數(shù)字信號控制器將熱電偶改變?yōu)?ldquo;超級明星”

我們首先從簡單的情況考慮。此過程，BT 比 BM低的多，應(yīng)用中采用很低中止頻率的低通帶濾波器通過移除噪音可極大地改善系統(tǒng)精度。這種情況經(jīng)常出現(xiàn)于大量熱量信息存在于AC電源線噪音旁的情況，如圖2A所示。
對于這種頻譜須有兩點(diǎn)注意。首先，顯示的圖明顯是一種理想情況，其中不包含寬帶噪音（噪音會充滿整個有用的光譜），這樣可使我們很容易地探究顯現(xiàn)的概念。其二，雖然交流電源噪音能量比溫度信號本身高很多，但噪音光譜能從有用的信號中分離出，因?yàn)槲覀兛梢允┘咏y(tǒng)一增益的低通帶濾波器以非常有效的消除噪音，如圖2B所示。
圖（2C）顯示了施加低通濾波器后的頻譜。該圖的電源噪音已被消除，僅余下清晰的溫度信號。采用的低通濾波器可以為無限刺激響應(yīng)（IIR）或限定刺激響應(yīng)（FIR），具體情況取決于存儲器的容量和配置的計(jì)算資源。IIR濾波器一般耗費(fèi)較少的資源，而FIR濾波器允許設(shè)計(jì)人員制作的濾波器具有更高的精度特性。對于不同濾波器性能的探測已超出了本文所談?wù)摰姆秶趨⒖嘉墨I(xiàn)[3]有這部分的相關(guān)文章。
如果進(jìn)一步改進(jìn)的話，我們可以在反混淆濾波器中設(shè)定中止頻率，這樣可以維持一致增益高出BT，防止其在運(yùn)行一段時(shí)間后丟失。我們還可以采用數(shù)字低通濾波器進(jìn)一步削弱殘余在有用信號外的噪音頻率。數(shù)字信號控制器能給出我們需要的計(jì)算帶寬以執(zhí)行更精密濾波器的高端指令，而通頻帶和中止頻帶間的快速轉(zhuǎn)換可以消除有用信號外的任何頻率成分。

當(dāng)電源噪音不在溫度信號頻帶外時(shí)，我們?nèi)绾翁幚韴D3A的情況？此時(shí)我們應(yīng)像外科醫(yī)生而不是屠夫，需要一點(diǎn)一點(diǎn)的去除無用的頻譜并使留下的“好”信號盡可能完美。
為了完成這一點(diǎn)，我們通常使用陷波濾波器，其可以通過濾波器上下的任何頻率，但可急劇削弱信號周圍的頻率，如圖3B顯示。這里，數(shù)字信號控制的計(jì)算能量為發(fā)亮部分，這樣會允許我們采用具有更高頻率的限波濾波器（與模擬區(qū)使用的相比）。
減小“有用”信號失真的關(guān)鍵在于使用一個好的、鋒利的“凹口”，其必須寬到能消除電源線的干擾。圖3C顯示了在圖3B中采用陷波濾波器消除圖3A中噪音信號的結(jié)果。
與低頻情況不同，我們能排斥噪音而不影響溫度信號，但陷波濾波器會引起溫度信號的降級。即使如此，我們得到的測量結(jié)果也比我們使用低級模擬濾波器或根本不使用濾波器的情況好的多。
消除尖銳噪音的中值濾波我們測試的各種噪音是連續(xù)出現(xiàn)的，但這種假設(shè)不現(xiàn)實(shí)的。偶然出現(xiàn)的噪音稱為尖銳噪音，其包括各種電子的或機(jī)械的設(shè)備聲源。圖4A顯示出即使存在重大尖銳噪音情況時(shí)我們?nèi)绾尾杉瘽撛诘挠杏眯盘枴?/P>

如果我們通過FIR或IIR濾波器進(jìn)行簡單的信號平均，樣品4和超過部分既會有很大的轉(zhuǎn)變，平均值的結(jié)果與樣品4同長，實(shí)際上這并不是我們真正需要的信號值。多數(shù)人直觀地將樣品4作為失真值而舍棄并且認(rèn)為實(shí)際溫度約在300F，但采用中值濾波會有更好的結(jié)果。
當(dāng)我們在群體采樣中采用中值濾波時(shí)，我們將其分為向上和向下的指令，然后挑選出中值作為濾波輸出值。這樣執(zhí)行的效果是，中值濾波表現(xiàn)為一種低通濾波并且比目前尖銳噪音中使用的平均濾波效果更好，因?yàn)樗鼘?shí)際上過濾出了不存在的采樣值，而不是僅僅削弱它們的影響。
