信号采集方法和设备

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种信号采集方法和设备。

背景技术

通过信号采集设备采集模拟信号或数字信号的技术是已知的。现有的信号采集技术常常会受到各种噪声的干扰，这些干扰包括共模干扰和差模干扰等等。现有的去除干扰的方法往往需要较大的计算开销或设备成本。

发明内容

为了解决上述问题，本发明致力于提供一种信号采集方法和设备，其能够以较低的计算开销和设备成本实现较好的噪声滤除效果。

在一方面，本发明提供一种信号采集方法，包括：通过采集电路采集受到干扰的信号，并通过伪采集电路采集干扰信号；对受到干扰的信号和干扰信号进行相减运算，得到消除干扰的信号。

根据本发明的一个具体实施例，在通过采集电路采集受到干扰的信号，并通过伪采集电路采集干扰信号之前，还包括：监测干扰信号。

根据本发明的一个具体实施例，在监测干扰信号之后，且在通过采集电路采集受到干扰的信号，并通过伪采集电路采集干扰信号之前，还包括：当监测到干扰信号时，降低采集电路的增益。

根据本发明的一个具体实施例，监测干扰信号，包括：通过伪采集电路监测干扰信号。

根据本发明的一个具体实施例，受到干扰的信号包括受到共模干扰的模拟信号，干扰信号包括共模干扰信号，消除干扰的信号包括消除共模干扰的模拟信号，采集电路包括第一模拟前端电路，伪采集电路包括与第一模拟前端电路结构相同的第二模拟前端电路。

在另一方面，本发明提供一种信号采集设备，包括：采集电路，采集电路用于采集受到干扰的信号；伪采集电路，伪采集电路用于采集干扰信号；处理器，处理器与采集电路和伪采集电路相连接，用于对受到干扰的信号和干扰信号进行相减运算，得到消除干扰的信号。

根据本发明的一个具体实施例，信号采集设备还包括：监测电路，监测电路用于监测干扰信号。

根据本发明的一个具体实施例，信号采集设备还包括：控制器，控制器与监测电路和采集电路相连接，用于在监测电路监测到干扰信号时，降低采集电路的增益。

根据本发明的一个具体实施例，伪采集电路进一步用于监测干扰信号。

根据本发明的一个具体实施例，受到干扰的信号包括受到共模干扰的模拟信号，干扰信号包括共模干扰信号，消除干扰的信号包括消除共模干扰的模拟信号，采集电路包括第一模拟前端电路，伪采集电路包括与第一模拟前端电路结构相同的第二模拟前端电路。

根据本发明的信号采集方法和设备，通过伪采集电路单独采集干扰信号，能够从干扰信号和有用信号相互叠加的混合信号中分离出干扰信号，从而允许通过相减运算将混合信号中的干扰信号部分去除，有效地避免或降低了干扰信号对有用信号的影响，提高了所采集的目标信号的信噪比。这种降低干扰的方法并不会给采集设备增加太多附加结构，也不会给计算单元增加太多计算开销，能够通过较低的成本实现去除干扰的目的。

附图说明

通过结合附图对本申请实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同或相似的部件，其中：

图1示出根据本发明一实施例的信号采集方法的流程图；

图2示出根据本发明一实施例的信号采集方法的流程图；

图3示出根据本发明一实施例的信号采集方法的流程图；

图4示出根据本发明一实施例的模拟前端电路的电路图；

图5示出根据本发明一实施例的信号采集设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更加清楚地理解本发明的概念和思想，以下结合具体实施例详细描述本发明。应理解，本文给出的实施例都只是本发明可能具有的所有实施例的一部分。本领域技术人员在阅读本申请的说明书以后，有能力对下述实施例的部分或整体作出改进、改造、或替换，这些改进、改造、或替换也都包含在本发明要求保护的范围内。

