FB_CMA_ComplexFFT

Berechnung der schnellen Fouriertransformation (FFT) für komplex-wertige Eingangssignale.

Der Baustein FB_CMA_ComplexFFT berechnet die Fourier-Transformierte des am Baustein anliegenden komplex-wertigen Eingangssignals x[n]. Dabei wird ein performanter FFT-Algorithmus verwendet. Es ist möglich sowohl die Hin- als auch die Rücktransformation zu berechnen. Die Einstellung erfolgt über den Input stInitPars (siehe Ein- und Ausgänge).

Definition der Fourier-Hintransformation in DFT-Notation:

FB_CMA_ComplexFFT 1:

Definition der Fourier-Rücktransformation in DFT-Notation:

FB_CMA_ComplexFFT 2:

Die höchste Frequenz einer Komponente im Eingangssignal sollte maximal bei der halben Abtastrate des Eingangssignals liegen, damit Aliasing-Effekte vermieden werden.

Die FFT ist als Transformierte eines zyklisch fortgesetzten Signals definiert. Dies kann zur Feststellung von Sprüngen führen, sobald das zyklisch fortgesetzte Signal nicht exakt kontinuierlich, also am Anfang und am Ende gleich ist. Der Baustein FB_CMA_PowerSpectrum sowie FB_CMA_MagnitudeSpectrum vermeiden diese Schwierigkeiten durch eine Analyse in überlappenden, mit einer Fensterfunktion multiplizierten Abschnitten.

Skalierung

Zur messtechnisch quantitativen Auswertung des Spektrums ist das berechnete Spektrum mit 1/nFFT_Length für den Gleichanteil, also dem ersten Array-Element des Outputs, und mit 2/nFFT_Length für alle anderen Elemente des Outputs zu gewichten. Der Baustein skaliert bei der Hin-Transformation und der Rücktransformation derart, dass bei aufeinanderfolgender Hin- und Rücktransformation direkt das ursprüngliche Eingangssignal wieder am Ausgang berechnet wird.

NaN Vorkommnis

Falls der Eingangsvektor einen oder mehrere NaN (Not a Number)-Werte beinhaltet, wird der gesamte Ausgangsvektor mit NaN gefüllt. Siehe separates Kapitel für weitere Information über NaN Werte.

FB_CMA_ComplexFFT 3:

Behandlung von NaN-Werten

Falls die oben beschriebenen Situationen, welche zu NaN-Werten führen, nicht ausgeschlossen oder sicher vernachlässigt werden können, muss das Anwendungsprogramm diese Fehlerwerte behandeln.

Verhalten bei der Verarbeitung mehrkanaliger Eingangsdaten

Bei der Verarbeitung mehrerer Kanäle (nChannels > 1) besteht die Möglichkeit unterschiedlicher Rückgabewerte je Kanal. In diesem Fall können gesonderte Rückgabewerte am Funktionsbaustein abgefragt werden. Sind die Ergebnisse von einem oder mehreren Kanälen unzulässig, jedoch nicht alle Kanäle, dann entspricht der Wert am Baustein eCM_InfRTime_AmbiguousChannelResults. Sind die Ergebnisse aller Kanäle unzulässig, dann entspricht der Wert am Baustein eCM_ErrRTime_ErrornousChannelResults.

Die Abfrage einer Liste der Rückgabewerte aller Kanäle kann über die Methode GetChannelErrors()erfolgen.

Beispielimplementierung

Eine exemplarische Implementierung ist unter folgendem Link verfügbar: FFT mit komplex-wertigem Eingangssignal.

Ein- und Ausgänge

Die Ein- und Ausgangspuffer entsprechen einer der folgenden Definitionen (input / output shape). Die variablen Parameter sind Teil des Bausteineingangs stInitPars.

Varianten

Eingangspuffer (MultiArray input stream)
Elementtyp, Dimensionsanzahl, Dimensionsgrößen

Ausgangspuffer (MultiArray output stream)
Elementtyp, Dimensionsanzahl, Dimensionsgrößen

Standardvariante
(nChannels = 1)

LCOMPLEX, 1,
nFFT_Length

LCOMPLEX, 1,
nFFT_Length

Mehrkanalige Variante
(nChannels > 1)

LCOMPLEX, 2,
nChannels
 x nFFT_Length

LCOMPLEX, 2,
nChannels x nFFT_Length

Eingangsparameter

Die Eingangsparameter dieses Bausteins repräsentieren Initialisierungsparameter und müssen bereits bei der Deklaration der FB Instanz zugewiesen werden! (Alternativ: Init()-Methode). Sie dürfen nur einmalig zugewiesen werden. Eine Änderung zur Laufzeit ist nicht möglich.

VAR_INPUT
    stInitPars       : ST_CM_ComplexFFT_InitPars;       // init parameter
    nOwnID           : UDINT;                           // ID for this FB instance
    aDestIDs         : ARRAY[1..cCMA_MaxDest] OF UDINT; // IDs of destinations for output
    nResultBuffers   : UDINT := 4;                      // number of MultiArrays which should be initialized for results (0 for no initialization)
    tTransferTimeout : LTIME := LTIME#500US;            // timeout checking off during access to inter-task FIFOs
END_VAR

Ausgangsparameter

VAR_OUTPUT
    bError         : BOOL;                           // TRUE if an error occurs. Reset by next method call.
    hrErrorCode    : HRESULT;                        // '< 0' = error; '> 0' = info; '0' = no error/info
    ipErrorMessage : I_TcMessage := fbErrorMessage;  // Shows detailed information about occurred errors, warnings and more.
    nCntResults    : ULINT;                          // Counts outgoing results (MultiArrays were calculated and sent to transfer tray).
END_VAR
  • bError: Der Ausgang ist TRUE, falls ein Fehler auftritt.
  • hrErrorCode: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ HRESULT ausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
  • ipErrorMessage: Beinhaltet nähere Informationen zum aktuellen Rückgabewert. Siehe hierzu den Abschnitt Fehlerbeschreibung und Information. Für diesen speziellen Schnittstellenzeiger ist intern sichergestellt, dass er immer gültig/zugewiesen ist.

