课件：第十章 计算机数据采集及处理

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二、软件可靠性设计
1.周期刷新和表决； 2.存储器防干扰措施；
对重要的输出信号，设计表决电路，如三取二表决，防止输 出电路偶然出错。另外，输出控制信号可以周期性刷新，消除干 扰引起输出信号长期出错。
在控制过程中，输出大都采用锁存器，一经写入则不会改 变；但可编程器件的方式字、控制字、寄存器、某些持殊功能 寄存器却是触发器结构，在受到干扰时容易翻转改写，导致出 错。因此每个循环周期刷新一遍，受破坏的状态都会恢复过来， 这是经常采用的可靠性措施。
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二、数据采集系统的发展
1、A/D转换芯片的快速化和高精度化
为适应工业现场高频率信号的高精度采集，相继出现了集 成的、混合封装的高速14位、16位、18位、24位的新型ADC 和DAC器件。使数据采集卡产品性能大大提高。 目前，已出 现了各种与微机配套使用的通用和专用的数据采集卡。
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10.2 数字滤波
所谓滤波，就是从所测量的信号中除去不需要的信号。对 高频信号一般使用模拟滤波器，防止数字信号产生混频现象， 对于低频干扰信号使用模拟滤波器的性价比比较低，尤其对有 些低频信号是干扰信号，而有些低频信号是有用信号的信号。 这时可以采用数字滤波。由于数字滤波器使用软件实现，可以 对同一种信号使用不同滤波器，尤其对低频信号有更好的用处。 即
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器，8个输入端口与8个输出端口。可方便地用于数字滤波、FFT、 自适应滤波及频谱分析等信号实时处理场合。研华公司推出了各 种型号的信号采集系列产品，例如，ADAM-4000和ADAM5000系列采集模块，就是较流行的一类采集模块，它将信号调理、 放大与A/D转换结合在一起，使用非常方便。数据采集与信号处 理的紧密结合是数据采集系统的一个重要发展趋势，并进一步推 动了数据采集的广泛应用。
三、算术平均滤波(一个采样周期)
y(k) 1 nk
nk
xi
i1
(10 2)
式中，y(k)为第k个采样时刻的滤波器输出；xi为在这个采
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样周期内的第i次采样；Nn为在这个采样周期 内的总采样次数。该式的含义是在一个采样周 期内连续采样Nn次，把Nn次采样的平均值作为 本采样时刻滤波器的输出。算术平均滤波的程 序框图如图所示。算术平均滤波方法主要用于 抑制周期性干扰信号，适应变化较快的参数。 其滤波效果取决于平均次数Nn的选择。随着平 均次数Nn的增大，滤波效果越好，但灵敏度降 低。为了便于计算，可以选择平均次数Nn为2 的N次幂，这样累加结果只需右移N次，即可 完成除以Nn的运算。
(1 0 1)
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二、中值滤波(一个采样周期)
y x2, x1 x2 x3
式中，x1、x2和x3是连续采集到的三个 数据。即采样时间到后，连续3次数据。
中值滤波能有效地滤去由于偶然因素 引起的波动或采样开关、A/D转换器工作 不稳定等造成的脉冲干扰。对变化缓慢的 被测信号滤波效果较好，而不适合快速变 化的过程参数。
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2.分段线性插值法
已知两点，求两点之间的值； y ki (x xi ) yi
3.二次抛物线插值法
已知三点，求三点之间的某一点的值；
y m0 m1(x x0) m2(x x0)(x x1) (8 10)
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3.二次抛物线插值法
令 y m0 m1(x x0 ) m2 (x x0 )(x x1)
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一、程序判断滤波(不同采样周期)
y(k
)
x(k )
y(k
1)
x(k) x(k 1) X x(k) x(k 1) X
式中，y(k)为第k次滤波器输出 值；y(k-1)为第k-1次滤波器输 出值，x(k)为第k次采样值； x(k-1)为k-1次采样值;X是某 一阈值。
程序判断滤波能有效地防 止随机干扰和传感器不稳定而 引起的严重信号失真，适应变 化缓慢的信号。