在本文中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。在本文中，术语“一”、“一个”和其它类似词语并不意在表示只存在一个所述事物，而是表示有关描述仅仅针对所述事物中的一个，所述事物可能具有一个或多个。在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“A包括B”意在表示在逻辑上B属于A，而不表示在空间上B位于A的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“A包括B”意在表示B属于A，但是B不一定构成A的全部，A还可能包括C、D、E等其它元素。

在本文中，术语“实施例”、“本实施例”、“一实施例”、“一个实施例”并不表示有关描述仅仅适用于一个特定的实施例，而是表示这些描述还可能适用于另外一个或多个实施例中。本领域技术人员应理解，在本文中，任何针对某一个实施例所做的描述都可以与另外一个或多个实施例中的有关描述进行替代、组合、或者以其它方式结合，所述替代、组合、或者以其它方式结合所产生的新实施例是本领域技术人员能够容易想到的，属于本发明的保护范围。

在本发明各实施例中，信号可以是指表示消息的物理量。例如，电信号可以通过幅度、频率、相位的变化来表示不同的消息。电信号包括模拟信号和数字信号。在一些实施例中，信号是运载消息的工具，是消息的载体。从广义上讲，信号包括光信号、声信号和电信号等。按照实际用途区分，信号包括电视信号、广播信号、雷达信号，通信信号等。按照所具有的时间特性区分，信号包括确定性信号和随机性信号等。

在本发明各实施例中，信号采集可以是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号，再送到上位机中进行分析、处理。被采集的信号可以是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。在一些实施例中，采集可以通过采样方式进行，即隔一定时间(采样周期)对同一点数据重复采集，采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。

以下结合图1描述根据本发明一实施例的信号采集方法。

根据本实施例，信号采集方法100包括：

S110，通过采集电路采集受到干扰的信号，并通过伪采集电路采集干扰信号；

S120，对受到干扰的信号和干扰信号进行相减运算，得到消除干扰的信号。

根据本实施例的信号采集方法，通过伪采集电路单独采集干扰信号，能够从干扰信号和有用信号相互叠加的混合信号中分离出干扰信号，从而允许通过相减运算将混合信号中的干扰信号部分去除，有效地避免或降低了干扰信号对有用信号的影响，提高了所采集的目标信号的信噪比。这种降低干扰的方法并不会给采集设备增加太多附加结构，也不会给计算单元增加太多计算开销，能够通过较低的成本实现去除干扰的目的。

在一实施例中，采集电路可以是指能够采集信号的电路。在一实施例中，采集电路可以包括传感器、模拟前端、调理通道(用于实现信号的衰减、放大、隔离、滤波等功能)、数模转换器等组成部分。在一实施例中，采集电路可以仅包括模拟前端的电路。

在一实施例中，通过采集电路采集受到干扰的信号，可以是指，将采集电路与目标信号的信号源连接，实时采集目标信号源发来的信号；当目标信号源受到干扰，其发来的信号中含有有用信号和干扰信号的叠加信号时，采集电路采集叠加信号。

在一实施例中，伪采集电路(即dummy采集电路，也可以称作傀儡采集电路、虚拟采集电路等)可以是指同样具有采集信号的功能的电路，但是该电路却不用于采集目标信号，而是用于其他用途，例如用于占位、采集干扰信号等。在一实施例中，伪采集电路可以具有与采集电路完全相同的结构，只是在电路中的位置不一样，或者其连接的信号源不一样。在一实施例中，伪采集电路可以具有与采集电路不同的结构，但是其具有与采集电路完全一样的对干扰信号的接收能力，并且其接收到的干扰信号的幅值与采集电路接收到的干扰信号的幅值完全相同。在一实施例中，采集电路和伪采集电路同时开启和工作。

在一实施例中，通过伪采集电路采集干扰信号，可以是指，伪采集电路的输入端与干扰源相连接，使得伪采集电路采集到的信号为干扰信号；也可以是指，伪采集电路与采集电路均与目标信号源相连接，采集电路采集有用信号与干扰信号相叠加的叠加信号，伪采集电路通过技术手段仅采集叠加信号中的干扰信号。

