Các phương pháp xử lý tín hiệu đo lường trước và sau bộ biến đổi ADC

Nội dung text: Các phương pháp xử lý tín hiệu đo lường trước và sau bộ biến đổi ADC

1. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Các phương pháp xử lý tín hiệu đo lường trước và sau bộ 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 TÓM TẮT Quá trình: Trong đo lường, vấn đề lớn gặp phải là xử lý giảm nhiễu, nâng cao độ chính Nhận bài 15/6/2021 xác tín hiệu đo từ các loại cảm biến trước khi vào bộ biến đổi tương tự sang Chấp nhận 17/8/2021 số của vi xử lý. Can nhiễu dẫn tới sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực. Đăng online 20/12/2021 Nghiên cứu trình bày so sánh, đánh giá và đề xuất giải pháp giảm nhiễu cho Từ khóa: tín hiệu điện áp từ cảm biến; đồng thời đưa ra một số phương pháp xử lý Biến đổi tương tự sang số, tín hiệu số sau khi biến đổi ADC. Kết quả được kiểm chứng trên hệ thống được thiết kế gồm cảm biến ánh sáng và module được nhúng thuật toán xử bộ lọc Kalman, cảm biến, lý tín hiệu đã đề xuất, module có nhiệm vụ thu thập và biến đổi dữ liệu thu lọc nhiễu được từ cảm biến ánh sáng sang dữ liệu số và hiển thị. Phương pháp xử lý tín hiệu được áp dụng trong các thiết bị đo lường, bộ thu thập dữ liệu, quan trắc thông số môi trường nhằm giảm nhiễu, nâng cao độ chính xác của thiết bị. © 202 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Mở đầu 1/ Khuếch đại tín hiệu làm tăng mức điện áp phù hợp với khoảng làm việc của bộ ADC, đồng Bộ biến đổi ADC hay bộ chuyển đổi tín hiệu thời làm tăng độ phân giải và độ nhạy của phép tương tự sang tín hiệu số là một mạch chuyển đổi đo giá trị điện áp liên tục (analog) sang giá trị chuỗi 2/ Suy hao làm giảm mức điện áp so với nhị phân (digital) mà thiết bị kỹ thuật số có thể khoảng của bộ ADC. Thường gặp trong trường hiểu được sau đó được sử dụng để xử lý, tính hợp đo điện áp lớn hơn 10V toán. Mạch ADC có thể là vi mạch như dòng 3/ Lọc triệt tiêu tín hiệu nhiễu không mong ADC08xx hoặc được nhúng vào vi điều khiển như muốn trong một khoảng tần số nhất định PIC, AVR, STM, TI. Sơ đồ nguyên lý chung của bộ 4/ Cách ly khi tín hiệu điện áp nằm ngoài biến đổi ADC được thể hiện như hình 1. khoảng số hoá có thể gây hại cho hệ thống đo Tín hiệu Analog thường là tín hiệu điện áp đầu 5/ Tuyến tính hoá khi tín hiệu điện áp ngõ ra ra từ cảm biến như cảm biến nhiệt độ PT100, từ cảm biến không quan hệ tuyến tính với đại LM35; cảm biến ánh sáng; độ ẩm; áp suất, lượng vật lý cần đo Nhược điểm của tín hiệu Analog là dễ bị tác động Trong báo cáo này, tác giả tập trung vào giới bởi tín hiệu nhiễu như nhiễu nhiệt, nhiễu điện từ thiệu một số phương pháp xử lý giảm nhiễu với từ nguồn, nhiễu từ dây tín hiệu song hành, tín hiệu Analog (trước bộ ADC) và xử lý số tín Tín hiệu đo lường cảm biến được chuẩn hoá hiệu (sau bộ ADC) bao gồm các bước phổ biến như sau (NI, 2016) 24
2. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Opamp cho đầu vào Vin có trở kháng rất lớn, dòng Nhiễu 1 1 1 1 tải tín hiệu nhỏ, tín hiệu ít suy hao; đồng thời đầu Mạch ADC 0 0 0 0 ra tín hiệu có trở kháng rất nhỏ, Vout giữ nguyên Biên độ Biên đặc tính của tín hiệu, trong khi công suất tín hiệu Thời gian tăng lên, khiến suy hao nhỏ. Tín hiệu tương tự Tín hiệu số +VEE A Input B Hình 1. Sơ đồ bộ biến đổi ADC Trở kháng cao + Trở kháng thấp (High - (Low 2. Xử lý giảm nhiễu tín hiệu Analog Impedance) Impedance) -VEE Trong đo lường, tín hiệu Analog có các dạng như 4-20mA, 0-20mA, 0-5V, 0-10V. Tuỳ theo ứng dụng và 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 hoặc 0-10V. Hình 3. Bộ đệm cho tín hiệu Analog và hình ảnh mạch thực tế VB = VA; Ku = 1 (1) Chống nhiễu nâng cao cho tín hiệu Analog có thể sử dụng