嵌入式PLC系统自动测试中数字滤波算法研究.pdf

第 1 期 总第 1 9 4期 2 0 1 6年 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENG1 NEE RI NG AUT0MATI ON NO ．1 Fe b． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 6 0 卜0 0 0 1 0 3 嵌入式 P L C系统 自动测试 中数字滤波算法研 究米 戴建利 ，龙 辛。 ，黄 波。 ，中 超。 1 ．智能计算 与信 息处 理教育部重 点实验 室 湘潭大学 ，湖南 湘潭4 1 1 1 0 5 ；2 ． 湘 电风能 有限公 司，湖 南 湘潭4 1 1 1 0 1 ；3 ．湖 南优利 泰克 自动化系统有 限公 司，湖南 长沙4 1 0 0 0 0 摘要 嵌入 式 P I c 系统 自动测试 是对嵌入式 P I C系统进行 全面的功能、性能测试 ，以保证嵌入式 P I C系统 的可靠 性。数字滤波算法决定 了 自动测试 系统的速度和精度 ，是 自动测试 中信号采集最重要的部分。在介绍 了嵌入 式 P L C 系统整体 架构 以及 自动测试 系统组成 后，分析 了现有 滤波算 法的优缺 点，在此 基础上 结合嵌 入 式 P I c系统 的测试要 求，修 改与改进 了一种滤波算 法，为测试提供 了精确、高效的数据来源。 关键词 嵌入式 P L C系统； 自动测试 ；数字滤波 ；信号处理 中图分类号 TP 2 7 3 文献标识码 A 0 引 言 嵌入式 P I C系统结合 了嵌入式 技术 与 P L C技 术 ， 遵 循 I E C 6 1 1 3 1 - 3 标 准 ， 通 过 软件 编 程来 实 现传 统 硬 件 P L C的 控制 功 能 ； 使 用 开 放 的 网络 拓 扑 ， 能 够根 据不同工业场 合需求 灵活 配置 ； 采用 主处 理器 C P U 与 F P GA协同进行数据 处理 ， 体积小 巧 ， 数据处理 能 力极强 ； 有 良好 的人机交互 界面， 能够进 行实时监测 ， 操作便捷 ； 提供多种通信接 口， 可以满足不同场合 的通 信要求 ； 支持结 构化文本 S T 、 指令表 I I 、 梯形 图 L D 、 功 能 图块 F B D 及顺 序 功 能 图 S F C 五 种 编 程 语 言 ， 能够 实现 复 杂 的逻辑 控 制 ； 可 在 一3 0。 C～6 O℃ 的环境下运行 ， 可靠性高。嵌入式 P L C系统采用分布 式 数据 采集 与 集 中处理 的理念 ， 进 行模块 化 设计 ， 包 含 了主处理器 C P U模块 、 I O模块 、 通信模块 、 电源模块 、 底板等众多模块。在生产过程 中， 为保证嵌入式 P L C 系 统 的 品质 ， 需 要 进行 大 量且 全面 的生 产测 试 。 1 嵌 入式 P L C 系统整 体 架构 风 电场嵌 入 式 P L C 系 统 总 体 架 构 如 图 1所 示 。 按 照功 能 ， 可将 嵌 入式 P L C系 统分 为开 发 系统 和 运行 系统 两 大 部分 1 ] 。 开发系统 采用德 国 3 s公 司开发 的 C o D e S y s系 统 ， 基 于 I E C 6 l 1 3 1 3标 准 编 写嵌 入 式 P L C 系 统 应 用 软件 ， 通过风河公 司的 To r n a d o软件实现操作系统和 系统 软 件 的编 辑定 制 、 调试 ， 并 编译 生成 相应 的配置 文 件下 载 至运 行 系统 。运 行 系统 主要 是硬 实 时操作 系统 Vx Wo r k s ， 通 过 C AN 接 口、 串行 通 信 口、 网络 通 信 口 等接 口与外围设备实时通信 ， 系统启动后 ， 会按照要求 完成整个 系统 的配置与初 始化 ， 然后运行 系统 内核 Ru n t i me S y s t e m， 以 一 定 周 期 循 环 读 取 输 入 通 道 的 值 ， 执行控制算法后 ， 产生相应的输 出信号 ， 控制外 围 设备 。 嵌入式P L C 开发 系统 嵌入式P L C 运行 系统 园 』 ． 』墅 人 机 交 互I l I ／ 0 模 块H ill I l 、 图 1 风 电 场嵌 入 式 P I C 系统 整 体 架 构 2 自动测试 系统 目前 使 用 的 非 标 测 试 系 统 是 为 了 满 足 嵌 入 式 P L C系统 研 发人 员 进 行 模 块 测 试 的 需 要 而 设 计 的 临 时测试解决方案， 存在许多缺陷， 随着市场开拓 、 产 品 需 求量 的增 加 ， 必将 对 测 试 人 员 的熟 练 度 、 测 试 工 艺 、 测试全面性 以及测试周期等提 出更高的要求 ， 而现有 的测试 工作 状态 将会 成 为限制 产 品产能 的一 个重要 因 素 。