在一实施例中，相减运算可以是指，将两个物理量，无论是连续的物理量还是离散的物理量，按照一定的前提条件(例如选取相同时刻所采集到的物理量)，对其数值进行相减，所得到的结果为相减运算的结果。

在一实施例中，对受到干扰的信号和干扰信号进行相减运算，得到消除干扰的信号，可以是指，在一个相同时间段内同时获取受到干扰的信号和干扰信号，将该时间段内的每个时刻所采集到的受干扰信号的信号值减去所采集到的干扰信号的信号值，从而得出这个时间段内的有用信号的信号值。

以下结合图2描述根据本发明的另一实施例，本实施例是图1实施例的一个具体实例，可以包括上述所有实施例中的一个或多个实施例中的一个或多个特征。

根据本实施例的信号采集方法200包括：

S210，监测干扰信号；

S220，通过采集电路采集受到干扰的信号，并通过伪采集电路采集干扰信号；

S230，对受到干扰的信号和干扰信号进行相减运算，得到消除干扰的信号。

根据本实施例，通过监测干扰信号，能够判断干扰信号出现的时间，从而在干扰信号出现的时候进行去除干扰信号的操作，包括开启伪采集电路、进行相减运算等，在干扰信号尚未出现时不启动干扰信号的去除操作，这样一来，有利于节省能量消耗和处理器的计算开销。

在一实施例中，监测可以是指实时保持对目标物体或物理量的检测状态，从而能够随时发现目标物体或物理量的异常情况。在一实施例中，监测干扰信号，可以是指，当信号源中产生干扰信号时，监测电路或装置能够发现干扰信号的存在，并将这一点报告给处理器或上位机，使得处理器或上位机能够根据存在干扰信号这一事实，产生相应的操作或反应。

在一实施例中，监测干扰信号可以通过硬件实现。例如，可以通过模拟前端电路(参见图4)来监测干扰信号，特别是共模干扰信号。该模拟前端电路的输入端与干扰信号源(例如大地或电源)连接，当输出端输出的信号为0时，判定没有干扰信号，当输出端输出的信号不为0时，判定有干扰产生。在一实施例中，监测干扰信号可以通过软件实现。例如，事先设定明确会产生干扰的场景，例如充电状态。当监测软件发现设备处于事先确定的明确场景中(例如正在充电)，则判断会产生干扰信号。还可以通过其它方式实现对干扰信号的监测。

以下结合图3描述根据本发明的另一实施例，本实施例是图1实施例的一个具体实例，可以包括上述所有实施例中的一个或多个实施例中的一个或多个特征。

根据本实施例的信号采集方法300包括：

S310，监测干扰信号；

S320，当监测到干扰信号时，降低采集电路的增益；

S330，通过采集电路采集受到干扰的信号，并通过伪采集电路采集干扰信号；

S340，对受到干扰的信号和干扰信号进行相减运算，得到消除干扰的信号。

根据本实施例，通过在监测到干扰信号时降低采集电路的增益，有利于增大采集电路对信号的接收范围，避免干扰信号和有用信号的叠加超出了采集电路能够采集的信号的范围，从而失去对信号的接收和过滤能力。

在一实施例中，增益可以是指对元器件、电路、设备或系统，其电流、电压或功率增加或放大的程度。在一实施例中，增益包括天线增益、放大器增益、功率增益、环路增益等等。天线增益可以是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。放大器增益可以是指放大器输出功率与输入功率比值的对数，用以表示功率放大的程度。功率增益可以是指一个电路里输出功率和输入功率的比例。环路增益可以是指反馈回路中的总增益，以比例或是分贝表示。

在一实施例中，当监测到干扰信号时，降低采集电路的增益，可以是指，在监测单元监测到干扰信号已经混入有用信号中，或者单独监测到干扰信号在信号源中产生时，降低采集电路对所采集的信号的放大倍数。例如，当采集电路中包括放大器(例如运算放大器)时，可以通过与放大器的输入端和输出端分别电连接的反馈电容降低放大器的放大倍数，从而降低采集电路的增益。

