智能过采样增强数据采集

你有没有想过你能吃到你的蛋糕，也吃它？在某些数据采集情况下，您也许可以做到这一点。我说的是只需要相对高频波形的最大值（最大值）、最小值（最小值）或平均值（平均值）的应用。数据采集领域充满了这种性质的例子。请考虑以下事项：

50、60 或 400 Hz 功率波形的最小值或最大值

加速度计的最小、最大或平均加速度 （g），用于振动研究

生命科学研究中脉动血压波形的最大值（收缩压）、最小值（舒张压）和平均值（平均值）

消除近直流信号（例如热电偶）上的噪声

有/没有高频波形的记录，例如音频，振动，噪声等。

在这些示例中，数据采集任务的重点不是波形本身，而是波形的某些组成部分，由其在单位时间内的最大值、最小值或平均值表示。下面是一个更详细的示例：

我们的一位客户想要对他的测功机进行仪器化。他有几个参数要测量，包括油压、转速、扭矩和发动机温度——都是低频波形。问题是第五个参数，振动，来自安装在发动机缸体上的加速度计。与其他四个信号相比，该信号产生高频信息，因此在测量方法上迫使一些异常条件。他有以下选择：

以符合加速度计频率响应要求的高速率对所有通道进行采样。

以慢速率对四个较低频率通道进行采样，以更快的速率对第五个高频通道进行采样。

确定报告每个通道值的频率（例如，每秒五次或 5 Hz），然后选择该采样率。

第一种选择受到数据膨胀的影响——它会产生大量数据，将它放在哪里的挑战，以及之后如何处理所有这些数据的问题。为了附加一些数字，假设加速度计需要以 5，000 Hz 的速率进行采样。考虑其他四个通道需要 25，000 Hz 的吞吐速率。由于在此应用程序中需要获取数据长达 8 小时，因此每个会话将生成惊人的 1.4 GB 文件。那些没有仅根据文件大小就劝阻这种方法的人应该进一步考虑每秒对引擎温度进行 5，000 次采样的荒谬性。

第二种选择是数据采集的圣杯——每个通道的可选采样率——由少数数据采集系统提供。但要准备好为该功能付出高昂的代价。

选项3似乎没有现实基础。如何以慢速对快速移动的通道进行采样并得出任何有意义的信息？关键在于您使用的应用程序和采样方法。

从应用的角度来看，我们的客户对加速度计产生的实际波形不感兴趣（见图1）。例如，他不需要连续的振动信号，他可以用FFT进行变换来确定其所有频率分量和幅度。他只是想知道振动发动机在单位时间内产生的最大g。在他的应用程序上下文中，他希望每秒报告五次的值。换句话说，他想累积200毫秒的加速度数据（1除以5 Hz），然后只报告最大值。

由于不需要连续再现高频波形，我们可以利用一种鲜为人知的技术，称为过采样。许多数据采集产品支持双采样率功能，其中数据采集硬件以比报告给软件的速率快得多的速度对数据进行采样。该技术也称为“突发采样”，最常用于通过高速采样所有使能通道来最小化时间偏差。突发速率越高，时间偏差误差越小。但对于具有板载智能的数据采集产品，过度采样还带来了另一个好处：能够评估和应用通常丢弃的所有数据。这是软件孤立的获取的通道信息，因为它需要数据的频率远低于硬件的突发速率使其可用。我将使用我们的测功机示例来澄清这个概念，称为智能过采样。

该应用假设 5，000 Hz 的采样率足以捕获加速度计生成的峰值 g 值。这是最快移动信号相对于时间的速率，构成了用于计算硬件所需突发速率的基础。由于总共需要采集5个通道，因此突发速率为每秒25，000个样本（5，000 Hz乘以5个通道，见图2）。请记住，25，000 Hz 表示我们的硬件持续扫描 5 个启用通道的速率，无论应用软件请求转换的频率如何。在我们的应用环境中，软件将被编程为以每通道5 Hz的速率采集数据（见图2）。计算它的吞吐量数会产生 25 Hz（5 Hz 乘以 5 个通道）。在这一点上，很明显硬件以 1，000：1（25，000 Hz 除以 25 Hz）的比率生成多余的数据。会怎样呢？

大多数硬件的正确答案是“无”。他们只是获取第 1，000 个点（我们称之为“最后一个点”，参见图 2）并将该值报告给软件 — 在此过程中忽略其他 999 个点。但是，具有智能过采样功能的数据采集硬件产品可以解决多余的样本。对于我们的加速度计通道，他们可以评估每 200 毫秒转换的 1，000 个样本并报告最大值。这种方法以5 Hz的速率产生数据流，精确描述加速度计波形的峰值包络，这正是应用所要求的。我们仅以 25 Hz 的有效采样率实现了这一目标，在 8 小时的测试中，仅消耗 1.4 MB 的磁盘空间——比我们的第一个选项少三个数量级。但这个故事还有更多。

将注意力转向应用程序的其他 4 个通道。智能过采样为它们提供了什么优势？捕获这些近直流信号的最大值或最小值没有任何意义。但是算术平均值计算可以显着降低噪声。每 200 ms 将从四个通道中的每一个获取的 1，000 个值平均为单个数据值。结果是一个波形，其中噪声降低到零，以清晰地显示即使是最微小的幅度波动（见图3）。

有一些关于智能过采样的注意事项。智能过采样的有效性随着软件采样率接近硬件的突发速率而降低。当硬件和软件速率分别为 20，000 Hz 和 10，000 Hz 时，选择平均模式会产生几乎无用的 2 点平均值。另一个考虑因素是确保软件的速率低于您正在测量的信号的最高频率分量。即使硬件速率明显高于软件速率，60 Hz 电源线的测量也会在软件速率大于或等于 60 Hz 时失真。当软件尝试在信号能够完成一个周期之前报告最小值、最大值或平均值时，这种情况会产生两难境地。

智能过采样在许多应用中都有好处，尤其是与降噪相关的应用，以至于很难想到一种情况不会受益。大多数DATAQ仪器的硬件产品，以及一些高端数据采集制造商，都支持智能过采样。

图 1 — WinDaq数据采集软件屏幕，显示以高速率采样的扭矩（顶部）和加速度计波形（底部），无需智能过采样。

图 2 — 来自 DATAQ 仪器 WinDaq/Pro 数据采集软件包的相应智能过采样对话框。从左下角顺时针方向：硬件突发速率选择（此处称为最大采样率）;每个通道的智能过采样方法（最大值、最小值、最后点、平均值）;软件采样率选择。

图 3— 波形与图 1 相同，但采样速率较低，扭矩启用平均智能过采样（顶部），加速度最大 IOS。请注意扭矩的降噪级别，以及加速度计的最大包络趋势。

审核编辑：郭婷