低通滤波器在数据采集系统中的应用

孙双双，杨衍舒，王云，张志强，韩立

（航空工业洪都，江西南昌330024）

低通滤波器在数据采集系统中的应用

孙双双，杨衍舒，王云，张志强，韩立

（航空工业洪都，江西南昌330024）

针对飞行训练模拟器数据采集系统中的噪声干扰问题，将低通滤波器应用于飞行训练模拟器的数据采集系统中，并详细介绍了该数据采集系统的工作过程。测试结果表明，低通滤波器的应用，可提高数据采集系统的采集精度和稳定性，增强系统的抗干扰能力。

数据采集；低通滤波器

0 引言

数据采集技术主要是以传感器、信号测量和处理、计算机控制等技术为基础而形成的一门综合应用技术，主要用于研究数据采集、存储、处理以及控制等[1,2]。

飞行训练模拟器数据采集系统的开发是研制飞行训练模拟器的一个重要内容，是整个飞行训练模拟器系统中一项关键技术。飞行训练模拟器数据采集系统主要采集飞机模拟座舱设备的离散量、传感器模拟量以及座舱控制盒的CAN总线数据。

在飞行训练模拟器数据采集系统中，内噪声（如直流电源噪声）和外噪声（如现场的继电器、变压器的电磁感应）会影响操纵杆传感器信号的采集精度[3]。当干扰信号频率高于被检测信号频率时，可采用低通滤波器对信号进行滤波处理。

本文将低通滤波器应用于飞行训练模拟器的数据采集系统，采用二阶巴特沃斯滤波器算法对数据采集系统采集到的操纵杆传感器信号进行去噪处理。将低通滤波器应用于飞行训练模拟器的数据采集系统中，可进行实时滤波处理，效果良好。

1 低通滤波原理

滤波，本质上是从一个资料序列中或从一个方程组的解中去掉不需要的振荡分量的过程，其主要作用是让有用信号尽可能无衰减地通过，对无用信号尽可能大地衰减。按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器4种，其中低通滤波允许信号中的低频信号通过，抑制高频干扰和噪声。滤波技术可以从中心向两侧对称过滤信号，不会使数据序列相发生变化。

低通滤波属于一种从中心项向两侧对称的滤波技术，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。

在飞行训练模拟器的数据采集系统中，需要滤波器具有非常好的幅频特性。巴特沃斯滤波器[4]是一种最基本的逼近函数，它的特点是幅频特性最平坦，因此选定这一滤波器。

巴特沃斯滤波器随阶数增加滤波效果增强，但花费时间增长，数据采集系统设计中实时性很重要，因而阶数不能太高。

当滤波器的截止频率固定，采样频率一定时，提高低通滤波器阶数，滤波效果基本相同，所需的稳定时间变长，因此选择二阶巴特沃斯滤波器。

2 系统工作原理

应用低通滤波器的数据采集系统平台架构采用的新一代控制器——PAC控制器。PAC控制器的系统平台架构具有高度的模块化、智能化和分布式结构。

本文的PAC控制器系统平台采用APAX系列控制器，运行嵌入式WINCE系统。APAX系列控制器采用3个I/O模块和1个通信模块，包括控制器插槽Ⅰ中的APAX5095P通信模块，插槽Ⅱ中的APAX5017H模拟量采集模块，插槽Ⅲ和插槽Ⅳ中的APAX5040数字量采集模块。系统平台的硬件组成示意如图1所示。

3 软件设计与实现

数据采集系统的软件设计采用多线程设计，创建四个线程负责对两条CAN总线的数据进行接收和发送；创建两个线程对座舱设备的数字量和模拟量进行采集；创建两个线程负责对飞机性能仿真系统的网络数据进行接收和发送，具体实现方式采用的是在WINCE操作系统上的UDP网络通讯协议。

应用低通滤波器的数据采集系统总体流程如图2所示。

在模拟量采集线程中，从传感器采集到的值是电压值，首先将采集到的传感器电压值转换为相应飞行参数的物理量，然后使用低通滤波器算法对转换后的飞行参数物理量进行滤波处理。

4 试验结果

为验证应用低通滤波器的数据采集系统的抗噪声干扰能力，在某型飞行训练模拟器上进行测试工作，分别采集二阶低通滤波处理前后的4个传感器模拟量数据，分辨率为12位，采样率为每通道100采样点/秒。测试数据为某型飞行训练模拟器的4个传感器物理量，即横向操纵杆传感器物理量、航向操纵杆传感器物理量、纵向操纵杆传感器物理量、油门杆传感器物理量。

测试结果如图3～图6所示。

上述测试结果数据图中，红色曲线表示未经滤波器处理的数据曲线；蓝色曲线表示经滤波器处理的数据曲线。

由图3～图6可知，未使用低通滤波器处理的传感器物理量数据，由于模拟器座舱内噪声的干扰，采集到的物理量有跳跃现象；经过低通滤波器处理后，高频部分被滤除，数据无跳跃现象且更加平滑，达到设计要求。将低通滤波器应用于飞行训练模拟器的数据采集系统中，可进行实时滤波处理，效果良好。

5 结语

本文根据数据采集系统的采集流程和数据特点，将低通滤波器应用于某型飞行训练模拟器的数据采集系统中，选用该飞行训练模拟器的纵、横、航三个方向操纵杆传感器数据和油门杆传感器数据作为试验数据，验证所采用的二阶低通滤波器算法的效果。试验结果表明，低通滤波器的应用不仅提高了数据采集系统的采集精度和稳定性，而且增强了系统的抗干扰能力。

[1]任家富，陶永莉.数据采集与总线技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008.

[2]何宏，张金州，张志宏.基于GPIB接口数据采集系统的设计[J].2014,30(1):30-33.

[3]韩文卿.数据采集系统抗干扰措施.中国航空科技文献.

[4]王文渊.信号与系统[M].北京:清华大学出版社，2008.

Application of Low Pass Filter in Data Acquisition System

Sun Shuangshuang,Yang Yanshu,Wang Yun,Zhang Zhiqiang,Han Li
(A灾IC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi 330024)

Aiming at noise interference issue on data acquisition system of flight training simulator,low pass filter is used in the data acquisition system of flight training simulator,and the operating process of this system is detailed.Test result shows that the application of low pass filter can improve acquisition accuracy and stability of data acquisition system,and enhance anti-interference ability of the system.

Data acquisition；Low pass filter

2017-08-03）

>>>作者简介 孙双双，女，1987年10月出生。2013年毕业于哈尔滨工程大学，工程师，现从事飞机仿真技术研究和飞行训练模拟器设计工作。