以下描述根据本发明的另一实施例，本实施例是图2实施例的一个具体实例，可以包括上述所有实施例中的一个或多个实施例中的一个或多个特征。

在本实施例中，S210包括：

通过伪采集电路监测干扰信号。

根据本实施例，伪采集电路既能够采集干扰信号，又能够监测干扰信号，在伪采集电路监测到干扰信号时同时启动针对干扰信号的采集操作，这样通过一个器件实现两种功能，节省了设备资源，简化了电路布置，有利于降低整个设备的制造成本。

在一实施例中，通过伪采集电路监测干扰信号，可以是指，伪采集电路在平常工作状态作为监测装置实时监测信号源传来的信号中是否含有干扰信号；在监测到干扰信号时，伪采集电路同时承担监测干扰信号和采集干扰信号的功能，将采集到的干扰信号发送给后端的处理装置或控制装置进行识别、处理和运算；一旦接收不到干扰信号，则停止承担采集干扰信号的功能，不再将任何信号发送至处理装置或控制装置，同时保持监测干扰信号的功能不变，以便在下次监测到干扰信号时再启动采集干扰信号的工作。

以下结合图4描述根据本发明的另一实施例，本实施例是图1实施例的一个具体实例，可以包括上述所有实施例中的一个或多个实施例中的一个或多个特征。

根据本实施例，受到干扰的信号包括受到共模干扰的模拟信号，干扰信号包括共模干扰信号，消除干扰的信号包括消除共模干扰的模拟信号，采集电路包括第一模拟前端电路，伪采集电路包括与第一模拟前端电路结构相同的第二模拟前端电路。

根据本实施例，本发明所采集和过滤的信号是模拟信号，所受到的干扰是共模干扰，用于采集信号的电路是模拟前端电路，这样的限定进一步明确了本发明技术方案的适用场景。实践证明，在本场景下，模拟前端电路针对模拟信号的采集，容易遭到共模干扰的影响，导致信号中出现噪声，而通过本发明的技术方案，能够通过伪采集电路的设置，有效分离出共模干扰信号，从而通过相减运算，消除或减少共模干扰的影响，使得采集到的模拟信号的信噪比进一步提高。

在一实施例中，模拟信号可以是指是指在时域上数学形式为连续函数的信号，与数字信号不同，后者采取分立的逻辑值，而模拟信号可以获取连续值。在一实施例中，模拟信号可以是指物理现象中被测量对变化的响应，例如声音、光、温度、位移、压强，这些物理量可以使用传感器测量。例如，对于电容式指纹识别模块，用于感测电极与手指表面之间的电压大小的采样元件(例如采样电容)所感测到的电压信号就是模拟信号。

在一实施例中，共模干扰可以是指干扰电压在信号线及其回线(一般称为信号地线)上的幅度相同的干扰。在一实施例中，电缆上产生共模干扰的原因可以是，外界电磁场在电缆中所有导线上感应出来的电压(这个电压相对于大地是等幅同相的)，这个电压产生电流；也可以是电缆两端的设备所接的地电位不同，在这个地电位的驱动下产生电流；还可以是，设备上的电缆与大地之间的电位差，这样电缆上会有共模电流。在一实施例中，具有指纹识别功能的设备(例如具有指纹识别模块的手机)在充电时，充电器会对该设备(特别是其指纹识别模块中的指纹信息采集电路和/或模拟前端电路)产生共模干扰。

在一实施例中，模拟前端(analog front end，AFE)可以是指用于处理信号源给出的模拟信号，对其进行数字化及分析处理的电路或装置。模拟前端可以具有的功能包括信号放大、频率变换、调制解调、邻频处理、电平调整与控制、信号混合等等。

