Đang tải... (xem toàn văn)
Trong đo lường, vấn đề lớn gặp phải là xử lý giảm nhiễu, nâng cao độ chính xác tín hiệu đo từ các loại cảm biến trước khi vào bộ biến đổi tương tự sang số của vi xử lý. Nghiên cứu trình bày so sánh, đánh giá và đề xuất giải pháp giảm nhiễu cho tín hiệu điện áp từ cảm biến; Đồng thời đưa ra một số phương pháp xử lý tín hiệu số sau khi biến đổi ADC.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Các phương pháp xử lý tín hiệu đo lường trước sau biến đổi ADC Nguyễn Tiến Sỹ1, *, Kim Thị Cẩm Ánh2, Hà Thị Chúc3 1,2,3 Khoa Cơ điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam, nguyentiensi@humg.edu.vn THÔNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 15/6/2021 Chấp nhận 17/8/2021 Đăng online 20/12/2021 Trong đo lường, vấn đề lớn gặp phải xử lý giảm nhiễu, nâng cao độ xác tín hiệu đo từ loại cảm biến trước vào biến đổi tương tự sang số vi xử lý Can nhiễu dẫn tới sai số giá trị đo giá trị thực Nghiên cứu trình bày so sánh, đánh giá đề xuất giải pháp giảm nhiễu cho tín hiệu điện áp từ cảm biến; đồng thời đưa số phương pháp xử lý tín hiệu số sau biến đổi ADC Kết kiểm chứng hệ thống thiết kế gồm cảm biến ánh sáng module nhúng thuật tốn xử lý tín hiệu đề xuất, module có nhiệm vụ thu thập biến đổi liệu thu từ cảm biến ánh sáng sang liệu số hiển thị Phương pháp xử lý tín hiệu áp dụng thiết bị đo lường, thu thập liệu, quan trắc thông số môi trường nhằm giảm nhiễu, nâng cao độ xác thiết bị Từ khóa: Biến đổi tương tự sang số, lọc Kalman, cảm biến, lọc nhiễu © 202 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu 1/ Khuếch đại tín hiệu làm tăng mức điện áp phù hợp với khoảng làm việc ADC, đồng thời làm tăng độ phân giải độ nhạy phép đo 2/ Suy hao làm giảm mức điện áp so với khoảng ADC Thường gặp trường hợp đo điện áp lớn 10V 3/ Lọc triệt tiêu tín hiệu nhiễu khơng mong muốn khoảng tần số định 4/ Cách ly tín hiệu điện áp nằm ngồi khoảng số hố gây hại cho hệ thống đo 5/ Tuyến tính hố tín hiệu điện áp ngõ từ cảm biến khơng quan hệ tuyến tính với đại lượng vật lý cần đo Trong báo cáo này, tác giả tập trung vào giới thiệu số phương pháp xử lý giảm nhiễu với tín hiệu Analog (trước ADC) xử lý số tín hiệu (sau ADC) Bộ biến đổi ADC hay chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số mạch chuyển đổi giá trị điện áp liên tục (analog) sang giá trị chuỗi nhị phân (digital) mà thiết bị kỹ thuật số hiểu sau sử dụng để xử lý, tính tốn Mạch ADC vi mạch dòng ADC08xx nhúng vào vi điều khiển PIC, AVR, STM, TI Sơ đồ nguyên lý chung biến đổi ADC thể hình Tín hiệu Analog thường tín hiệu điện áp đầu từ cảm biến cảm biến nhiệt độ PT100, LM35; cảm biến ánh sáng; độ ẩm; áp suất,… Nhược điểm tín hiệu Analog dễ bị tác động tín hiệu nhiễu nhiễu nhiệt, nhiễu điện từ từ nguồn, nhiễu từ dây tín hiệu song hành,… Tín hiệu đo lường cảm biến chuẩn hoá bao gồm bước phổ biến sau (NI, 2016) 24 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA Biên độ (MEAE2021) Nhiễu Mạch ADC Thời gian Tín hiệu tương tự Opamp cho đầu vào Vin có trở kháng lớn, dịng tải tín hiệu nhỏ, tín hiệu suy hao; đồng thời đầu tín hiệu có trở kháng nhỏ, Vout giữ nguyên đặc tính tín hiệu, cơng suất tín hiệu tăng lên, khiến suy hao nhỏ 0 Tín hiệu số A Trở kháng cao (High Impedance) Hình Sơ đồ biến đổi ADC Xử lý giảm nhiễu tín hiệu Analog Input +VEE B Trở kháng thấp (Low Impedance) + -VEE Trong đo lường, tín hiệu Analog có dạng 4-20mA, 0-20mA, 0-5V, 0-10V Tuỳ theo ứng dụng thiết bị công nghiệp mà sử dụng loại tín hiệu Analog tương tứng Ví dụ cảm biến áp suất, nhiệt độ thường sử dụng tín hiệu dạng 4-20mA 0-10V Hình