[工学]4 数据采集与处理技术 2.ppt

第4章 数据采集与处理技术*微机控制技术2内容提要：4.1 数据采集系统概述4.2 模拟数据采集技术4.3 模拟数据后处理技术v测量仪器：数字示波器、数字频谱仪、虚拟 仪器v监测系统：地震、水文、气象*微机控制技术34.1 数据采集系统概述*微机控制技术44.1.1 数据采集系统概念数据采集和数据处理系统从功能上说，主要是对生 产现场随时产生的大量数据（如温度、压力、流量、 成分、速度、位移量等）进行巡回检测、收集、记录 、统计、运算、分析、判断等处理，最后由显示器或 打印机输出其结果，但它并不直接控制生产过程DAS：Data Acquisition Station，数据采集站数据采集包含了连续量和开关量两种不同性质的信 号检测和处理，方法不一样 *微机控制技术51、具有实时时钟，该时钟作用：（1）保证系统能具备定时中断功能；（2）确定采集数据的周期；（3）显示和打印采集时同时显示和打印此刻的时 间，操作员可据此对采集结果进行时间分析，或作 分析参考2、具有分时、巡回检测或指定检测功能3、对采集的数据具有检查和处理能力：检查：分有效性和越限两种；处理：数字滤波、线性化、标度变换等4.1.2 基本功能*微机控制技术64、声光报警功能：提示操作人员进行人工干预。

5、定时或按需随时打印采集的数据6、存贮采集的数据7、有监控功能：可随时接收键盘输入的命令，以达到随时选择 采集、显示、打印之目的微机控制技术7采集系统基本程序 体系由主程序和时间 中断服务程序两部分 构成主程序为监控 系统，实施对键盘与 显示器管理启动初始化开中断调显示延时20ms读键盘显示读键盘YN有键按下？数键处理功能1功能N功能2YYNN…有键按下？数键否？*微机控制技术8（1）分辨率和精度：决定了A/D转换器的位数要求（2）采集的模拟量通道数：决定了系统的结构方案（3）采样周期：采样周期的选取原则，要考虑到信号处理中采样 周期的选取和闭环控制系统中的采样周期的选取4.1.3 设计数据采集系统考虑的问题纯模拟量采集系统的设计重点考虑：*微机控制技术94.2.1 模拟数据采集电路 4.2 模拟数据采集技术过 程 参 数检测传感器传感器多 路 转 换 开 关放 大 器采 样 保 持A/D接口主 机控制器*微机控制技术10INTX多路转换器采样保持器A/D转换器*微机控制技术114.2.2 模拟数据采集软件的流程图 模拟数据采样的特点是：数据由A/D转换器提供；CPU获取转换结果由A/D 转换器的EOC提供。

即采集软件与采样电路有关1、数据采集的控制方式： 根据微机控制系统的接口原理及A/D转换时间的 长短、系统工作速度的要求等，常见的采集控制方 式有延时、查询、中断、DMA等四种 *微机控制技术12延时方式时ADC0809与8051的接口电路P0ALECLKWRP2.7RDALE STARTOEP2.2 P2.1 P2.0C B A8051ADC0809EOCVcc REF(+)REF(-) GND +5VIN7IN0V7V0. . .D7 ~ D0（1） 延时方式 当采集系统实时 性要求不高并且已 知A/D的转换时间时 ，可以采用先启动 A/D转换器——然后 通过程序延时—— 最后读转换结果的 方式这种情况比 较简单，无需状态 信号微机控制技术13（2）查询方式查询方式时ADC0809与8051的接口电路P0ALECLKWRP2.7RDALE STARTOEP2.2 P2.1 P2.0C B A8051ADC0809EOCVcc REF(+)REF(-) GND +5VIN7IN0V7V0. . .D7 ~ D0P1.0在启动A/D后，根 据A/D提供的状态信 号采用程序查询方式 进行巡回检测。

一般 每个采样周期都需对 每个模拟量进行多次 采样，以保证能获取 可靠的采样值微机控制技术14（3）中断方式中断方式时ADC0809与8051的接口电路P0ALECLKWRP2.7RDALE STARTOEP2.2 P2.1 P2.0C B A8051ADC0809EOCVcc REF(+)REF(-) GND +5VIN7IN0V7V0. . .D7 ~ D0INT0在启动A/D后， 系统返回主程序进 行处理，等A/D转 换结束后再中断 CPU，CPU读入数 据后对下一通道发 出A/D转换命令， 再返回进行主程序 处理，直至所有通 道采样完毕微机控制技术15（4）DMA方式不经CPU控制将数据由存储器中取出和存入的方 法，即直接数据存取CBDBABCPU RAMOEADCEOCSTARTDMAC 启动A/D 控制逻辑模拟 信号DMA方式的接口电路*微机控制技术162、数据采集软件的流程图：启动初始化开中断等待A、主程序B、键盘中断程序读键盘开中断打印键?打印其他功能键处理中断返回YN定时器中断：实现采集和数据处理 键盘中断：打印C、定时中断数据采集完毕?数据处理显示？越限 报警开中断中断返回YNNY*微机控制技术174.2.3 模拟量数据采集的预处理方法 在微机控制系统中，由模拟量输入通道输入的过程参数 数值范围不同，精度要求也不一样，各种数据的输入方法 和表示方式各不相同。

有的只与单一的被测量有关，有的 参数与几个被测量有关，或线性的，或非线性的，而且除 了有用信号以外，还往往携带有现场和过程通道中的各种 干扰因此采样数据并不能直接用来进行有效控制，必须 对其进行加工和处理为了满足不同系统的需要，设计出了许多有效的数据处 理技术方法，如有效性检查、数字滤波等微机控制技术18入口读入数据D显故障 通道号报警置数据有效标志返回置下限标志N置上限标志NYD>PmaxD

