第1章 数据采集系统概述.ppt

数据采集系统Data Acquisition System主讲教师:李 莉信息与控制工程学院电子信息工程系 什么是数据采集？n数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口数据采集技术广泛引用在各个领域n被采集数据是已被转换为电信号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）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准确的数据量测是数据采集的基础 随着计算机的发展与普及，社会已进入信息时代作为获取信息重要工具的微机数据采集系统，日益广泛地深入到生产、科研的各个领域，形成了一种兴旺发达的产业，它也就自然地成为电子信息工程专业的学生或其它有关专业的工程技术人员的专业知识 第一章 数据采集系统概述一、DAS的基本概念 随着计算机、微型机及信息技术的高速发展，数据采集及过程控制技术变的愈来愈重要为了把需要处理的信息输入给计算机，把计算机处理的结果输出到所需的场所，就需要一系列输入、输出设备（计算机外围设备）来完成信息的调理、采样、A/D、D/A转换、打印、显示等工作。

这些处理信息的输入输出设备与计算机一起就构成一个数据采集系统DAS（Data Acquisition System） 1、数据采集：就是将生产过程或控制过程中要检测或监视的信号（模拟或数字）按一定的时间间隔，通过一定的信号处理变成计算机所能接受的数据形式，并存储在计算机的存储器中 2、数据采集系统：处理信息的I/O设备、计算机软硬件等的总称3、数据处理：处理采集的数据的过程（属于数字信号处理范畴）如：平滑、滤波、剔除奇异项、相关、卷积、频谱分析等 4、过程控制：就是将采集处理后的数据经D/A转换成模拟量或直接通过I/O接口或网络输出数字量对被控对象起作用二、DAS的组成部分 数据采集系统的结构随其用途而具有不同的组成形式一般地，一个数据采集系统应包括以下六个组成部分：1、传感器（Sensor） 将非电量（如：压力、温度、流量、液位、位移等）变成电信号常称为一次仪表，其输出一般是模拟量，但也有的输出数字量 2、信号调理电路（Signal Conditioning） 信号调理电路的主要功能包括信号的转换和标准化 对模拟信号而言：mV-V；kV-V；交流直流；R-V等总之，要进行滤波、衰减、放大、整形等，得到计算机所认识的标准信号（420mA、15V、5V、10V）。

对数字信号而言：缓冲、锁存、整形等3、多路模拟开关（MUX） 作用：使多路被测信号共享一路A/D 当被测量信号的通道比较多时，为了节省开支和减轻电路的复杂程度，一般在信号调理电路后面，加多路模拟切换开关，从而使各路信号共享一路A/D通道当然，这样做会影响采样速度，因而对于变化很快的被测信号，就需要为每一路单独配置A/D通道，成本必然提高实际设计时，可根据具体情况灵活掌握4、采样保持电路（S/H） S/H的基本功能是：获取输入信号并在其后A/D转换期间使信号保持不变特别是当被测信号为高频信号时，都应加采样保持电路5、A/D转换电路（ADC） DAS的核心器件是A/D转换器因为只有通过它才能将模拟量变成计算机所能接受的数字量具体讲，A/D转换部分应包括以下两项功能： 将模拟量转换为数字量 能与计算机进行接口6、计算机及数据输出设备 一般采用工控机及打印机、绘图仪等，用于将采集处理后的数据打印或显示出来（报表、曲线等）根据以上分析，我们可以画出一个DAS的一个基本的组成框图图1.1 DAS基本框图 当然，DAS的结构方案很多，如每一路输入有单独的S/H和A/D转换等 DAS的变化框图： 图1.2 DAS变化框图若计算机的输出还用于控制执行机构以调节过程参数，此时DAS就发展成为计算机控制系统。