参见图4，图4示出根据本实施例的模拟前端电路的电路结构示意图。

图4所示电路可以作为第一模拟前端电路或者第二模拟前端电路。在图4所示电路图中，当模拟前端作为正常工作的采集电路时，其输入端可以与信号源(例如对于指纹识别模块的模拟前端电路，信号源即是手指)相连接；当模拟前端作为伪采集电路或监测电路时，其输入端与大地(电路符号：GND)或电源(电路符号：VDD)相连接。在图4所示电路图中，电容CS为采样电容，用于采样；电容CF为反馈电容，其由可调电容构成，用于保持精确的增益；输入端VB连接偏置电压，用于给运算放大器(即中间的三角形部件)提供一个偏置电压，使运算放大器保持在正常的工作状态，一旦输入端有输入信号，则能够给运算放大器产生一个输入电压；运算放大器提供高增益放大和输出驱动能力。

在图4所示电路图中，输出端OUT的信号值(例如电压值)OUT＝IN*CS/CF。因此，对于该电路，减小采集电路的增益，可以通过增大电容值CF实现。

在利用图4所示电路构造采集电路(即模拟前端AFE)和伪采集电路(dummy AFE)的信号采集设备中，dummy AFE输出的信号为共模干扰SN1，正常工作的AFE输出的信号为共模干扰SN2和有用信号S的叠加。由于dummy AFE和正常工作的AFE同时工作，且二者具有相同的结构和信号传输通路，所以SN1≈SN2。因此，将正常工作的AFE和dummy AFE的输出信号做减法后，得到有用信号S，从而消除共模噪声的影响。

以下结合图5描述根据本发明一实施例的信号采集设备。

根据本实施例，信号采集设备500包括：采集电路510，采集电路510用于采集受到干扰的信号；伪采集电路520，伪采集电路520用于采集干扰信号；处理器530，处理器530与采集电路510和伪采集电路520相连接，用于对受到干扰的信号和干扰信号进行相减运算，得到消除干扰的信号。

根据本发明的信号采集设备，通过伪采集电路单独采集干扰信号，能够从干扰信号和有用信号相互叠加的混合信号中分离出干扰信号，从而允许通过相减运算将混合信号中的干扰信号部分去除，有效地避免或降低了干扰信号对有用信号的影响，提高了所采集的目标信号的信噪比。这种降低干扰的方法并不会给采集设备增加太多附加结构，也不会给计算单元增加太多计算开销，能够通过较低的成本实现去除干扰的目的。

在一实施例中，处理器可以是指用于解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据的器件。在一实施例中，处理器是计算设备中负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。在一实施例中，处理器可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制信号采集设备中的其他组件以执行期望的功能。

在一实施例中，处理器与采集电路和伪采集电路相连接，可以是指，处理器与采集电路电连接，使得采集电路所采集到的信号可以输出给处理器，并且处理器也与伪采集电路电连接，使得伪采集电路采集到的干扰信号也可以输出给处理器，处理器能够同时接收采集电路和伪采集电路传送来的信号(数字信号或模拟信号)，并对信号进行处理。

在一实施例中，处理器用于对受到干扰的信号和干扰信号进行相减运算，得到消除干扰的信号，可以是指，处理器内部具有计算单元，能够将接收到的受到干扰的信号和干扰信号做减法处理，使得受到干扰的信号中的噪声部分(干扰信号)被去除，从而提高信号的信噪比。

以下描述根据本发明的另一实施例，本实施例是图5实施例的一个具体实例，可以包括上述所有实施例中的一个或多个实施例中的一个或多个特征。

根据本实施例，信号采集设备500还包括：监测电路540，监测电路540用于监测干扰信号。

根据本实施例，通过设置监测电路，能够判断干扰信号出现的时间，从而在干扰信号出现的时候进行去除干扰信号的操作，包括开启伪采集电路、进行相减运算等，在干扰信号尚未出现时不启动干扰信号的去除操作，这样一来，有利于节省能量消耗和处理器的计算开销。

