的機械結構經過精心設計，將一級主軸與二級主軸成 對角線平行布置，且每軸均采用同步齒形帶進行多級傳動。伺服電機輸出軸上安裝有扭矩傳 感器和高精度編碼器，用于扭矩和位置信號的采集。通過扭矩傳感器測量軸上產生的轉矩脈 沖信號，輸入到數據采集卡，采集到的數據通過LabVIEW 處理，如對頻率信號進行計數器 濾波等，得出測試結果。 （2）實時監測軟件為工業控制計算機內編寫的專用測試軟件，可采集位置、速度、轉矩等 系統的運行狀態信號，并保證多路數據的同步性。 3.2 扭矩信號采集 LabVIEW 計數濾波器應用于上述系統中由扭矩傳感器輸出的方波信號的噪聲濾除中。 根據項目要求，實驗中關鍵硬件設備選擇如下： （1） 扭矩傳感器：選用北京三晶的JN338-A100，轉矩準確度＞0.5％，過載能力150％F·S， 測量范圍10-100Nm，零轉矩頻率輸出10KHz，正向轉矩滿量程頻率輸出15KHz，反向轉矩 滿量程頻率輸出5KHz。該傳感器采用兩組特殊環形旋轉變壓器來實現能源的輸入及轉矩信 號的輸出，能夠測量穩態扭矩，也能測量過渡過程的動態轉矩；輸出信號以頻率形式給出。 （2） 數據采集卡：選用NI 公司M 系列多功能數據采集卡PCI-6221，16 路模擬量輸入，速 率250kS/s,16bit 的分辨率；24 路數字量輸入/輸出；2 路模擬量輸出，16bit 的分辨率；32 位計數器，數字觸發；附帶DAQmx 驅動。完全滿足轉矩測量和磁粉制動器的控制需求。 4 降噪效果驗證實驗 測試系統運作過程：伺服驅動器收到上位機指令驅動伺服電機運轉，與電機軸相連的扭 矩傳感器工作，輸出5KH-15KH 脈沖信號，該信號經過“光隔”后輸入數據采集卡PCI-6221 進入工業控制計算機內的數據處理系統。通過在LabVIEW 中創建的虛擬通道對數字信號進 行數據采集、處理。 實驗步驟及降噪效果： （1） 采集未應用計數濾波器時得到信號波形。 未應用計數濾波器時得到的工程現場采集到的信號波形如圖3 所示，零扭矩時頻率為 10KHZ，但信號中存在很多遠遠超出最大量程的噪聲干擾。 （2） 采集啟用計數濾波器后的信號波形并進行對比 采用計數濾波器后，設置計時濾波器的脈沖寬度為*25us，按下濾波矢能按鈕，啟動 濾波程序，經過濾波器的濾波后的輸出信號如圖4 所示，信號未見嚴重失真，尖峰干擾被有 效濾除。 5 結論 本文針對工程測試現場出現的方波頻率信號中存在大量尖峰脈沖干擾的噪聲污染問題， 提出了采用LabVIEW 計數濾波方法的解決方案。通過測試結果證明，該濾波器對方波信號 中的尖峰干擾成分起到了很好的濾除作用，具有很強的可操作性和工程應用價值并節省硬件 資源，對采用LabVIEW 軟件進行脈寬數字濾波的工程應用研究作出有益補充。 |