如电磁阀的控制、PID控制，这相当于在DAS的基础上增加了自动调节（负反馈控制），使其成为完整的生产过程自动化系统 带有反馈控制的DAS系统一般称为计算机控制系统，其基本框图如下： 图1.3 带反馈控制的DAS框图三、数据处理1、零点、满度调整 调A/D转换器，使其满足系统要求2、校准调试 进行系数整定、定标，用于恢复原物理量的量纲及表示形式 例：某线性压力传感器，测得下述一组数据 压力（KPa）：0 10 50 100 200 300 400 500 输出（V） ： 0.0 0.1 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 则该压力传感器的定标系数为：100 KPa/V即：每输出1V电压，传感器需加压100 KPa有了定标系数，便可以将A/D后的数字量变成相应的物理量纲（具体大小）如采用上述压力传感器，8bit A/D，满度为5V，单极性若转换结果为80H （10000000B），27=128 则表示的电压为27(5/28)=2.5V，代表实际压力为：2.5100=250KPa 3、消除干扰 平滑、滤波、非线性校正、IIR、FIR、数字滤波 4、数据变换运算 相关、卷积、滤波、PID、频谱分析等。

5、数据输出 制表、显示、打印、绘图、控制 常用程序设计语言有：汇编、BASIC、C、 C+、VB、VC等四、DAS的应用及发展1、应用 工业过程控制：实时检测控制，DCS、SCADA； 遥测遥控：航天、航空、火箭、卫星发射； 智能仪表、测试仪器：微机控制、数字显示； 家用电器、民用电子产品：智能控制、红外、电视、洗衣机、录象机、智能记录、存储； 计算机仿真系统：汽车驾驶培训、潜艇仿真运行、钻井仿真培训等均离不开DAS的应用（数据来自现场，输出却不对现场起作用） 采集各油井的参数使操作人员在室内了解油井的工作状况 组成：由主站及井口RTU组成（Remote Telemetry Unit） 油井SCADA无线数据采集系统 由8031单片机组成的DAS系统：A/D,D/A板,电源板,电台 采集的量有：油压、套压、回压、压力超高(开关)、压力超低(开关)、油温、电源的启/停(开关)、三相电压、三相电流、欠载、断相、过载等 软件的编制：RTU处于接收状态，接收来自主站RTU的命令要数据则发送、要控制则动作，循环进行，主要控制在CCR（中控室）2、发展趋势 模块化：板卡模块化 数据采集板卡、数据采集模块等。

高速度：速度越快越好，速度越快越贵 智能化：采集器稍配外设即可组成各种DAS系统 PCI-I32AD是一个基于32位PCI总线结构的高级数据采集卡高性能的设计和艺术级的工艺使 PCI-I32AD成为医疗、过程控制等方面数据纪录和信号分析应用的理想解决方.特性：32位PCI总线, 即插即用 32路单端12位模拟输入通道 隔离电压：最高5000Vrms 12位逐次逼近A/D转换器（ADS774或兼容芯片） 可编程增益X1，X10，X100 最高至60KHz的采样速率 双极性或单极性模拟输入方式 触发模式: 软件触发, 定时触发 自动扫描通道选择 紧凑型, 半长PCB 牢固的DB-37接口兼容PCL-813管脚排列 板上低通滤波器用以改善或衰减信号 数据采集系统n第一章 DAS概述n第二章 信号调理电路n第三章 多路模拟开关n第四章 采样与采样/保持器n第五章 模数转换器ADCn第六章 数模转换器DACn第七章 接口设计课程作用n了解个人计算机总线结构l 能设计各种CPU总线的DAS系统的接口l 能熟练运用汇编语言及高级语言进行数据处理l 能进行现场的DAS及控制系统的设计工作l 能进行智能仪表的设计l 其它（如家用电器方面）的设计l学习时，掌握基本概念及基本理论l预修课的复习：模电、数电、电路、传感器、信号系统、微机原理、单片机、语言l上课做适当的笔记l作业按时完成：10%，缺一次扣2分（大约5次），直到扣完l考勤：10%，缺席一次扣分，缺席次取消考试资格l考试：80%（开卷）要 求数据采集与处理技术马明建 西安交通大学出版社数据采集与处理沈兰荪 中国科学技术大学出版社 数据采集与处理王延光微型计算机A/D、D/A数据采集系统的设计清华大学出版社数据采集原理肖忠祥 西北工业大学出版社参考书Reference：作业 1、DAS通常包括哪些组成部分？各组成部分的作用分别是什么？2、设计一个监控油罐T、P、L的DAS系统的硬件、软件框图。

已知： P1为压力传感器：量程0500KPa，输出0280mV； T为温度传感器：量程0200，输出420mA； 液位由压力开关检测近似表示，PK1、PK2、PK3为液位传感器，有液体时有信号图示为一个储油罐示意图图图1.51.5。