如果要實(shí)時(shí)地采樣一個(gè)按鈕、光開(kāi)關(guān)、壓力、化學(xué)或其它傳感器，需要以多高的速率來(lái)對(duì)輸入進(jìn)行采樣呢？本文給出了為模擬傳感器確定適當(dāng)采樣速率的一種工程方法，它根據(jù)處理器使用率、控制速率或決策算法以及硬件限制等具體應(yīng)用情況，確定在計(jì)算所得到的范圍中怎樣才能選擇最佳的采樣速率。

    要實(shí)時(shí)地采樣一個(gè)按鈕、光開(kāi)關(guān)、分解器、壓力、化學(xué)或其它傳感器，需要以多高的速率來(lái)對(duì)輸入進(jìn)行采樣呢？是間隔10ms還是30ms?怎樣才知道最佳速率是多少呢？我曾問(wèn)一位工程師在某個(gè)應(yīng)用中最佳的采樣速率是多少，他回答5ms。至于原因，他說(shuō)：“因?yàn)樵谶@個(gè)速率下應(yīng)用能夠工作，我們花了幾天時(shí)間來(lái)測(cè)試各種采樣速率，只有這個(gè)速率能很好地工作。”

    在另一個(gè)應(yīng)用中，說(shuō)明書列出了一個(gè)采樣速率，這是根據(jù)一個(gè)類似應(yīng)用得到的。在說(shuō)明書上規(guī)定這個(gè)數(shù)值使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員喪失了任何靈活性。如果事實(shí)上這個(gè)速率不是應(yīng)用的最佳采樣速率該怎么辦呢？如果新的軟件看來(lái)能夠在規(guī)定的采樣速率下工作，那么在應(yīng)用的整個(gè)生命周期中，這個(gè)速率將很可能將一直固定不變。只有在當(dāng)采樣軟件不能工作時(shí)，采樣速率才可能會(huì)受到懷疑。

    為什么要采用試探糾錯(cuò)法？
                
    在能夠采用科學(xué)和數(shù)學(xué)的方法時(shí)，為什么還要通過(guò)試探糾錯(cuò)法來(lái)確定采樣速率呢？本文將詳細(xì)討論一個(gè)更為有效的簡(jiǎn)單過(guò)程。利用特別的方法選擇采樣速率會(huì)帶來(lái)幾個(gè)問(wèn)題。

    首先，對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用，不應(yīng)該花費(fèi)幾天的時(shí)間通過(guò)試探糾錯(cuò)試驗(yàn)來(lái)確定恰當(dāng)?shù)牟蓸铀俾省Ｈ绻苓M(jìn)行系統(tǒng)的工程分析，只需少量的實(shí)驗(yàn)便可得出正確的答案。

    其次，“最佳”的定義是什么？某個(gè)應(yīng)用的最佳答案對(duì)于另一個(gè)應(yīng)用未必也是最佳答案。試探糾錯(cuò)法常用來(lái)確定采樣速率，而且測(cè)試是在只包含了傳感器采樣程序的最小系統(tǒng)(而非完整系統(tǒng))上進(jìn)行的。本文開(kāi)始時(shí)所提到的那個(gè)工程師選擇“5ms”的采樣間隔，他的程序是為一個(gè)需要去抖動(dòng)處理的按鈕開(kāi)關(guān)所編寫的。通過(guò)測(cè)試，他最終選擇了5ms的查詢間隔時(shí)間，因?yàn)檫@時(shí)系統(tǒng)不會(huì)把單次按壓誤記為雙次按壓，另一方面這個(gè)間隔也足夠短，不至于把一個(gè)真正的雙次按壓誤認(rèn)為抖動(dòng)。

    事實(shí)上，5ms的查詢時(shí)間對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)或許可以接受，但在考慮其它因素(特別是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng))之前，很難斷定它是否是最佳選擇。

    例如，如果處理器負(fù)擔(dān)過(guò)重，而5ms一次的采樣需要占用CPU 40％的能力時(shí)怎么辦呢？一種選擇是將采樣間隔時(shí)間增加到10ms，這樣可以把對(duì)CPU的占用率降低一半，另一種選擇是以半速執(zhí)行控制程序。從系統(tǒng)的角度看，哪一種方案更好呢？或者更重要的是，在采樣占用的資源與采樣對(duì)處理器使用的影響，以及實(shí)時(shí)調(diào)度能力和優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)換等其它因素之間是否有一個(gè)很好的折衷呢？

在選擇采樣速率時(shí)，通常有幾個(gè)供選擇的目標(biāo)，如：

* 盡可能快地采樣，以獲得最高的精度；
* 盡可能慢地采樣，以節(jié)省處理器的時(shí)間；
* 采樣速率足夠低，使噪聲對(duì)輸入信號(hào)的影響不大；
* 采樣速率足夠高，以提供足夠的響應(yīng)時(shí)間；
* 采樣速率是控制算法頻率的倍數(shù)，以便將抖動(dòng)降到最低。

    事實(shí)上，沒(méi)有任何答案能夠最佳地適合所有系統(tǒng)，但在針對(duì)某個(gè)特定應(yīng)用和目標(biāo)硬件的特性時(shí)，通常有一個(gè)答案比其它大多數(shù)答案更好。

    本文將示范如何結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)學(xué)分析，系統(tǒng)地確定一組較好的采樣速率，并討論當(dāng)應(yīng)用的實(shí)時(shí)要求給定時(shí)，如何從這組采樣速率中選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)臄?shù)值。

    以下是一種確定采樣速率的系統(tǒng)方法：

1． 測(cè)量應(yīng)用的傳感器特性；
2． 如果輸入信號(hào)中包含噪聲，選擇一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波的算法；
3． 根據(jù)其功能計(jì)算出采樣速率的上限和下限；
4． 分析采用上限和下限采樣速率時(shí)對(duì)各種性能的影響；
5． 區(qū)分各種影響的輕重主次，在計(jì)算出的上限和下限之間確定一個(gè)適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾省?

    為了設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)秀的解決方案，這種方法結(jié)合了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和對(duì)應(yīng)用需求的分析理解。雖然此方法可用于大多數(shù)類型的傳感器，但本文將集中討論模擬輸入傳感器。

    模擬輸入傳感器

    模擬輸入傳感器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)為處理器提供數(shù)據(jù)。采樣速率是指單位時(shí)間內(nèi)從ADC讀取數(shù)據(jù)并傳遞給使用該數(shù)據(jù)的其它應(yīng)用部件的次數(shù)。采樣速率直接影響輸入信號(hào)的時(shí)間分辨率，其方式與ADC的位數(shù)對(duì)空間分辨率的影響大