Bộ đệm cho tín hiệu Analog hình ảnh mạch thực tế Tín hiệu Analog + Nhiễu VB = VA; Ku = (1) Chống nhiễu nâng cao cho tín hiệu Analog sử dụng mạch Analog Front-End (AFE) hay mạch xử lý tín hiệu nhỏ (tiền xử lý) Tín hiệu đưa vào mạch khuếch đại nhiều tầng với hệ số khuếch đại tích hệ số khuếch đại tầng, sau qua mạch lọc LPF, BPF, HPF để loại tín hiệu ngồi dải mong muốn (Anna Richelli, 2016) Tín hiệu Analog Tín hiệu Nhiễu Hình Tín hiệu 4-20mA bị nhiễu Hình mơ tả tín hiệu Analog tín hiệu đầu vào hệ thống đo nên xảy nhiễu; không xử lý kịp thời dẫn đến tác động khơng xác cấu chấp hành đầu ra, gây hậu nghiêm trọng người thiết bị Có nhiều phương pháp để xử lý tín hiệu Analog Trường hợp tín hiệu Analog bị can nhiễu nhẹ làm suy giảm tín hiệu ví dụ từ 4-20mA xuống cịn 3.95mA-19.5mA xử lý tạm thời phần mềm Để chống nhiễu cho tín hiệu Analog dùng IC khuếch đại thuật tốn (Henri Sino, 2011) Hình mạch khuếch đại lặp lại (bộ đệm) với hệ số khuếch đại mạch giúp giữ nguyên đặc tính tín hiệu, đồng thời lợi dụng ưu điểm (a) (b) Hình Một số cách ly-lọc nhiễu K109S (a) OMX333UNI (b) Trong thực tế, trường hợp tín hiệu bị nhiễu nặng, cách đơn giản kinh tế dùng cách ly chống nhiễu, ví dụ K109S Seneca OMX333UNI hãng Orbit Merret Đường tín hiệu Analog thiết kế mạch in cần thiết kế chống nhiễu số phương pháp như: 1/ Phối hợp trở kháng đường truyền 25 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Bước 1: Thiết lập biến RMS, V1, V2; Bước 2: Thực vòng lặp với biến count chạy từ đến n (n số vòng lặp, luỹ thừa 2) Bước 3: Đọc giá trị số sau biến đổi ADC tính tổng giá trị đọc ADC = read_adc(); V1 = V1+ADC*ADC; V2 = V2+ADC; Bước 4: Tính trung bình bình phương RMS = sqrt(V1/n-(V2/n)*(V2/n); RMS = RMS*Vref/n; 2/ Đường tín hiệu Analog ngắn 3/ Tạo via nối GND dọc theo đường Analog 4/ Tạo chắn điện từ Như vậy, biện pháp giảm nhiễu tín hiệu Analog kể trên, tín hiệu tương tự loại bỏ nhiễu trước vào biến đổi ADC để thực chuyển đổi thành tín hiệu số Xử lý tín hiệu số sau biến đổi ADC Giá trị số trả sau biến đổi ADC phụ thuộc vào độ phân giải ADC Ví dụ ADC 12-bit giá trị đọc nằm khoảng từ đến 4095 Giá trị ADC cố định điện áp tham chiếu (Vref) ADC ổn định Do trước xử lý ADC, cần ổn định nguồn Vref cách sử dụng IC ổn áp tạo điện áp chuẩn Các phương pháp xử lý tín hiệu số đề xuất bao gồm phương pháp trung bình bình phương, phương pháp lọc Kalman (a) 3.1 Phương pháp lấy trung bình mẫu Đây phương pháp đơn giản để ổn định giá trị đo sau biến đổi ADC Thuật tốn trình bày sau: Bước 1: Thiết lập biến sum = 0; Bước 2: Thực vòng lặp với biến count chạy từ đến n (n số vòng lặp, luỹ thừa 2) Bước 3: Đọc giá trị số sau biến đổi ADC tính tổng giá trị đọc sum +=read_adc(); Bước 4: Tính trung bình kết thu sum/=n; (b) Hình Tín hiệu từ biến đổi ADC (a) sau qua lọc trung bình mẫu (b) 3.3 Phương pháp sử dụng lọc Kalman Phương pháp đề xuất năm 1960 nhà khoa học Kalman (Kalman nnk, 1960) Bộ lọc Kalman thuật toán ước lượng giá trị chưa biết xác so với sử dụng phép đo Trong báo cáo, tác giả sử dụng mơ hình đo cường độ ánh sáng quang trở LDR kết nối với ADC 12-bit vi điều khiển ESP32 nhúng thuật toán lọc Kalman Sơ đồ khối kết nối thành phần mô hình thể hình Khi cường độ ánh sáng thay đổi, quang trở cho giá trị điện áp thay đổi tuyến tính Giá trị điện áp đưa vào ADC ESP32 để lấy mẫu ước lượng giá trị dùng lọc Kalman 3.2 Phương pháp trung bình bình phương Đây phương pháp tính trung bình bình phương mẫu sau trình lấy mẫu theo công thức (2) Phương pháp đặc biệt hiệu tìm giá trị rms (giá trị hiệu dụng) tín hiệu Hình mơ tả tín hiệu ADC với tần số lấy mẫu 