因此 ， 实 现 嵌 入 式 P L C 系 统 的 自动 测 试 势 在 必 行 。 自动测 试 系 统 由待 测 嵌 入 式 P L C 系 统 、 程 控 仪 “ 十一五” 国家科技 支撑计 划项 目 2 0 0 6 AA0 5 Z 4 0 1 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 0 2 ；修订 日期 2 0 1 5 1 2 1 8 作者简介 戴 建利 1 9 8 9 一 。男 ，湖南娄底人 ，在读硕士研究生 ，研究方 向新 能源发 电系统与技术 。 一 一～ 一～ 一一 ll 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 O l 6年 第 l期 器 、 上位 机 、 测 试 程序 集 一起 构 成 闭 环 系统 ] ， 通 过 上 位机控制程控仪器输 出激励信号， 获取模块状态 ， 读取 输入 输 出数据 在可视 化 界 面 上进 行 显 示 ， 同时 将 测试 结果 以表 格形 式输 出 。 3数字 滤波 技术 在嵌入式 P I c系统的 自动测试过程 中， 要保证精 度 与效率 ， 实 现整体 动态 测试 并支持 环境 测试 ， 必须对 采集 的数 据进 行处 理 ， 尤 其是 对温度 、 液位 、 流量 、 压 力 等在通过传感器获取时输入与输出呈非线性关系的信 号必须进行滤波， 以消除或减少噪声和干扰信号对测 试 结果 的影 响 。要 过 滤掉 这 些 噪 声 和干 扰 信 号 ， 可 以 采 用硬件 滤 波 电路 与数字 滤波 技术 l 3 ] 。硬件 滤 波需 要 在 硬件 电路 中加入 滤波 器 ， 还需 进行 阻抗 匹配 ； 数 字 滤波技术以软件算法实现信号处理 ， 方便灵活 ， 可靠稳 定 ， 功 能强大 ， 通过 修改 程序就 可 以调整 滤波方 法 和滤 波 参数 ， 而 不 需 要 增 加 其 他 硬 件 设 备 ， 因此 在嵌 入 式 P L C系统 自动 测 试 中采 用 数 字 滤 波 技 术 在 数 据 进 入 处 理器 之前 对其进 行过 滤 。 3 ． 1现有 滤波 算法 3 ． 1 ． 1 算术平均滤波 算术平均滤波是对一个输入项连续进 行 N N一4 ～ 1 2 次数据 采样 ， 获得 N 个 采样 数据 X 1 ≤ ≤ N ， 寻 找与各采样值之 间方差之和最小 的 ， 如式 1 所示 Em i n ∑ y X ． 1 求 极值 可得 1 Y X ． 2 』 式 2 即 为算术 平 均 滤 波 ， 对 N 个 采样 数 据 求 算 术平均值作为当前项的采样值。该方法适用于过滤随 机干扰信号， 对脉冲干扰抑制能力弱， 滤波周期长 ， 处 理速 度 比较 慢 。 3 ． 1 ． 2 加 权平 均滤波 加权平 均 滤波是 在算 术平 均滤波 的基 础上改 变 每 次采 样 的权 重 ， 数 据 越 靠 近 当前 时刻 ， 所 占 的权 重 越 高。N次加权平均滤波算法表示为 Y ∑c ． 3 其 中 C 为权值 系数 ， 且有 { C C C ‘三 蔫 ． ㈤ 【0 1 2 3△ y’ 程序判断滤波简单快捷 ， 只需判断相邻两次采样 值 之差 与最 大偏差 的大小 ， 对 突发 的尖 脉 冲有 明显 的 抑 制作 用 ， 但使 用 程序判 断滤 波会 导致信 号失 真 ， 不 好 设 定 临界最 大偏差 值 。 3 ． 1 ． 6 一 阶滞后 滤波 一 阶滞后 滤 波属 于 动态 滤 波 算 法 ， 能 够 弥补 模 拟 滤波器随着时问常数的增大 ， 误差和体积也随着增加 的缺点 。其 表达式 为 f Y～一a XN 1 一 d yN l 一 r ． 8 l 一 其中 X 为第 N 次采样值； Y 为滤 波后 的输 出值； y t 为前 一次 的滤波 输 出值 ； a为滤 波 系 数 ； r为时 间 常数 ； T为采样周期。 3 ． 1 ． 7 去 极值滤 波 去极值滤波结合 了算术平均滤波和中值滤波 ， 它 是对 N 个采样值排序， 丢弃最大和最小 的两个值 ， 取 剩下 的 N一2个值 的算 术平均 值作 为滤 波值 ， 表示 为 f X ≤Xz ≤ X。 ≤ ⋯≤ X 3 ≤ N≤ 1 2 ⋯ 【 y X2 X。 X ⋯X 一 ／ 』 ＼ ， 一2 ‘ ⋯ 去极值 滤波 既 可 以抑 制 干 扰脉 冲 ， 又 可 以加 强控 制 ， 但是由于计算量大， 速度比较慢 ， 占用芯片资源多。 