中值濾波的關(guān)鍵參數(shù)是它的長度，采用時(shí)間長的濾波，會濾出較多的采樣噪音值，但也要損失較高的信號延時(shí)。例如，如果我們有一個三段采樣長度的中值濾波，我們能忍受一個噪音。如果我們用二段采樣長度，它是很可能的（不一定有絕對保證），兩個的一個將是中值然后被從濾波輸出。對于三個噪音的采樣值，濾波輸出肯定是噪音值。一般而言，中值濾波在長度上應(yīng)至少是2 N + 1采樣周期，這樣才可以抑制大部分噪音的采樣值。由于濾波的長度決定了通過濾波的延遲時(shí)間，這就成為某些應(yīng)用中的重大限制。
另一個缺點(diǎn)是濾波采樣必須根據(jù)每個輸出樣分類。DSP對于履行管線放大具有很高的優(yōu)化作用――累計(jì)操作，這種種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字濾波在被迫執(zhí)行中值濾波分類而需要執(zhí)行比較－分支操作要求時(shí)，能出現(xiàn)很大的減速。
圖4B顯示了對圖4A的噪音信號施加3段中值過濾的效果。注意樣值4，它原先幾乎是周圍樣值的兩倍，現(xiàn)在則具有很高的合理性。另外通過簡易的移動式低通濾波器濾波能進(jìn)一步凈化采樣信號，顯然不包括畸形的采樣值。
多通道平均。對于少數(shù)幸運(yùn)的設(shè)計(jì)者而言，多通道平均可以提供清除噪音的方法，該方法可以包括在特別的熱電偶路徑中。雖然大部分應(yīng)用不能提供多余空間或執(zhí)行多余熱電偶的元件，當(dāng)我們?nèi)钥刹捎么思夹g(shù)獲得益處。簡單的平均傳感器可以通過多臺熱電偶測量同一現(xiàn)場值以減弱非共模噪音產(chǎn)生的影響。中值過濾也可以通過施加的傳感器閱讀器（假設(shè)我們正在測量同一點(diǎn)）來進(jìn)一步減少尖銳噪音的影響。
采用微控制器會出現(xiàn)何種失常？
人們?yōu)槭裁床辉?位或16位微控制器中去試試和貫徹這些思想呢？對于微控制器采用這些算法有三個約束：算法的硬件功能、存儲器的地址模式和數(shù)據(jù)總線寬度。
執(zhí)行單循環(huán)高精度數(shù)學(xué)操作的能力是完成數(shù)字信號處理運(yùn)算中最基本的功能。不僅數(shù)學(xué)操作本身需要快速執(zhí)行，而且保存結(jié)果的累加器（寄存器）必須能存儲各種操作的運(yùn)算結(jié)果。通常，我們談?wù)摰?6位×16位乘法（32位的結(jié)果），那需要40位或更高容量寄存器（其能快速判別或從算法溢出中恢復(fù)）。而微控制器不能做到這些，因此，當(dāng)進(jìn)行高精度的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)，采用8位的單字節(jié)操作就會出現(xiàn)時(shí)間紊亂。對于寬度而言，數(shù)字信號控制器中的單循環(huán)累加器較容易維持高速、高精度的數(shù)據(jù)運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和其它的信號處理運(yùn)算。
對于大量信號處理而出現(xiàn)的另一要求為單循環(huán)中從兩個獨(dú)立的存儲器讀取數(shù)據(jù)的能力（例如，要得到的濾波系數(shù)和相關(guān)的數(shù)據(jù)采樣值）。對于“哈佛”或改進(jìn)的“哈佛”結(jié)構(gòu)的微控制器而言，很少有支持這種能力的。沒有這種能力，重新得到采樣數(shù)據(jù)和濾波系數(shù)的時(shí)間就會加倍，就會影響設(shè)備的處理量。數(shù)字信號控制器既支持“哈佛”結(jié)構(gòu)也支持改進(jìn)的“哈佛”結(jié)構(gòu)，它能很快地將數(shù)據(jù)傳送到運(yùn)算中心而無需延時(shí)。
最后一點(diǎn)，大部分微控制器不支持現(xiàn)行的總線寬度，而必須將24位改為32位。普遍要求轉(zhuǎn)換的高精度數(shù)據(jù)嚴(yán)格限制了微控制器能處理的數(shù)據(jù)從而引起相關(guān)代碼的復(fù)雜化。對于目前較寬的數(shù)據(jù)路徑，數(shù)字信號控制器完全能從處理和編碼的角度消除這種影響。
采用數(shù)字信號處理器會出現(xiàn)何種失常？