Methoden

Call():

Die Methode wird jeden Zyklus aufgerufen, um den Algorithmus auf die aktuellen Eingangsdaten anzuwenden. Der Baustein wartet auf Eingangsdaten, sofern die Methode weder neue Ergebnisse noch einen Fehler angibt. Dies ist ein reguläres Verhalten im Ablauf der Analysekette.

  • Rückgabewert: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ HRESULT ausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
METHOD Call : HRESULT
VAR_OUTPUT
    bNewResult   : BOOL;       // TRUE every time when outgoing MultiArray was calculated and sent to transfer tray.
    bError       : BOOL;       // TRUE if an error occurs.
    hrErrorCode  : HRESULT;    // '< 0' = error; '> 0' = info; '0' = no error/info
END_VAR
  • bError: Der Ausgang ist TRUE, falls ein Fehler auftritt.
  • hrErrorCode: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ HRESULT ausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert. Dieser Ausgang ist identisch zum Rückgabewert der Methode.
FB_CMA_ComplexFFT 4:

Falls ein Timeout eintritt oder kein MultiArray Puffer für das Ergebnis verfügbar ist, so gehen weder die Eingangsdaten noch die Ergebnisdaten verloren. Sie werden beim nächsten Aufruf weitergeleitet.

Init():

Üblicherweise ist diese Methode in einer Condition Monitoring Applikation nicht notwendig. Sie bietet eine Alternative zur Bausteininitialisierung. Die Init() Methode darf nur während der Initialisierungsphase der SPS aufgerufen werden. Sie kann nicht während der Laufzeit verwendet werden. Es sei auf die Verwendung von einer FB_init Methode oder dem Attribut 'call_after_init' hingewiesen (siehe TwinCAT SPS Referenz). Hiermit wird zudem die Bausteinkapselung erleichtert.

Die Eingangsparameter der Bausteininstanz dürfen nicht bei der Deklaration zugewiesen werden, falls die Initialisierung mit der Init() Methode erfolgen soll.

  • Rückgabewert: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ HRESULT ausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
METHOD Init : HRESULT
VAR_INPUT
    stInitPars     : ST_CM_ComplexFFT_InitPars;       // init parameter
    nOwnID         : UDINT;                           // ID for this FB instance
    aDestIDs       : ARRAY[1..cCMA_MaxDest] OF UDINT; // IDs of destinations for output
    nResultBuffers : UDINT := 4;                      // number of MultiArrays which should be initialized for results (0 for no initialization)
END_VAR

PassInputs():

Solange eine FB_CMA_Source Instanz aufgerufen wird und somit Signaldaten zu einem Zielblock übertragen werden, müssen wie in der API SPS Referenz erläutert alle weiteren Blöcke der Analysekette zyklisch aufgerufen werden.
Manchmal ist es sinnvoll, einen Algorithmus für eine bestimmte Zeit nicht auszuführen. Beispielsweise sollten manche Algorithmen nur nach vorherigem Training bzw. Konfiguration ausgeführt werden. Zwar muss der Funktionsbaustein dennoch zyklisch aufgerufen werden, aber es ist ausreichend, wenn die am Baustein ankommenden Daten im Kommunikationsring weitergeleitet werden. Dies geschieht mittels der Methode PassInputs() anstelle der Methode Call(). Hierbei wird der Algorithmus selbst nicht aufgerufen und entsprechend kein Ergebnis berechnet sowie kein Ausgangspuffer generiert.

  • Rückgabewert: Falls ein Fehler auftritt, wird ein entsprechender Fehlercode vom Typ HRESULT ausgegeben. Mögliche Werte sind in der Liste der Fehlercodes erläutert.
METHOD PassInputs : HRESULT
VAR_INPUT
END_VAR

GetChannelErrors():

Die Methode ermöglicht die Abfrage einer Liste der kanalspezifischen Rückgabewerte bei der Verarbeitung mehrerer Kanäle (nChannels > 1). Ein Aufruf ist sinnvoll für den Fall, dass der Rückgabewert des Bausteins einem der Werte eCM_InfRTime_AmbiguousChannelResults oder eCM_ErrRTime_ErrornousChannelResults entspricht.

  • Rückgabewert: Information über den Ausleseprozess der Liste der Fehlercodes. Der Wert wird auf TRUE gesetzt, falls die Abfrage erfolgreich war, FALSE anderenfalls.

    METHOD GetChannelErrors : BOOL
VAR_IN_OUT
    aChannelErrors : ARRAY[*] OF HRESULT;
END_VAR
  • aChannelErrors: Fehlerliste vom Typ HRESULT der Länge nChannels.

Ähnliche Funktionsbausteine

Der Baustein FB_CMA_RealFFT berechnet die Fouriertransformation eines reellwertigen Signals.

Der Baustein FB_CMA_PowerSpectrum berechnet das Leistungsspektrum eines fortlaufenden Zeitsignals.

Voraussetzungen

Entwicklungsumgebung

Zielplattform

Einzubindende SPS-Bibliotheken

TwinCAT v3.1.4022.25

PC or CX (x86, x64)

Tc3_CM, Tc3_CM_Base

FB_CMA_ComplexFFT 5:

Eingeschränkter Funktionsumfang bereits mit CM 3.1 verfügbar. Siehe Abschnitt Kompatibilität.