第04章 数据处理技术

对输入位数大于输出位数的处理方法就是忽略高位 数的最低几位。 转换器的输入值为 位 转换器 数的最低几位。如：10位A/D转换器的输入值为 0011111010，此值经处理后送入 位D/A转换器的值就 转换器的值就 ，此值经处理后送入8位 转换器 变为00111110。这在计算机中通过向右移位的方法是很 变为 。 容易实现的。 容易实现的。 由于10位 转换器的采样分辨率要比8位 由于 位A/D转换器的采样分辨率要比 位A/D转换 转换器的采样分辨率要比 转换 器高的多，因此， 器高的多，因此，虽然舍去了最低的两位数会产生一定 的误差，但这一误差仍比采用8位输入 位输入8位输出系统的误 的误差，但这一误差仍比采用 位输入 位输出系统的误 差小。 差小。 2．输入位数小于输出位数 ． 当输入器件的分辨率比输出器件低时，如采用 位A/D 输入器件的分辨率比输出器件低时，如采用8位 转换器采样，而通过10位 转换器进行输出， 转换器采样，而通过 位D/A转换器进行输出，就会 转换器进行输出 出现输入位数小于输出位数的情况
负时取00H，信号极性为正时取FFH。否则，将运算 ，信号极性为正时取 负时取 。否则， 结果直接作为偏差信号 偏差信号。 结果直接作为偏差信号。 2．输入、输出信号分为单双极性 ．输入、 在控制系统中， 在控制系统中，有时会出现输入信号和给定信号 是单极性的，即数字量00H~FFH对应同极性的信号， 对应同极性的信号， 是单极性的，即数字量 对应同极性的信号 如0~+5V；而输出信号则要求是双极性的，即数字量 ；而输出信号则要求是双极性的， 00H~FFH对应的是双极性的，如-5V~＋5V。 对应的是双极性的， 对应的是双极性的 ＋ 。 这类系统的数据预处理与双极性的输入输出系统 的方法相同，由于系统的输入是单极性的， 的方法相同，由于系统的输入是单极性的，因此不必 判断极性，只需根据偏差值的大小和符号判断即可。 判断极性，只需根据偏差值的大小和符号判断即可。 系统的数据预处理程序流程图如图4-2所示 所示。 系统的数据预处理程序流程图如图 所示。
4.1 测量数据预处理技术
对测量数据的予处理是计算机控制系统数据处理 对测量数据的予处理是计算机控制系统数据处理 予处理 的基础，这包括数字调零技术、 的基础，这包括数字调零技术、系统校准技术以及 输入、输出数据的极性与字长的予处理技术。 输入、输出数据的极性与字长的予处理技术 4.1.1 系统误差的自动校准 在控制系统的测量输入通道中， 在控制系统的测量输入通道中，一般均存在放大器 等器件的零点偏移 漂移， 零点偏移和 等器件的零点偏移和漂移，会造成放大电路的增益误 差及器件参数的不稳定等现象， 差及器件参数的不稳定等现象，它们都会影响测量数 据的准确性，这些误差都属于系统误差 系统误差。 据的准确性，这些误差都属于系统误差。它的特点是 在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的， 在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产 生误差的原因一般也是知道的。因此， 生误差的原因一般也是知道的。因此，系统误差是可 以通过适当的技术方法来确定并加以校正的， 以通过适当的技术方法来确定并加以校正的，一般采 用软件程序进行处理， 用软件程序进行处理，即可对这些系统误差进行自动 校准。 校准。
也反映信号的极性。假设信号的变化范围为 也反映信号的极性。假设信号的变化范围为5V~+5V，信号经 转换得到的数字量为00H~FFH ，信号经A/D转换得到的数字量为 转换得到的数字量为 数字量的最高位D7表示信号的极性 表示信号的极性。 数字量的最高位 表示信号的极性。当D7＝0时，表 ＝ 时 示输入信号为负极性，即数字量00H~7FH表示 表示-5V~0V 示输入信号为负极性，即数字量 表示 的模拟信号； 的模拟信号；当D7＝1时，表示输入信号为正极性， ＝ 时 表示输入信号为正极性， 即数字量7FH~FFH表示 表示0V~+5V的模拟信号。 的模拟信号。 即数字量 表示 的模拟信号 在由双极性信号组成的闭环定值控制系统中，设给 在由双极性信号组成的闭环定值控制系统中， 定信号为R，采样输入信号为Z，则偏差值E 定信号为 ，采样输入信号为 ，则偏差值 = R - Z。 。 因为R 的值对应的是双极性信号，所以偏差值E 因为 和 Z 的值对应的是双极性信号，所以偏差值 也是双极性信号 双极性信号， 也是双极性信号，因此在参加运算前也必须进行预处 理才能保证最终结果的正确。 理才能保证最终结果的正确。 预处理的规则：如果偏差值的绝对值大于 预处理的规则：如果偏差值的绝对值大于80H（此 （ 为无符号数），则偏差信号取最大值， ），则偏差信号取最大值 为无符号数），则偏差信号取最大值，即信号极性为
多路开关 V0 V1 A Vn A/D CPU 前置放大器 模数转换器 计算机
图4-1 数字调零电路
