就像 P&ID 是气路的宪法一样，在信号处理领域，也有一个铁打的“五层金字塔”框架。我们将这个框架称为 “信号净化提纯流水线” 。

第一层：物理获取层 —— “原矿开采”

这一层负责把物理世界变成数字世界。核心原则是“保真”**。

• 输入： 光子、离子、电子（模拟量）。
• 动作：
  1. IV 转换 (TIA)： 把微弱电流变成电压（前放板的任务）。
  2. 量程匹配 (Auto-Ranging)： 如果信号太小，放大 100 倍；太大，放大 1 倍。确保 ADC 能吃饱，但不撑死。
  3. 过采样 (Oversampling)： 比如 ADC 是 1000Hz 采样的，我采 100 个点只取 1 个平均值。这能物理提升 ADC 的信噪比（每 4 倍过采样，增加 1 位分辨率）。
• 输出： Raw Counts (原始码值)。
  • 特征： 这通常是一个 0~65535 的整数，甚至可能是负数，没有任何物理单位，充满噪声。

第二层：清洗滤波层 —— “洗去泥沙”

这一层负责把噪声（Noise）去掉，留下信号（Signal）。核心原则是“时域与频域的结合”。

• 输入： 充满毛刺的 Raw Counts。
• 核心算法：
  1. 锁相放大 (PSD)： （针对 NDIR/GFC）剔除所有非 30Hz 的光干扰。
  2. 剔除脉冲噪声 (Spike Rejection)： 如果突然有一个点飞到了天上去（可能是静电干扰），直接删掉，不算。
  3. 滑动平均 / 卡尔曼滤波： 根据当前的工况（稳态还是突变），平滑数据。
• 输出： Filtered Voltage (纯净电压)。
  • 特征：这是一个很稳的电压值（如 2.500V），但它还不是浓度。

第三层：物理修正层 —— “化学反应”

这是最体现仪器技术含量的部分。我们要用数学公式去修补物理传感器的缺陷。顺序绝对不能乱！

• 输入： Filtered Voltage。
• 步骤顺序（黄金法则）：
  1. 零点扣除 (Zero Subtraction)： 先减去“暗电流”或“零点背景”。$$V_{net} = V_{meas} - V_{zero}$$
  2. 线性化 (Linearization)： 把弯曲的电压拉直。$$C_{raw} = f(V_{net})$$
  3. 温压补偿 (P/T Comp)： 理想气体状态方程修正。$$C_{std} = C_{raw} \times \frac{101.3}{P_{cur}} \times \frac{T_{cur}}{273}$$
  4. 交叉干扰补偿 (Cross-Interference)： 扣除水和 CO2 的影响。$$C_{final} = C_{std} - (K \times C_{H2O})$$
• 输出： Physics Concentration (物理浓度)。
  • 特征：此时已经是 ppm 或 mg/m³ 了，是真实的物理值。

第四层：逻辑裁决层 —— “盖章认证”

这一层不处理数值大小，只处理“数据身份”。结合我们讲的状态机。

• 输入： 物理浓度 + 系统状态（测量/校准/故障）。
• 动作：
  1. 有效性判断： 现在的状态机是在 MEASURE 吗？
     • 如果是 CAL (校准) $\rightarrow$ 标记为 Calibration，数值照发（供调试看），但环保局不统计。
     • 如果是 FAULT (故障) $\rightarrow$ 标记为 Invalid，数值可能强制归零或保持。
     • 如果是 PURGE (反吹) $\rightarrow$ 标记为 Hold，数值锁定在反吹前一刻。
  2. 上下限报警： 是否超过量程？是否低于 -5%（仪表漂移异常）？
• 输出： Display Value (显示值) + Status Flag (状态旗)。

五层：输出格式层 —— “打包发货”

这一层负责把数据翻译成别人（PLC、DCS）能听懂的语言。

• 输入： 显示值 + 状态旗。
• 动作：
  1. D/A 转换： 把 0100 ppm 映射到 4.0020.00 mA。
     • 注意：如果状态是 Invalid，可能输出 2 mA (故障电流) 告诉 DCS。
  2. 协议打包： 放入 Modbus 寄存器（40001 = 浓度，40002 = 状态）。
  3. 统计存储： 存入硬盘，生成“分钟均值”、“小时均值”。

框架中的三个“反直觉”经验

1. 先线性化，再做补偿：
   • 一定要先用多项式把电压变成浓度（线性化），然后再去减干扰气体的浓度。
   • 错误做法：在电压阶段就减去干扰信号。这是错的，因为电压是非线性的，不能直接加减。
2. 滤波放在线性化之前：
   • 一定要在电压阶段（L2）把噪声滤干净，再进公式（L3）。
   • 原因：线性化公式通常是高次方程（$V^3, V^4$）。如果电压里有噪声，经过 3 次方放大，噪声会变成巨大的误差。
3. 显示值 $\neq$ 4-20mA 值：**
   • 在 L5 层，屏幕显示通常为了好看，会保留 2 位小数。
   • 但给 DAC（4-20mA）的数据，必须经过量程缩放。
   • 坑点：很多时候屏幕显示 50.00，但后台 DAC 芯片只有 12 位精度，输出可能是 49.8。调试时要区分“显示层”和“硬件输出层”。

Mermaid 信号流转框架图