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作者：張毅

   1嵌入式PLC系統(tǒng)整體架構(gòu)

風(fēng)電場(chǎng)嵌入式PLC系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。按照功能，可將嵌入式PLC系統(tǒng)分為開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩大部分。

  開發(fā)系統(tǒng)采用德國3S公司開發(fā)的CoDeSys系統(tǒng)，基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)編寫嵌入式PLC系統(tǒng)應(yīng)用軟件，通過風(fēng)河公司的Tornado軟件實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件的編輯定制、調(diào)試，并編譯生成相應(yīng)的配置文件下載至運(yùn)行系統(tǒng)。運(yùn)行系統(tǒng)主要是硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，通過CAN接口、串行通信口、網(wǎng)絡(luò)通信口等接口與外圍設(shè)備實(shí)時(shí)通信，系統(tǒng)啟動(dòng)后，會(huì)按照要求完成整個(gè)系統(tǒng)的配置與初始化，然后運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)核Runtime System，以一定周期循環(huán)讀取輸入通道的值，執(zhí)行控制算法后，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)，控制外圍設(shè)備。

2  自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

  目前使用的非標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)是為了滿足嵌入式PLC系統(tǒng)研發(fā)人員進(jìn)行模塊測(cè)試的需要而設(shè)計(jì)的臨時(shí)測(cè)試解決方案，存在許多缺陷，隨著市場(chǎng)開拓、產(chǎn)品需求量的增加，必將對(duì)測(cè)試人員的熟練度、測(cè)試工藝、測(cè)試全面性以及測(cè)試周期等提出更高的要求，而現(xiàn)有的測(cè)試工作狀態(tài)將會(huì)成為限制產(chǎn)品產(chǎn)能的一個(gè)重要因素。因此，實(shí)現(xiàn)嵌入式PLC系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試勢(shì)在必行。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由待測(cè)嵌入式PLC系統(tǒng)、程控儀器、上位機(jī)、測(cè)試程序集一起構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，通過上位機(jī)控制程控儀器輸出激勵(lì)信號(hào)，獲取模塊狀態(tài)，讀取輸入輸出數(shù)據(jù)在可視化界面上進(jìn)行顯示，同時(shí)將測(cè)試結(jié)果以表格形式輸出。

3數(shù)字濾波技術(shù)

  在嵌入式PLC系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試過程中，要保證精度與效率，實(shí)現(xiàn)整體動(dòng)態(tài)測(cè)試并支持環(huán)境測(cè)試，必須對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，尤其是對(duì)溫度、液位、流量、壓力等在通過傳感器獲取時(shí)輸入與輸出呈非線性關(guān)系的信號(hào)必須進(jìn)行濾波，以消除或減少噪聲和干擾信號(hào)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。要過濾掉這些噪聲和干擾信號(hào)，可以采用硬件濾波電路與數(shù)字濾波技術(shù)。硬件濾波需要在硬件電路中加入濾波器，還需進(jìn)行阻抗匹配；數(shù)字濾波技術(shù)以軟件算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，方便靈活，可靠穩(wěn)定，功能強(qiáng)大，通過修改程序就可以調(diào)整濾波方法和濾波參數(shù)，而不需要增加其他硬件設(shè)備，因此在嵌入式PLC系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試中采用數(shù)字濾波技術(shù)在數(shù)據(jù)進(jìn)入處理器之前對(duì)其進(jìn)行過濾。

3.1  現(xiàn)有濾波算法

3.1.1  算術(shù)平均濾波

算術(shù)平均濾波是對(duì)一個(gè)輸入項(xiàng)連續(xù)進(jìn)行N(N一4～12)次數(shù)據(jù)采樣，獲得N個(gè)采樣數(shù)據(jù)X，(1≤i≤N)，尋找與各采樣值之間方差之和最小的Y，如式(1)所示：