3、检测与传感技术的一体化
将传感器与微处理器结合起来，不仅能进行更精确的检测 与最佳化的测定，同时由于微处理器的强大工程计算能力和逻 辑计算功能而使传感器具有自诊断等某种程度的智能功能，成 为所谓智能传感器。它使信号可在敏感元件附近进行预处理， 从而使信号传输线路的负担大大减轻，效率大大提高，抗干扰 能力大大加强。作为自动测量与控制系统中最重要的基础功能 器件—传感器一旦实现了智能化，将对数据采集系统的结构、 设计、性能指标产生很大影响。
在采集系统中，系统输入为零时 输出不为零，这种现象称为零漂。零 漂是影响检测精度非常重要的因素。 零漂包括温漂和时漂，其中温漂是大 部分电子器件普遍存在的问题。解决 零漂的问题，可以采用硬件补偿电路 或采用软件进行补偿。采用软件解决 零漂问题不需增加电路元件，而且灵活可靠，效果很好。
定义系统输入为零时的输出为零漂值，把这个零漂值存在 计算机存储器内。则零漂补偿就是每一次数据采样值均须减去 这个值。在系统设计时应考虑设置零点校正按键。以便随时可 进行零点校正。零漂补偿子程序如图所示。
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4、数据采集系统的模块化和总线化(网络化)
数据采集系统的模块化，可根据具体的工业系统特点和要 求，配置数据采集系统。另一方面，随着微型计算机和智能传 感器的发展，大型数据采集系统的布局己采用分布方式，从而 可更好地适用地理位置分散的采集现场的要求，为分散性过程 控制系统的研制提供了必要的技术支持，与传统的集中式数据 采集相比，具有更多的灵活性，更高的可靠性和更为合理的性 能价格比等一系列独特的优点，
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U (s)
1 RCs
U 1
i
(s)
Y (s)
1 T0s 1
X
(s)
y(k) y(k T
1) T0
y(k)
x(k)
T0
y(k) T0
y(k 1) T
T T0
x(k)
T T0
T T0
y(k) (1 )x(k) y(k 1)
六、加权平均滤波
N 1
y(k) ix(k i) i0
一、线性标度变换
线性关系，且Y0 N0;Ym Nm;Y N，则
Y
Y0
Ym Nm
Y0 N0
(N
N0 )
二、非线性标度变换 一次仪表下限 一次仪表上限
1.根据数学方程式计算
y f(N) y - 被测物理量，例如温度、压力等； N - 采集到的物理量的某一个数值；f (N) 物理方程。
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➢数字滤波器是用程序实现的。一方面不需要加任何硬件设 备，不存在阻抗匹配问题，可以多个通道共用，不但可以节 约投资，还可以提高可靠性、稳定性；另一方面可以用不同 的滤波程序实现不同的滤波方法，因而有较高的灵活性； ➢可以对频率很低的信号实现滤波。而模拟滤波器由于受电 容量的影响，频率不能太低。
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五、RC低通滤波(相连两个采样周期)
y(k) (1)x(k) y(k 1) (10 5) 0 T0 1;
T T0
越大，频带越小！T 采样周期；T0 滤波环节时间常数 式中，x(k)为第k次采样值；y(k-1)为第k-1次滤波器输出值； y(k)为第k次滤波器输出值；为平滑系数。T为采样周期，T0为 滤波环节时间常数。因RC滤波器作为低频信号滤波时，时间常数 必须很大，不仅价格昂贵，而且物理上很难实现，而数字滤波却 能克服这些缺点，特别适合变化过程比较慢的信号。
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10.3 标度变换
在计算机数据采集中，生产过程中的不同量纲、不同变化范围的物理量，如电压(0~220V)， 电流(0~100A)，温度(50℃~200℃)，压力(0~50MPa)等，通过各种形式的传感器变成电量 (电压或电流)，再经过放大器变换到A/D转换器能接收的信号范围，如0~5V，-10V~+10V的电 压信号，又经A/D转换器转换成二进制数字量N。然而，为了进行显示、记录和打印等，又必须将 这些由A/D转换得来的二进制数字量N转换成与被测物理量具有相同量纲的数值，以便进行监视和 管理，这一过程称为标度变换。标度变换有线性标度变换和非线性标度变换。
全性。微型计算机数据采集系统的主要结构如图10.1所示。
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10.1 计算机数据采集系统
一、设计数据采集系统主要考虑的问题
