计算机控制技术 第4章 数据采集系统设计

f (t)
f * (t)
f (t)
S
f * (t)
O
t
(a) 被采样信号
(b) 采样开关
0 T 2T 4T 6T t (c) 采样信号
图4―2 采样过程
图4―2中f(t)是被采样的模拟信号，它是时间和幅值 都连续的函数。采样后的f(t)被以时间间隔T为周期闭合、 断开的采样开关S分割成图中所示的时间上离散而幅值 上连续的离散模拟信号f*(t)。离散模拟信号f*(t)是一连串 的脉冲信号，又称为采样信号。采样开关两次采样(闭 合)的间隔时间T称为采样周期，采样开关的闭合时间τ称 为采样时间，0、T、2T…各时间点称为采样时刻。
第4章 数据采集系统设计
4.1 概述 4.2 模拟量输入通道 4.3 模拟量输出通道 4.4 数字量输入输出通道 4.5 数据处理与滤波
4.1 概 述
4.1.1 数据采集系统的构成 数据采集与处理是每个计算机控制系统都必须具
备的基本功能。对于数据采集系统而言，它的主要任 务是把生产过程中反映生产状态的各种工艺参数(如温 度、压力、流量等)送入计算机进行计算、处理。所得 结果不仅作为操作指导信息输出显示，还可进行打印、 存储、传送等操作。此外，数据采集系统还可以根据 计算结果判断生产状态是否正常，如果发现异常，还 会自动进行报警。
号频谱就不会发生重叠效应，这时就可以通过理想的
低通滤波器从采样信号f*(t)中完全恢复出f(t)来。
事实上，由于理想滤波器不存在，所以要完全恢 复出原来的信号是不可能的，工程上只要满足一定的 要求即可。实际应用中，常取ωs≥(4～10)ωmax ，过程惯 性越大，倍数可取得越大。
2. 量化 因为采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟 信号，不能直接送入计算机，故还需经过量化，变成 数字信号后才能被计算机接收和处理。
4―3所示。
F*(j)
－ 2s
－s
0
s
s
图4―3 离散信号F*(jω)的频谱图
香农(Shannon)采样定理：为了使采样信号f*(t)能反
映连续信号f(t)的变化规律，采样频率ωs(ωs=2πfs=2π/T) 至少应该是信号f(t)频谱最高频率ωmax
ωs≥2ωmax
(4―3)
当采样周期满足采样定理时，图4―3中的采样信
但是由于计算机只能输入数字量，不能直接输入 模拟量，所以它们必须通过模拟量输入通道转换成相 应的数字信号后才能送入计算机。至于生产过程中的 一些开关量、电平信号、脉冲量，以及一些数字传感 器等产生的数字信号等，则应通过数字量输入通道。
过程输出通道是控制信号的输出通道。由于计算 机输出的控制信号是数字量，而很多生产过程的执行 机构却要求提供模拟电压或电流，这就必须采用模拟 量输出通道，将数字量转换成模拟电压或电流。如果 执行机构只要求提供数字量(如开关量、脉冲量或其他 形式的数字量)，则应采用数字量输出通道。
数据采集系统根据其任务，一般应由以下几个部 分组成：用于系统控制的计算机，完成数据输入输出 任务的过程通道，连接计算机与过程通道的接口电路， 实现数据显示、打印、存储等功能的输出与报警装置， 用于系统控制与数据处理的应用软件等。计算机数据 采集与处理系统的一般结构框图如图4―1所示。
模拟量输入通道
f (t) f (nT ) (t nT ) f (t) (t Hale Waihona Puke BaiduT )
n0
n
(4―1)
式中，δ(t-nT)为t=nT处的单位脉冲函数(即δ函数)。
F ( j ) 1
T n
F[ j( ns )]
其中,ωs为采样角频率，ωs=2πfs=2π/T。这就是说
离散信号的频谱以采样频率ωs为周期无限重复，如图
q
fmax fmin 2n 1
(4―4)
量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值大小 的小数归整过程，采用的是四舍五入，因而存在量化 误差，量化误差的最大值为±q/2。
生 产 过 程
数字量输入通道
显示
接
计
口 电
算
打印
路
机
报警
图4―1 计算机数据采集与处理系统
4.1.2 过程通道的作用与分类 在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控
制，需要及时对被控对象的各种参数进行检测，并将 其转换成计算机可以接收的数据形式送入计算机进行 处理；处理后的结果还需变换成合适的控制信号输出 至被控对象，以控制执行机构的动作。因此在计算机 和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转换的连 接通道，即过程通道。
过程通道根据信息的来源和类型不同，可以分为 模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、 数字量输出通道四种。
过程输入通道是为了检测生产过程的状态而设置 的检测通道。一般，反映生产过程状态的各种参数(如 压力、流量、温度、速度、位置等)都是随时间变化的 模拟量，它们可以过检测元件和变送器转换成相应的 模拟电流或电压信号。
量化就是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟 信号的幅值，将其转换为数字信号的。将离散采样信 号转换为数字信号的过程称为量化过程，其中进行量 化处理的装置为模/数(A/D)转换器。
模拟信号的特点是具有无穷多的数值，而一组数 码的值却是有限的，因此用一定位数的数码来逼近模 拟信号是一种近似的表示。如果用一个有n位的二进制 数来逼近在fmin ~fmax 范围内变化的采样信号，得到的 数字量在0～2 n-1之间，其最低有效位(LSB)所对应的 模拟量q称为量化单位，
2) 采样定理
从信号的采样过程可知，采样后得到的离散模拟
信号没有包括全部时间上的信号值，而只是取了某些
时间点上的值。这样处理后的信号会造成信号的丢失
吗？显然，采样周期T的合理选取是重要的，采样周期 T越短，采样信号f*(t)就越接近连续信号f(t)。
采样后得到的离散模拟信号f*(t)，可以用下述数学 表达式来描述：
4.2 模拟量输入通道
4.2.1 信号的采样和量化 在计算机控制系统中，要将各种模拟信号输入计
算机，就必须先将其转换为数字信号。将模拟信号转 换成数字信号的过程，是通过信号采样和量化实现的。
1.信号采样 1)采样过程 信号采样就是将连续的模拟信号，通过采样开关 按一定时间间隔的闭合和断开，将其抽样成一连串离 散脉冲信号的过程，如图4―2所示。这一过程也称为 离散化过程。