微机控制技术20（1）限幅滤波： 经验说明，生产过程中许多物理量的变化需要一定的时间， 因此相邻两次采样值之间的变化幅度在一定的限度之内限幅滤波对随机干扰或采样器不稳定引起的失真有良好 的滤波效果两次采样最大允许变化量 本次采样值上次采样值有效采样值 存放单元*微机控制技术21（2） 限速滤波：(再采样)（3） 算术平均滤波：周期性干扰每次采样都有滤波值产生，从而加快了采样速度，该方法 既保证采样的实时性，又考虑到了采样值变化的连续性微机控制技术22（4） 加权平均滤波：突出最近几次采样值在平均值中的比重，对不同时刻 的采样值赋以不同的加权因子5）中值滤波：中值滤波对缓变过程中的偶然因素引起的波动或采样器 不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，而对快速 变化过程(如流量)的信号采样则不适用微机控制技术23（6）防脉冲干扰的算术平均滤波：综合算术平均滤波和中值滤波这种算法适用于工业场合经常遇到的尖脉冲干扰的信号 滤波，对快变和慢变参数都与有抑制干扰的作用微机控制技术24（7）惯性滤波：利用数字滤波器模拟RC低通滤波器的输入输出的数学 关系，以代替实际RC难以完成的大R、大C滤波效果 低通滤波器微分方程为：RK1K2ykxkC写成差分方程：*微机控制技术25对于变化缓慢的采样信号(如 大型贮水池的水位信号)，其 滤波效果是很好的。

其中： 本次滤波值本次采样值上次滤波值整理后得低通RC网络离散化数学模型为： *微机控制技术264.3 模拟数据后处理技术 4.3.1 工程量标度变换生产中的各种参数都有着不同的量纲和数值，但在计 算机控制系统的采集、A/D转换等过程中已变为无量纲的 数据，这些电量如果是由非电物理量如温度、压力、流 量等转换而来，当系统在进行显示、记录、打印和报警 等操作时，必须把这些测得的数据还原为相应量纲的物 理量，这就需要进行标度变换标度变换的任务：把计算机系统检测的对象参数的二进制数值还原变换 为原物理量的工程实际值微机控制技术27例：某种热电偶传感器把现场中的温度 0 ~1200℃转 变为0.48mV信号，经输入通道中的运算放大器放大到 0.5V，再由8位A/D转换成00~FFH的数字量，这一系列 的转换过程是由输入通道的硬件电路完成的如果要显 示温度值，则要进行标度变换 标度变换有各种不同的算法，它取决于被测参数的工 程量与转换后的无量纲数字量之间的函数关系一般而 言，输入通道中的放大器、A/D转换器基本上是线性的， 因此，传感器的输入输出特性就大体上决定了函数关系 的不同表达形式，也就决定了不同的标度变换方法。

传感器为线性转换特性——线性转换 传感器为非线性转换特性——非线性转换*微机控制技术28线性参数标度转换： 数字量量 程最大值数字量量 程最小值采样值测量仪表 的上限测量仪表 的下限*微机控制技术29于是：5/255＝19.6mv/DIV若测得 ＝18H＝24<51 视为低于下限，为无效值 若测得 ，则可进行工程量转换， 例：一水温测试系统，A/D器为8位，线性传感器 根据标准： 8位D范围：00－FFH ∴ =1V/19.6mv=51 =5V/19.6=255*微机控制技术304.3.2 线性化处理 非线性化传感器所得模拟信号与被测量参数不 是线性关系，因此不能直接用线性转换 不同的非线性传感器要用不同的线性化方法 线性化处理：在工程实践中，把物理量转换为电信号的传感 器，大多带有一定的非线性特征，不便于计算机 处理有的很难找出明确的数字表达式，需根据 测量值采取一些特殊的方法进行处理；还有一些 参数，相互之间虽然有明确的数学表达式，但计 算起来相当麻烦，会占用较多的时间微机控制技术311、查表法：在微机控制系统中，有些参数的计算是非常复杂的， 还有一些非线性参数，它们不是用一般算术运算就可以 计算出来的。

还有一些甚至无法建立相应的数学模型， 为了解决这些问题，可以采用查表法所谓查表法，就是把事先计算或测得的数据按一定顺 序编制成表格，查表程序根据被测参数值或中间结果， 查出最终所需要的结果比如输入通道中对热电偶特性的处理，可以用非线性插 值法进行标度变换，也可以采用查表法进行标度变换— —利用热电偶的mV-℃分度表，通过计算机的查表指令能 迅速便捷地由电势mV值查到相应的温度℃值微机控制技术322、用数学表达式换算 热电偶的温度与热电势的关系：*微机控制技术33将曲线分段的方法有：（1）等距分段法；（2）非等距分段法3、折线近似及线性插值：用得最多最广泛方法 在微机控制系统中，有些参数输入和输出的关 系只能通过一条曲线来表示，采用局部线性化对 其进行处理根据曲线的形状将其分成若干段，找出拐点值 ，当给定一个输入量后，将输入量依次与各拐点 值进行比较，找到输入量所在的区间，然后转到 相应的直线段进行计算微机控制技术34点与点之间的温度值，可按如下线性方程求得： T4E1T2T5ExT1T3T6TxE2E3E5E4E6ET为了对T-E进行线性拟合，可通过实验分段测出一些 T-E值，如*微机控制技术35折点号0 1 2 3 4 5 6 7 8温度 T(0C)400 460 520 580 640 700 760 820 880热电势 E(mv)。