求極值可得：

  式(2)即為算術(shù)平均濾波，對(duì)N個(gè)采樣數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值作為當(dāng)前項(xiàng)的采樣值。該方法適用于過濾隨機(jī)干擾信號(hào)，對(duì)脈沖干擾抑制能力弱，濾波周期長，處理速度比較慢。

3.1.2加權(quán)平均濾波

加權(quán)平均濾波是在算術(shù)平均濾波的基礎(chǔ)上改變每次采樣的權(quán)重，數(shù)據(jù)越靠近當(dāng)前時(shí)刻，所占的權(quán)重越高。N次加權(quán)平均濾波算法表示為：

其中：C．為權(quán)值系數(shù)，且有：

  加權(quán)平均濾波比算術(shù)平均濾波靈敏度高‘陽，但是同樣存在周期過長、效率低的缺點(diǎn)，且運(yùn)算量更大，權(quán)值不容易確定。

3.1.3滑動(dòng)平均濾波

滑動(dòng)平均濾波是先緩沖一個(gè)固定寬度為N的數(shù)據(jù)隊(duì)列，然后每獲取一個(gè)數(shù)據(jù)，將新數(shù)據(jù)插入隊(duì)尾，同時(shí)丟棄原處于隊(duì)首的數(shù)據(jù)，對(duì)新的N個(gè)數(shù)據(jù)求平均得到新的濾波值：

滑動(dòng)平均濾波流程如圖2所示。滑動(dòng)平均濾波數(shù)據(jù)處理速度快，能夠進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，可以抑制周期性的干擾，但對(duì)脈沖干擾作用很弱。

3.1.4  中值濾波

中值濾波是對(duì)一個(gè)輸入項(xiàng)進(jìn)行N次連續(xù)采樣，采用冒泡法對(duì)N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，取N/2的整數(shù)部分為k，計(jì)算求值：

  中值濾波可以過濾偶然波動(dòng)和不穩(wěn)定脈沖干擾。

3.1.5  程序判斷濾波

程序判斷濾波主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)連續(xù)兩次采樣值之間的差值與設(shè)定的最大偏差值A(chǔ)Y進(jìn)行比較，如果兩次采樣值之差大于最大偏差值A(chǔ)Y，則將該采樣值丟棄；若差值小于最大偏差值A(chǔ)Y，則取本次采樣值：

  程序判斷濾波簡(jiǎn)單快捷，只需判斷相鄰兩次采樣值之差與最大偏差的大小，對(duì)突發(fā)的尖脈沖有明顯的抑制作用，但使用程序判斷濾波會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，不好設(shè)定臨界最大偏差值。

3.1.6   -階滯后濾波

一階滯后濾波屬于動(dòng)態(tài)濾波算法，能夠彌補(bǔ)模擬濾波器隨著時(shí)間常數(shù)的增大，誤差和體積也隨著增加的缺點(diǎn)。其表達(dá)式為：

其中：XN為第N次采樣值；YN為濾波后的輸出值；YN-,為前一次的濾波輸出值；a為濾波系數(shù)；r為時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期。

3.1.7去極值濾波

去極值濾波結(jié)合了算術(shù)平均濾波和中值濾波，它是對(duì)N個(gè)采樣值排序，丟棄最大和最小的兩個(gè)值，取剩下的N-2個(gè)值的算術(shù)平均值作為濾波值，表示為：

  去極值濾波既可以抑制干擾脈沖，又可以加強(qiáng)控制，但是由于計(jì)算量大，速度比較慢，占用芯片資源多。

3.2  改進(jìn)濾波算法

  前面提及的濾波算法在一般工業(yè)場(chǎng)合已經(jīng)適用，但嵌入式PLC系統(tǒng)模塊眾多，信號(hào)種類多，采集的任何信號(hào)受到干擾都可能影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制精度，甚至導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障、停機(jī)、損壞。風(fēng)力發(fā)電機(jī)造價(jià)高，任何一點(diǎn)故障都會(huì)直接帶來經(jīng)濟(jì)損失，因此在自動(dòng)測(cè)試的過程中不能依靠某種現(xiàn)有的通用濾波算法，必須根據(jù)實(shí)際情況對(duì)濾波算法進(jìn)行修改與改進(jìn)，以提高算法的靈敏度與平滑度，為測(cè)試提供高效、精確的數(shù)據(jù)來源。