100kHz, sử dụng 100 mẫu (n =100) để tính trung bình bình phương theo công thức (2) 𝑉𝑟𝑚𝑠 = 𝑛 √∑(𝑉 ) − (∑ 𝑉)2 (2) 26 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Kết luận Cảm biến ánh sáng quang trở LDR Bộ ADC vi điều khiển ESP32 Báo cáo phân tích giải pháp xử lý giảm nhiễu tín hiệu bao gồm tín hiệu Analog trước ADC (tín hiệu Analog từ loại cảm biến) giải pháp xử lý tín hiệu số sau ADC Đây giải pháp thường áp dụng mạch đo lường công nghiệp Đồng thời báo cáo đưa mơ hình đo điện áp đầu từ cảm biến quang trở ước lượng giá trị số tương ứng sử dụng lọc Kalman đơn giản Kết tín hiệu xử lý lọc nhiễu mịn có phương sai nhỏ Kết đồ thị Hình Sơ đồ khối kết nối thiết bị Các phương trình lọc Kalman có dạng phương trình (3) (Greg Welch nnk, 2001) 𝑋̂𝑘 = 𝐾𝑘 𝑍𝑘 + (1 − 𝐾𝑘 ) 𝑋̂𝑘−1 (3) Trong đó: 𝑋̂𝑘 giá trị ước lượng Lời cảm ơn K k hệ số Kalman Tác giả xin chân thành cám ơn cán môn Kỹ thuật điện – Điện tử, Khoa Cơ điện, Đại học Mỏ - Địa chất đóng góp mặt chun mơn, hỗ trợ trang thiết bị thí nghiệm, giúp tác giả hoàn thiện báo cáo 𝑋̂𝑘−1 giá trị ước lượng thời điểm trước Z k giá trị đo k số lần lặp Độ chênh lệch giá trị đo giá trị thực gọi sai số e Khi giá trị mong muốn thay đổi cần có thoả hiệp tốc độ bám đuổi giá trị ước lượng với giá trị thực độ dao động giá trị ước lượng Dữ liệu sau xử lý lọc Kalman có độ trễ so với liệu chưa xử lý Tuy nhiên với tần số xung nhịp ESP32 lên tới 240MHz, thời gian hoàn thành lần lấy mẫu tín hiệu điện áp cảm biến quang trở khoảng 5us (ESP32 Series Datasheet) Tài liệu tham khảo National Instruments, (2016) Engineer’s Guide to Accurate Sensor Measurements – White Paper https://ni.com/compactdaq Henri Sino (2011) Electromagnetic Interference (EMI) Filtering Reduces Errors in Precision Analog Applications Analog Dialogue 45-01 https://www.analog.com/analogdialogue Anna Richelli (2016) EMI susceptibility Issue in Analog Front-End for Sensor Applications Journal of Sensors Greg Welch, Gary Bishop (2001) An Introduction to the Kalman Filter University of North Carolina at Chapel Hill Department of Computer Science Hình Tín hiệu từ biến đổi ADC (màu xanh) sau qua lọc Kalman (màu vàng) Áp dụng thuật toán lọc Kalman cho kết tín hiệu số sau lọc thể đồ thị hình Tín hiệu sau lọc nhiễu đánh giá mịn ổn định nhiều so với giá trị thô sau biến đổi ADC Tín hiệu tiếp tục xử lý đến khâu hiển thị tác động đến cấu chấp hành Trịnh Tuấn Dương, Nguyễn Ngọc Linh (2019) Ứng dụng lọc Kalman việc xử lý tín hiệu thu từ cảm biến đo nồng độ bụi Sharp GP2Y1010AU0F Tạp chí khoa học cơng nghệ, Trường ĐH Công nghệ, ĐH Quốc gia Hà Nội, E-ISSN 2615-9619 27 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) ESP32 Series Datasheet (topic 4.1.2), the ADC characteristics shows the maximum sampling rates https://www.espressif.com Anna Richelli (2016) EMI susceptibility Issue in Analog Front-End for Sensor Applications Journal of Sensors M S Grewal, A P Andrews, (2001) Kalman Filtering – Theory and Practice Using MATLAB Wiley 28 ... biện pháp giảm nhiễu tín hiệu Analog kể trên, tín hiệu tương tự loại bỏ nhiễu trước vào biến đổi ADC để thực chuyển đổi thành tín hiệu số Xử lý tín hiệu số sau biến đổi ADC Giá trị số trả sau biến. .. Cảm biến ánh sáng quang trở LDR Bộ ADC vi điều khiển ESP32 Báo cáo phân tích giải pháp xử lý giảm nhiễu tín hiệu bao gồm tín hiệu Analog trước ADC (tín hiệu Analog từ loại cảm biến) giải pháp xử. .. trị số sau biến đổi ADC tính tổng giá trị đọc sum +=read _adc( ); Bước 4: Tính trung bình kết thu sum/=n; (b) Hình Tín hiệu từ biến đổi ADC (a) sau qua lọc trung bình mẫu (b) 3.3 Phương pháp sử