数字调零电路如图4-1所示。在测量输入通道中， 数字调零电路如图 所示。在测量输入通道中， 所示 CPU分时巡回采集 路校准电路与 路传感变送器送 分时巡回采集1路校准电路与 分时巡回采集 路校准电路与n路传感变送器送 来的电压信号。首先是第0 来的电压信号。首先是第 路的校准信号即接地信 理论上电压为零的信号， 放大电路、 号，理论上电压为零的信号，经放大电路、A/D转 转 换电路进入CPU的数值应当为零，而实际上由于零 的数值应当为零， 换电路进入 的数值应当为零 点偏移产生了一个不等于零的数值， 点偏移产生了一个不等于零的数值，这个值就是零 点偏移值N0；然后依次采集1、 、 点偏移值 ；然后依次采集 、2、… n路，每次采 路 集到的数字量N1、 、 集到的数字量 、N2、… Nn值就是实际值与零点 值就是实际值与零点 偏移值N0之和 之和。 偏移值 之和。计算机要进行的数字调零就是做一 次减法运算， 次减法运算，使（Ni- N0）的差值成为本次测量的 ） 实际值。很显然，采用这种方法，可去掉放大电路 放大电路、 实际值。很显然，采用这种方法，可去掉放大电路、 A/D转换电路本身的偏移及随时间与温度而发生的 转换电路本身的偏移及随时间与温度而发生的 转换电路本身的偏移及随时间与温度 各种漂移的影响， 各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的 偏移值的要求，降低硬件成本。 偏移值的要求，降低硬件成本。
压力、位置、角度信号等 压力、位置、角度信号等。这就要求在实施控制 不仅要考虑信号的幅度，还要考虑到信号的极性。 时，不仅要考虑信号的幅度，还要考虑到信号的极性。 为此，在对A/D转换后的数据和 转换后的数据和D/A转换前的数据进 为此，在对 转换后的数据和 转换前的数据进 行处理前，必须根据数据的极性先进行预处理， 行处理前，必须根据数据的极性先进行预处理，才能 保证得到正确的结果。 保证得到正确的结果。 系统中有的输入信号是单极性的 系统中有的输入信号是单极性的，而输出信号则 单极性 要求是双极性 双极性的 如流量、压力等控制回路； 要求是双极性的，如流量、压力等控制回路；有的则 是要求输入和输出信号都是双极性的，如位置、 是要求输入和输出信号都是双极性的，如位置、角度 等控制回路。下面就这两种情况分别加以讨论。 等控制回路。下面就这两种情况分别加以讨论。 1．输入、输出信号同为双极性 ．输入、 在输入、输出都是双极性信号的控制系统中， 在输入、输出都是双极性信号的控制系统中，程 序处理的输入和输出数据不仅反映信号幅度的大小， 序处理的输入和输出数据不仅反映信号幅度的大小，
2．系统校准 ． 上述数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。 上述数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。 为了克服这种缺点，可采用系统校准处理技术。 为了克服这种缺点，可采用系统校准处理技术。 系统校准的原理与数字调零差不多，只是把测量 系统校准的原理与数字调零差不多， 的原理与数字调零差不多 电路扩展到包括现场的传感器， 电路扩展到包括现场的传感器，而且不是在每次采集 数据时都进行校准， 数据时都进行校准，而是在需要时人工接入标准参数 进行校准测量，把测得的数据存储起来， 进行校准测量，把测得的数据存储起来，供以后实际 测量使用。 测量使用。一般自动校准系统只测一个标准输入信号 VR，零点漂移的补偿仍由数字调零来完成。 ，零点漂移的补偿仍由数字调零来完成。 输入字调零 ：测得实际被测输入数字调零后测得 标准输入信号VR的数据为 ，而测得实际被测输入 标准输入信号 的数据为NR， 的数据为 信号V时的数据为 时的数据为N，则可按如下校准式来计算V。 信号 时的数据为 ，则可按如下校准式来计算 。
▪
1.数字调零 数字调零 零点偏移是造成系统误差的主要原因之一 是造成系统误差的主要原因之一， 零点偏移是造成系统误差的主要原因之一，因 此零点的自动调整在实际应用中最多， 此零点的自动调整在实际应用中最多，常把这种用 软件程序进行零点调整的方法称为数字调零 数字调零。 软件程序进行零点调整的方法称为数字调零。
开始
Байду номын сангаас
读数据R和Z
计算E=R－ Z
N
R ≥ Z否？
Y
E ≥ 80H否？ N 00H A
Y
N
E ≥ 80H否？ Y
E+80H
A
FFH
A
A
RESULT 返回
图4-2 输入单极性输出双极性的数据预处理程序流程图
4.1.3 数据字长的预处理 在计算机控制系统中经常会出现数据字长不一致的 情况。如有的系统采用12位 转换器采样数据 情况。如有的系统采用 位A/D转换器采样数据，而输 转换器采样数据， 出采用8位 转换器； 出采用 位D/A转换器；有的系统使用 位A/D转换器进 转换器 有的系统使用8位 转换器进 行采样，而为了提高计算的精度，采用双字节运算程序 行采样，而为了提高计算的精度，采用双字节运算程序 计算。为了满足不同的精度要求，数据在进行数字滤波 数字滤波、 计算。为了满足不同的精度要求，数据在进行数字滤波、 标度变换和控制运算后必须对数字量的位数加以处理 后必须对数字量的位数加以处理。 标度变换和控制运算后必须对数字量的位数加以处理。 1. 输入位数大于输出位数 当输入器件的分辨率高于输出器件时，如采用 位 当输入器件的分辨率高于输出器件时，如采用10位 分辨率高于输出器件时 A/D转换器采样，而CPU把处理后的 位二进制数通 转换器采样， 把处理后的10位二进制数通 转换器采样 把处理后的 转换器输出， 过8位D/A转换器输出，就会出现输入位数大于输出位 位 转换器输出 数的情况。 数的情况。