通過分析現(xiàn)有濾波算法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合嵌入式PLC系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試要求，改進(jìn)后的濾波算法綜合了滑動(dòng)平均濾波、算術(shù)平均濾波以及去極值濾波的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)精確濾波。首先建立一個(gè)緩沖隊(duì)列，在隊(duì)列未達(dá)到滿員時(shí)，采集一個(gè)數(shù)據(jù)立即輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，高效保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，避免像算術(shù)平均濾波那樣多次采集才進(jìn)行一次濾波；當(dāng)緩沖隊(duì)列達(dá)到滿員后，每采集一個(gè)數(shù)據(jù)就將數(shù)據(jù)插入隊(duì)尾，并丟棄隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，保持隊(duì)列長度固定；然后排序判斷隊(duì)列里的最大值與最小值，并排除這兩個(gè)值，對(duì)隊(duì)列剩下的數(shù)據(jù)執(zhí)行去極值濾波算法，輸出濾波后的數(shù)據(jù)。改進(jìn)的濾波算法流程如圖3所示，既可以抑制隨機(jī)干擾信號(hào)與周期性干擾信號(hào)，又可以削弱脈沖干擾，強(qiáng)化控制，同時(shí)數(shù)據(jù)處理速度快，高效準(zhǔn)確。

4測(cè)試實(shí)驗(yàn)

  嵌入式PLC系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試過程中，對(duì)每一項(xiàng)測(cè)試的處理數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)隊(duì)列長度可取20。在數(shù)據(jù)長度不大的情況下采用什么算法進(jìn)行排序影響不大，在改進(jìn)后的數(shù)字濾波算法中采用的是冒泡法。

由于嵌入式PLC系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目較多，這里以模擬量輸入輸出模塊±10 V輸入進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在未采用改進(jìn)的數(shù)字濾波算法之前，盡管硬件上采取了隔離措施，在靜電脈沖干擾下輸入信號(hào)波形如圖4所示；采用數(shù)字濾波算法后輸入信號(hào)波形見圖5。對(duì)比一下波形可以明顯看出，使用濾波算法前靜電脈沖干擾下輸入信號(hào)不穩(wěn)定，出現(xiàn)局部失真；使用濾波算法后輸入信號(hào)波形變得穩(wěn)定、平滑，已將靜電脈沖干擾信號(hào)過濾掉，更加接近于真實(shí)值，濾波效果理想，采樣速度滿足測(cè)試系統(tǒng)要求。

5結(jié)語

本文通過分析7種常用數(shù)字濾波算法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合嵌入式PLC系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試要求，提出一種改進(jìn)的數(shù)字濾波算法。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)的數(shù)字濾波算法能夠改善嵌入式PLC系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試中的數(shù)據(jù)采集性能，提高了測(cè)量精度，為嵌入式PLC系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試提供高效、精確的數(shù)據(jù)來源。

6摘要：嵌入式PLC系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試是對(duì)嵌入式PLC系統(tǒng)進(jìn)行全面的功能、性能測(cè)試，以保證嵌入式PLC系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字濾波算法決定了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的速度和精度，是自動(dòng)測(cè)試中信號(hào)采集最重要的部分。在介紹了嵌入式PLC系統(tǒng)整體架構(gòu)以及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成后，分析了現(xiàn)有濾波算法的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合嵌入式PLC系統(tǒng)的測(cè)試要求，修改與改進(jìn)了一種濾波算法，為測(cè)試提供了精確、高效的數(shù)據(jù)來源。