至今為止，你可能會認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)微控制器不可能有足夠的能力執(zhí)行這些算法，但使用DSP如何呢？這些器件可運(yùn)行各種高速運(yùn)算，所以，它們應(yīng)該完全適合，對嗎？結(jié)論先別那么快。
DSP肯定是支持快速數(shù)學(xué)處理的優(yōu)選方案，但要達(dá)到它們的高性能，必須采用更廣的數(shù)據(jù)應(yīng)用或指令傳遞途徑。一旦滿足，這些傳遞途徑就會將各種數(shù)據(jù)和相關(guān)的指令傳到處理中心，對于穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流幾乎沒有溢出的可能性。數(shù)學(xué)運(yùn)算通常采用單循環(huán)，所以除非中斷傳播途徑否則吞吐量不會很大。如果指令和數(shù)據(jù)不含在相關(guān)的傳播路徑中，傳播路徑肯定存在浪涌，這時(shí)可以再加載傳播路徑以重新找回信息。這些過程都需要時(shí)間，有時(shí)會很長。中斷處理和程序分支是傳播途徑中斷的源泉，而兩個都是許多嵌入應(yīng)用的集成部件。數(shù)字信號控制器的傳播途徑很短或根本沒有，可以極大地減弱中斷處理或程序分支的中斷效果。
第二點(diǎn)需要考慮的是封裝，許多嵌入式測量和控制應(yīng)用都嚴(yán)格的空間限制，但DSP管角高并在增長。有些數(shù)字信號控制器，諸如dsPIC系列，僅有18個管角，非常方便面板布局和減少制造成本。
最后一點(diǎn)，也是許多設(shè)計(jì)人員最看重的，從微控制器跳躍到DSP存在一些擔(dān)心，這需要設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)新的和巨大結(jié)構(gòu)差異方面的知識以及新的編碼范例才能使這種器件得到完美的執(zhí)行。而另一方面，數(shù)字信號控制器制造商也在增加全特色的DSP性能時(shí)有意保持微控制器的外觀和感覺。這能促使精通微控制器應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員快速了解DSP的功能性而不必了解全新的結(jié)構(gòu)。

結(jié)論
數(shù)字信號控制器是連接微控制器和DSP的優(yōu)異紐帶。通過在熟悉的結(jié)構(gòu)中增加DSP功能，數(shù)字信號控制器可允許設(shè)計(jì)人員快速實(shí)現(xiàn)新的算法，從而能對各種過程參數(shù)的度量和控制結(jié)果產(chǎn)生更好的影響。因?yàn)閿?shù)字信號控制器即可減少使用新裝置的學(xué)習(xí)彎路，也能減少設(shè)計(jì)人員和其公司在采用該技術(shù)時(shí)的使用風(fēng)險(xiǎn)。
本文中我們主要針對溫度測量來討論數(shù)字信號控制器，實(shí)際上我們評測的很多技術(shù)也可用于諸如流量和壓力等許多其它過程參數(shù)。相信不久后，數(shù)字信號控制器的應(yīng)用必將有爆炸式發(fā)展，將會有更多的設(shè)計(jì)人員意識到它們的作用并且會很高興地將它們設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中。
dsPIC is a trademark of Microchip Technology Inc.
Notes
1. Dick Johnson. Feb. 2002. “Old and in the way?” Control Engineering, Vol. 46, No. 2:46.
2.Understanding Digital Signal Processing by Richard G. Lyons (ISBN 0-201-63467-8).
3. Lyons [2] devotes an entire chapter to each of the two major filter types (IIR and FIR).