3 ． 2 改进 滤波算 法 前 面 提 及 的 滤 波 算 法 在 一 般 工 业 场 合 已 经 适 用[ 8 ] ， 但 嵌 入式 P I C系统模 块众 多 ， 信号 种类 多 ， 采集 的任何信号受到干扰都可能影响风力发电机的控制精 度 ， 甚至导致风力发电机故障 、 停机、 损坏。风力发电 机造价高， 任何一点故障都会直接带来经济损失， 因此 在 自动测 试 的过程 中不 能依 靠某种 现有 的通 用滤 波算 法 ， 必须 根据 实际 情况对 滤 波算法 进行修 改与 改进 ， 以 提 高算 法 的灵 敏度 与平 滑度 ， 为测 试提 供高效 、 精 确 的 数 据来 源 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 1 期 戴建利 ， 等 嵌 入式 P L C 系统 自动测试 中数字滤波 算法研 究 3 通 过 分 析 现 有 滤 波 算 法 的 优 缺 点 ， 结 合 嵌 入 式 P L C系 统 的 自动测 试要 求 ， 改 进 后 的 滤波 算 法 综 合 了 滑 动 平均 滤波 、 算 术平 均 滤波 以及 去极 值滤 波 的优 点 ， 可实现精确滤波 。首先建立一个缓冲队列 ， 在 队列未 达 到 满员 时 ， 采集 一个 数 据立 即输 出一 个数 据 ， 高效 保 证数据实时性 ， 避免像算术 平均滤波那样 多次采集才 进行一次滤波； 当缓冲队列达到满员后 ， 每采集一个数 据就将数据插入队尾 ， 并丢弃队首的一个数据 ， 保持 队 列长度固定 ； 然后排序判断队列里的最大值与最小值 ， 并排除这两个值 ， 对 队列剩下的数据执行 去极值滤波 算法 ， 输出滤波后的数据 。改进的滤波算法 流程如 图 3所示 ， 既 可 以抑 制随 机干 扰信 号与 周 期性 干扰 信 号 ， 又可 以削弱 脉 冲 干 扰 ， 强 化 控 制 ， 同 时 数 据 处 理 速 度 快 ， 高效 准确 。 队首地 址传递 给 指 针变量 r ． 地 址 1 中存 储 的值 传递给 地址 中存储 , In l 指针变量 的值 1 N 读采样 值 ● 插入 队尾 单元 ● J队列中的 I 数 据求 平均值 结 果存入 y 措施 ， 在静 电脉 冲干扰下输入信号波形如图 4所示 ； 采 用数字滤波算法后输入信号波形见图 5 。对 比一下波 形可 以 明显看 出 ， 使 用 滤 波 算 法 前 静 电 脉 冲干 扰 下 输 入信号不稳定 ， 出现局部失真； 使用滤波算法后输入信 号波形变得稳定 、 平滑， 已将静 电脉冲干扰信号过 滤 掉 ， 更加接近于真实值 ， 滤波效果理想 ， 采样速度满足 测试系统要求 。 、 、 j 墼 一 辞 0 0 t ／ m s 一 1 5 t ／ m s 图 4 未采用滤波算法时 图 5 采用滤波算法后 输入信号 输入信号 5结语 本文通过分析 7种常用数字滤波算法 的优缺点， 结合嵌入式 P L C系统 自动测试要求 ， 提出一种改进的 数字滤波算法。经过实验证明 ， 改进的数字滤波算法 能 够改 善嵌 入式 P L C系 统 自动 测试 中 的数 据 采 集 性 能 ， 提 高 了测 量 精 度 ， 为嵌 入 式 P L C 系统 的 自动 测 试 提供 高 效 、 精 确 的数据 来 源 。 参考文献 E l i 詹俊． MW 级 风力发 电机组软 P L C平 台研 发 [ D ] ． 湘潭 湘潭大学 ， 2 0 1 3 6 - 2 5 ． [ 2 ] 王法 辉． P I C模块 自动测 试 系统 的 设计 与开 发 [ D] ． 大 连 大连理工 大学 ， 2 0 0 9 6 - 2 9 ． [ 3 ] 邢海霞 ， 王新 风． 嵌入式测控 系统 中数字 滤波算法 的实现 [ J ] ． 电子元器件应用 ， 2 0 0 9 4 5 6 5 8 ， 6 1 ． [ 4 ] 彭先洪 ， 姚 云茂 ， 何共建 ， 等． 数 字滤波技术 在精密测 量仪 奎 墓 响 不 大 ，在 鬻 麓 究 改 进 里 鳌 波 算 委 昱 墨 曼 ．⋯⋯ E 7 ] L J J 由 ．W 匣J 簇 ．滤 波 由于嵌 入式 P L C系统 自动测 试 项 目较 多 ， 这里 以 I算-- J I法I l a I研／ ％ 1 ． 电 产 写 2 0 0⋯ 7 , 2 0 ⋯ 4 ⋯ 1 3⋯6 - 1 3⋯7 ． 模拟量输入输 出模块 --1 0 V输入进行 实验 。在未采 E 8 ] 唐小伟 ．数据采集 系统 中温度 数据 的数 字滤波 算法 分析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m