低通濾波器在數據采集系統中的應用

孫雙雙，楊衍舒，王云，張志強，韓立

（航空工業洪都，江西南昌330024）

低通濾波器在數據采集系統中的應用

孫雙雙，楊衍舒，王云，張志強，韓立

（航空工業洪都，江西南昌330024）

針對飛行訓練模擬器數據采集系統中的噪聲干擾問題，將低通濾波器應用于飛行訓練模擬器的數據采集系統中，并詳細介紹了該數據采集系統的工作過程。測試結果表明，低通濾波器的應用，可提高數據采集系統的采集精度和穩定性，增強系統的抗干擾能力。

數據采集；低通濾波器

0 引言

數據采集技術主要是以傳感器、信號測量和處理、計算機控制等技術為基礎而形成的一門綜合應用技術，主要用于研究數據采集、存儲、處理以及控制等[1,2]。

飛行訓練模擬器數據采集系統的開發是研制飛行訓練模擬器的一個重要內容，是整個飛行訓練模擬器系統中一項關鍵技術。飛行訓練模擬器數據采集系統主要采集飛機模擬座艙設備的離散量、傳感器模擬量以及座艙控制盒的CAN總線數據。

在飛行訓練模擬器數據采集系統中，內噪聲（如直流電源噪聲）和外噪聲（如現場的繼電器、變壓器的電磁感應）會影響操縱桿傳感器信號的采集精度[3]。當干擾信號頻率高于被檢測信號頻率時，可采用低通濾波器對信號進行濾波處理。

本文將低通濾波器應用于飛行訓練模擬器的數據采集系統，采用二階巴特沃斯濾波器算法對數據采集系統采集到的操縱桿傳感器信號進行去噪處理。將低通濾波器應用于飛行訓練模擬器的數據采集系統中，可進行實時濾波處理，效果良好。

1 低通濾波原理

濾波，本質上是從一個資料序列中或從一個方程組的解中去掉不需要的振蕩分量的過程，其主要作用是讓有用信號盡可能無衰減地通過，對無用信號盡可能大地衰減。按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器4種，其中低通濾波允許信號中的低頻信號通過，抑制高頻干擾和噪聲。濾波技術可以從中心向兩側對稱過濾信號，不會使數據序列相發生變化。

低通濾波屬于一種從中心項向兩側對稱的濾波技術，規則為低頻信號能正常通過，而超過設定臨界值的高頻信號則被阻隔、減弱。

在飛行訓練模擬器的數據采集系統中，需要濾波器具有非常好的幅頻特性。巴特沃斯濾波器[4]是一種最基本的逼近函數，它的特點是幅頻特性最平坦，因此選定這一濾波器。

巴特沃斯濾波器隨階數增加濾波效果增強，但花費時間增長，數據采集系統設計中實時性很重要，因而階數不能太高。

當濾波器的截止頻率固定，采樣頻率一定時，提高低通濾波器階數，濾波效果基本相同，所需的穩定時間變長，因此選擇二階巴特沃斯濾波器。

2 系統工作原理

應用低通濾波器的數據采集系統平臺架構采用的新一代控制器——PAC控制器。PAC控制器的系統平臺架構具有高度的模塊化、智能化和分布式結構。

本文的PAC控制器系統平臺采用APAX系列控制器，運行嵌入式WINCE系統。APAX系列控制器采用3個I/O模塊和1個通信模塊，包括控制器插槽Ⅰ中的APAX5095P通信模塊，插槽Ⅱ中的APAX5017H模擬量采集模塊，插槽Ⅲ和插槽Ⅳ中的APAX5040數字量采集模塊。系統平臺的硬件組成示意如圖1所示。

3 軟件設計與實現

數據采集系統的軟件設計采用多線程設計，創建四個線程負責對兩條CAN總線的數據進行接收和發送；創建兩個線程對座艙設備的數字量和模擬量進行采集；創建兩個線程負責對飛機性能仿真系統的網絡數據進行接收和發送，具體實現方式采用的是在WINCE操作系統上的UDP網絡通訊協議。

應用低通濾波器的數據采集系統總體流程如圖2所示。

在模擬量采集線程中，從傳感器采集到的值是電壓值，首先將采集到的傳感器電壓值轉換為相應飛行參數的物理量，然后使用低通濾波器算法對轉換后的飛行參數物理量進行濾波處理。

4 試驗結果

為驗證應用低通濾波器的數據采集系統的抗噪聲干擾能力，在某型飛行訓練模擬器上進行測試工作，分別采集二階低通濾波處理前后的4個傳感器模擬量數據，分辨率為12位，采樣率為每通道100采樣點/秒。測試數據為某型飛行訓練模擬器的4個傳感器物理量，即橫向操縱桿傳感器物理量、航向操縱桿傳感器物理量、縱向操縱桿傳感器物理量、油門桿傳感器物理量。

測試結果如圖3～圖6所示。

上述測試結果數據圖中，紅色曲線表示未經濾波器處理的數據曲線；藍色曲線表示經濾波器處理的數據曲線。

由圖3～圖6可知，未使用低通濾波器處理的傳感器物理量數據，由于模擬器座艙內噪聲的干擾，采集到的物理量有跳躍現象；經過低通濾波器處理后，高頻部分被濾除，數據無跳躍現象且更加平滑，達到設計要求。將低通濾波器應用于飛行訓練模擬器的數據采集系統中，可進行實時濾波處理，效果良好。

5 結語

本文根據數據采集系統的采集流程和數據特點，將低通濾波器應用于某型飛行訓練模擬器的數據采集系統中，選用該飛行訓練模擬器的縱、橫、航三個方向操縱桿傳感器數據和油門桿傳感器數據作為試驗數據，驗證所采用的二階低通濾波器算法的效果。試驗結果表明，低通濾波器的應用不僅提高了數據采集系統的采集精度和穩定性，而且增強了系統的抗干擾能力。

[1]任家富，陶永莉.數據采集與總線技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.

[2]何宏，張金州，張志宏.基于GPIB接口數據采集系統的設計[J].2014,30(1):30-33.

[3]韓文卿.數據采集系統抗干擾措施.中國航空科技文獻.

[4]王文淵.信號與系統[M].北京:清華大學出版社，2008.

Application of Low Pass Filter in Data Acquisition System

Sun Shuangshuang,Yang Yanshu,Wang Yun,Zhang Zhiqiang,Han Li
(A災IC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi 330024)

Aiming at noise interference issue on data acquisition system of flight training simulator,low pass filter is used in the data acquisition system of flight training simulator,and the operating process of this system is detailed.Test result shows that the application of low pass filter can improve acquisition accuracy and stability of data acquisition system,and enhance anti-interference ability of the system.

Data acquisition；Low pass filter

2017-08-03）

>>>作者簡介 孫雙雙，女，1987年10月出生。2013年畢業于哈爾濱工程大學，工程師，現從事飛機仿真技術研究和飛行訓練模擬器設計工作。