1、分辨率和精度
它决定了对数据采集系统核心元件A/D转换器的位数要求。
2、模拟量通道数
它决定了系统的结构方案。只采集单一信号，则采用单通 道结构；对于多个模拟量数据采集的场合，需采用多通道结构。 多通道采集系统又分为多个A/D转换器独立转换的通道结构系 统和采用多路转换开关对多个模拟量进行切换，而共用一个 A/D转换器的两种方案。前者速度快、通道间串扰小，通道数 据采集同时性好，但由于使用的A/D转换器数量较多，电路也 较复杂，因而价格较高，后者由于对各通道轮流采集，多路开 关切换需要时间，再加上A/D转换器的转换时间，所以采样速
四、防脉冲干扰平均滤波(一个采样周期)
y(k)
1 N 2
N 1
xi (k)
i2
(10 4)
其中：x1(k) x2 (k) xN (k)
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式中，y(k)为第k个采样时刻的滤波器输出值；Xi(k)为在 这个采样周期内的第i次采样值；N为在这个采样周期内的总采 样次数。 式中的含义是去掉N次采样中的最大值和最小值，求 剩下的N-2采样值的平均值，作为第n个采样时刻的滤波器输出 值。防脉冲干扰滤波的程序框图如上图所示。防脉冲干扰滤波 综合了算术平均滤波和中值滤波的优点，对于快、慢速系统均 适合。
y0 m0
则
y1
y0
m1 ( x1
x0 )
y2 y0 m1(x2 x0 ) m2 (x2 x0 )(x2 x1)
所以
m0 y0
m1
y1 x1
y0 x0
m2
y2 x2
y0 x0
y1 x1
y0 x0
/(x2
x1 )
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10.4 数据处理的其他问题
一、零漂的补偿
第十章 计算机数据采集及处理
10.1 计算机数据采集系统 10.2 数字滤波 10.3 标度变换 10.4 数据处理的其他问题
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第十章 计算机数据采集及处理
计算机数据采集系统的任务就 是要对生产现场的过程参数进行定 时检测、记录、存储、处理、打印 制表、显示及超限报警等。使用数 据采集系统不仅保证了数据采集的 快速性、准确性，为实时控制打下 了基础，而且可以使操作人员很直 观地获得生产过程的信息，以保证 设备的正常运行，保障了设备的安
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R
N 1
ei ,i
i0
ei R
N 1
0 i 1, i 1;0 aN1 1 0 i0
加权平均滤波适用于系统纯滞后时间较大，而采样周期T 较短的过程。加权因子i根据具体情况确定。
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七、移动平均滤波(不同采样周期)
1 n1
y(k) x(k i) n i0
式中，y(k)是当前滤 波器输出的值，x(k)、 x(k-1)、 ‥ ‥ ‥、x(kn+1)，最近采集到的n 个数据。
对非常重要的数据可存放在三个单元，使用时读出来表决， 防止存储器中的数据偶尔失效。每段程序或每个控制周期的结 果数据不可立即冲掉，而要保留1~2个控制周期，以便机
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率相对前者较低，而且开关间存在串扰，因此必须考虑相应的抗 干扰措施，但电路较简单，价格也较便宜。在没有特殊要求的情 况下后者使用较多。
3、采样频率的确定
根据香农定理，采样频率应该大于有用信号最高频率的两 倍以上，工程应用中一般为最高频率的3~4倍！但是采样频率 又不能大于硬件所允许的最高采样频率。因此，为了防止混频 现象的产生，在对信号采样之前，必须在A/D转换前使用低通 滤波器，保证信号中的最高频率小于采样频率的三分之一到四 分之一。在使用转换开关控制多通道信号采样时，必须使A/D 转换控制信号滞后开关转换控制信号，一般为25ms左右，具 体数值必须根据模拟开关特性参数确定，其控制流程如图10.2 所示。
2、数据采集与信号处理的一体化
出现了能对信号进行实时处理的高速专用信号处理器，如 Intel公司的2920，它将数据采集与信号处理功能结合在一块 芯片上(由于2920的输入输出均为模拟信号，所以被称为模拟 式微处理器)。Texas仪器公司推出的TMS320系列进一步将数 字计算机的通用编程能力与专用的数字信号处理功能结合起来， TMS32010比16位微处理器8086快100倍，设有80多条指令， 芯片中包含有16×16大容量阵列乘法器，32位累加