在一实施例中，监测电路可以是指具有监测干扰信号的出现的功能的电路。在一实施例中，监测电路可以是与采集电路或伪采集电路结构相同的电路，也可以是与之结构不同的电路。在一实施例中，监测电路可以有多个，伪采集电路也可以有多个。在一实施例中，监测电路的数量可以比伪采集电路的数量少。

在一实施例中，监测电路用于监测干扰信号，可以是指，监测电路仅具有监测干扰信号的功能；也可以是指，监测电路除了具有监测干扰信号的功能以外，还具有其它功能；还可以是指，监测电路是其它电路的一个模块，该其它电路具有多种功能，其中监测电路的模块具有监测干扰信号的功能。

以下描述根据本发明的另一实施例，本实施例是图5实施例的一个具体实例，可以包括上述所有实施例中的一个或多个实施例中的一个或多个特征。

根据本实施例，信号采集设备500还包括：控制器550，控制器550与监测电路540和采集电路510相连接，用于在监测电路540监测到干扰信号时，降低采集电路510的增益。

根据本实施例，通过设置控制器来控制采集电路，并在监测到干扰信号时降低采集电路的增益，有利于增大采集电路对信号的接收范围，避免干扰信号和有用信号的叠加超出了采集电路能够采集的信号的范围，从而失去对信号的接收和过滤能力。

在一实施例中，控制器可以是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电路中的特定元件或部件的主令装置。在一实施例中，控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算系统的操作。在一实施例中，控制器可以是指能够根据所接收到的信号的情况，判断信号所代表的信息，并根据这些信息作出相应反应的器件，这种反应能够使得与控制器相连的电路元件发生状态上的改变，从而影响其它电路中的元件或装置。

在一实施例中，控制器可以是图5实施例中的处理器的一个模块，也可以是独立于处理器的一个器件。

在一实施例中，控制器与监测电路和采集电路相连接，可以是指，控制器分别与监测电路和采集电路相连接，使得监测电路监测到的干扰信号能够发送至控制器，同时使得控制器能够对采集电路进行控制，例如控制采集电路中的一个或多个元件的状态。

在一实施例中，控制器用于在监测电路监测到干扰信号时，降低采集电路的增益，可以是指，控制器能够接收监测电路发来的信号，并能够根据监测电路发送的信号判断是否有干扰信号产生，如果判断结果是已有干扰信号产生，则控制器能够对采集电路进行控制，使其降低对信号的放大作用，从而使得采集电路能够接收更大范围的信号，避免受到干扰的信号超出了采集电路的接收范围。

以下描述根据本发明的另一实施例，本实施例是图5实施例的一个具体实例，可以包括上述所有实施例中的一个或多个实施例中的一个或多个特征。

根据本实施例，伪采集电路进一步用于监测干扰信号。

根据本实施例，伪采集电路同时具有采集干扰信号和监测干扰信号两种功能，从而能够在伪采集电路监测到干扰信号时同时启动针对干扰信号的采集操作。这样通过一个器件实现两种功能，节省了设备资源，简化了电路布置，有利于降低整个设备的制造成本。

在一实施例中，伪采集电路进一步用于监测干扰信号，可以是指，伪采集电路除了具有采集干扰信号的功能，还具有监测干扰信号的功能。在一实施例中，伪采集电路进一步用于监测干扰信号，可以是指，伪采集电路除了具有能够接收干扰信号并将干扰信号的信号值发送给后端的处理器或控制器的模块，还具有在平时一直开启并能够实时感测到干扰信号的到来的模块。

以上结合具体实施方式(包括实施例和实例)详细描述了本发明的概念、原理和思想。本领域技术人员应理解，本发明的实施方式不止上文给出的这几种形式，本领域技术人员在阅读本申请文件以后，可以对上述实施方式中的步骤、方法、装置、部件做出任何可能的改进、替换和等同形式，这些改进、替换和等同形式应视为落入在本发明的范围内。本发明的保护范围仅以权利要求书为准。