mạch Analog Front-End (AFE) hay mạch xử lý tín hiệu nhỏ (tiền xử lý). Tín hiệu được đưa vào mạch khuếch đại nhiều tầng với hệ số Tín hiệu Analog khuếch đại bằng tích hệ số khuếch đại từng tầng, Tín hiệu Analog + Nhiễu sau đó qua mạch lọc LPF, BPF, HPF để loại các tín hiệu ở ngoài dải mong muốn (Anna Richelli, Tín hiệu Nhiễu 2016). Hình 2. Tín hiệu 4-20mA khi bị nhiễu Hình 2 mô tả tín hiệu Analog là tín hiệu đầu vào của hệ thống đo nên khi xảy ra nhiễu; nếu không xử lý kịp thời có thể dẫn đến sự tác động không chính xác của cơ cấu chấp hành đầu ra, gây (a) (b) hậu quả nghiêm trọng về người và thiết bị. Hình 4. Một số bộ cách ly-lọc nhiễu K109S (a) và Có rất nhiều phương pháp để xử lý tín hiệu OMX333UNI (b) Analog. Trường hợp tín hiệu Analog bị can nhiễu nhẹ làm suy giảm tín hiệu ví dụ từ 4-20mA xuống Trong thực tế, trường hợp tín hiệu bị nhiễu còn 3.95mA-19.5mA thì có thể xử lý tạm thời quá nặng, cách đơn giản và kinh tế là dùng bộ cách bằng phần mềm. ly chống nhiễu, ví dụ như bộ K109S của Seneca hoặc bộ OMX333UNI của hãng Orbit Merret. Để chống nhiễu cho tín hiệu Analog dùng IC khuếch đại thuật toán (Henri Sino, 2011). Hình 3 Đường tín hiệu Analog trong thiết kế mạch in là mạch khuếch đại lặp lại (bộ đệm) với hệ số cần được thiết kế chống nhiễu bằng một số khuếch đại của mạch bằng 1 giúp giữ nguyên đặc phương pháp như: tính của tín hiệu, đồng thời lợi dụng ưu điểm của 1/ Phối hợp trở kháng trên đường truyền 25
3. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) 2/ Đường tín hiệu Analog ngắn nhất có thể Bước 1: Thiết lập biến RMS, V1, V2; 3/ Tạo các via nối GND dọc theo đường Analog Bước 2: Thực hiện vòng lặp với biến count 4/ Tạo các tấm chắn điện từ chạy từ 0 đến n (n là số vòng lặp, luỹ thừa của 2) Như vậy, bằng các biện pháp giảm nhiễu tín Bước 3: Đọc giá trị số sau khi biến đổi ADC và hiệu Analog đã kể trên, tín hiệu tương tự được tính tổng các giá trị đọc được loại bỏ nhiễu trước khi vào bộ biến đổi ADC để ADC = read_adc(); thực hiện chuyển đổi thành tín hiệu số. V1 = V1+ADC*ADC; 3. Xử lý tín hiệu số sau bộ biến đổi ADC V2 = V2+ADC; Giá trị số trả về sau khi biến đổi ADC phụ thuộc Bước 4: Tính trung bình bình phương vào độ phân giải bộ ADC. Ví dụ ADC 12-bit thì giá RMS = sqrt(V1/n-(V2/n)*(V2/n); trị đọc về nằm trong khoảng từ 0 đến 4095. Giá trị RMS = RMS*Vref/n; ADC sẽ cố định khi điện áp tham chiếu (Vref) của bộ ADC là ổn định. Do vậy trước khi xử lý ADC, cần ổn định nguồn Vref bằng cách sử dụng các IC ổn áp tạo điện áp chuẩn. Các phương pháp xử lý tín hiệu số được đề xuất bao gồm phương pháp trung bình bình phương, phương pháp lọc Kalman. (a) 3.1. Phương pháp lấy trung bình các mẫu Đây là phương pháp đơn giản nhất để ổn định giá trị đo được sau khi biến đổi ADC. Thuật toán được trình bày như sau: Bước 1: Thiết lập biến sum = 0; (b) Bước 2: Thực hiện vòng lặp với biến count Hình 5. Tín hiệu từ bộ biến đổi ADC (a) và sau khi chạy từ 0 đến n (n là số vòng lặp, luỹ thừa của 2) qua bộ lọc trung bình các mẫu (b) Bước 3: Đọc giá trị số sau khi biến đổi ADC và tính tổng các giá trị đọc được 3.3. Phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman sum +=read_adc(); Phương pháp này được đề xuất năm 1960 bởi Bước 4: Tính trung bình kết quả thu được nhà khoa học Kalman (Kalman và nnk, 1960). Bộ sum/=n; lọc Kalman là thuật toán ước lượng giá trị chưa biết chính xác hơn so với chỉ sử dụng một phép 3.2. Phương pháp trung bình bình phương đo duy nhất. Trong báo cáo, tác giả sử dụng mô hình đo cường độ ánh sáng quang trở LDR và kết Đây là phương pháp tính trung bình bình nối với bộ ADC 12-bit của vi điều khiển ESP32 đã phương các mẫu sau quá trình lấy mẫu theo công được nhúng thuật toán bộ lọc Kalman. Sơ đồ khối thức (2). Phương pháp này đặc biệt hiệu quả kết nối các thành phần trong mô hình được thể trong tìm giá trị rms (giá trị hiệu dụng) của tín hiện trong hình 6. Khi cường độ ánh sáng thay hiệu. Hình 5 mô tả tín hiệu ADC với tần số lấy mẫu đổi, quang trở cho giá trị điện áp thay đổi tuyến 100kHz, sử dụng 100 mẫu (n =100) để tính trung tính. Giá trị điện áp được đưa vào bộ ADC của bình bình phương theo công thức (2) ESP32 để lấy mẫu và ước lượng giá trị dùng bộ lọc 1 = √∑( 2) − (∑ )2 (2) Kalman. 푠 푛 26
4. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Kết luận Cảm biến ánh Bộ ADC của vi Báo cáo đã phân tích các giải pháp xử lý giảm sáng quang trở điều khiển nhiễu tín hiệu bao gồm tín hiệu Analog trước bộ LDR ESP32 Kết quả đồ thị ADC (tín hiệu Analog từ các loại cảm biến) và giải pháp xử lý tín hiệu số sau bộ ADC. Đây là các giải pháp thường được áp dụng trong các mạch đo lường trong công nghiệp. Hình 6. Sơ đồ khối kết nối thiết bị Đồng thời báo cáo cũng đưa ra một mô hình Các phương trình bộ lọc Kalman có dạng như đo điện áp đầu ra từ cảm biến quang trở và ước phương trình (3) (Greg Welch và nnk, 2001) lượng giá trị số tương ứng sử dụng bộ lọc Kalman đơn giản. Kết quả tín hiệu được xử lý lọc nhiễu ̂ = 퐾 . 푍 + (1 − 퐾 ). ̂ (3) −1 khá mịn và có phương sai nhỏ. Trong đó: ̂ là giá trị ước lượng hiện tại Lời cảm ơn K k là hệ số Kalman Tác giả xin chân thành cám ơn các cán bộ của bộ môn Kỹ thuật điện – Điện tử, Khoa Cơ điện, Đại ̂ −1là giá trị ước lượng tại thời điểm trước học Mỏ - Địa chất đã đóng góp về mặt chuyên Z là giá trị đo được k môn, hỗ trợ về trang thiết bị thí nghiệm, giúp tác k là số lần lặp giả hoàn thiện báo cáo. Độ chênh lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực được gọi là sai số e. Khi giá trị mong muốn Tài liệu tham khảo thay đổi cần có sự thoả hiệp giữa tốc độ bám đuổi National Instruments, (2016). Engineer’s Guide của giá trị ước lượng với giá trị thực và độ dao to Accurate Sensor Measurements – White động của giá trị ước lượng. Dữ liệu sau khi được Paper. xử lý bằng bộ lọc Kalman sẽ có độ trễ so với dữ liệu chưa được xử lý. Tuy nhiên với tần số xung Henri Sino (2011). Electromagnetic Interference nhịp của ESP32 lên tới 240MHz, thời gian hoàn (EMI) Filtering Reduces Errors in Precision thành mỗi lần lấy mẫu tín hiệu điện áp của cảm Analog Applications. Analog Dialogue 45-01. biến quang trở chỉ khoảng 5us (ESP32 Series Datasheet) Anna Richelli (2016). EMI susceptibility Issue in Analog Front-End for Sensor Applications. Journal of Sensors. Greg Welch, Gary Bishop (2001). An Introduction Hình 7. Tín hiệu từ bộ biến đổi ADC (màu xanh) và to the Kalman Filter. University of North sau khi qua bộ lọc Kalman (màu vàng) Carolina at Chapel Hill Department of Áp dụng thuật toán của bộ lọc Kalman cho kết Computer Science. quả tín hiệu số sau khi lọc được thể hiện như đồ Trịnh Tuấn Dương, Nguyễn Ngọc Linh (2019). thị hình 7. Tín hiệu sau lọc nhiễu có thể đánh giá Ứng dụng bộ lọc Kalman trong việc xử lý tín là khá mịn và ổn định hơn nhiều so với giá trị thô hiệu thu được từ cảm biến đo nồng độ bụi sau bộ biến đổi ADC. Tín hiệu này tiếp tục được Sharp GP2Y1010AU0F. Tạp chí khoa học công xử lý đến khâu hiển thị hoặc tác động đến cơ cấu nghệ, Trường ĐH Công nghệ, ĐH Quốc gia Hà chấp hành. Nội, E-ISSN 2615-9619. 27
5. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) ESP32 Series Datasheet (topic 4.1.2), the ADC Anna Richelli (2016). EMI susceptibility Issue in characteristics shows the maximum sampling Analog Front-End for Sensor Applications. rates. Journal of Sensors M. S. Grewal, A. P. Andrews, (2001). Kalman Filtering – Theory and Practice Using MATLAB. Wiley. 28