第2章：自动装置及数据的采集与处理

注意区别 ：
精度是指转换结果对于实际值的准确度，而分 辨率是指能对转换结果产生影响的最小输入量。
（3）转换时间 完成一次A/D转换所需的时间，即由发出启动转
换命令信号到转换结束，信号开始有效的时间间隔。 转换时间的倒数称为转换速率。例如，AD574的转换 时间为25s，其转换速率为40kHz。
（4）量 程 量程是指所能转换的模拟输入电压的范围，分
1．CPU单元
处理STD总线上的数据、地址和各种控制功 能；控制其它STD功能单元的工作；进行整个工 控系统的计算、数据处理、控制等工作。
2．A/D单元
提供模/数转换的接口。
3．存储器单元
作为通用存储器的扩展卡。
4．系统支持单元
为STD-PC提供系统支持的功能单元。
5．定时器单元
可完成定时、计数以及实现“看门狗”功能等。
3．线性化处理
采取线性拟合措施，以消除传感器或转换 过程引起的非线性误差。
4．数字滤波
数字滤波器可以对极低频率的干扰信号进 Байду номын сангаас滤波，弥补了RC滤波器的不足。
在计算机中数字滤波用一定的计算方法对 输入信号的量化数据进行数学处理，减少干扰 在有用信号中的比重，提高信号的真实性。
理的基本思想。
举例来说，小电流接地系统检测装置，要采样的信号 是 5 倍频的电流信号，即 f0 550 250(Hz)，采样频率 至少应选 fs 2 250(Hz)，才能保证采样的 5 倍频电流信 号不失真地还原。
二. 模数变换（A/D）
1．基本原理
逐次把设定的逐次逼近寄存器 SAR 寄存器中 的数字量经 D/A 转换后得到的电压Uc 与待转换的 模拟电压U x 进行比较。比较时，先从 SAR 的最高 位开始，逐次确定各位的数码是“1”还是“0”。
输入电路的基本功能是将测控对象需要的状态 信号引入微机系统；输出电路主要是将CPU送出的 数字信号或数据进行显示、控制或调节。
3．CPU及存储控制部分
是自动装置硬件系统的数字核心部分，对系统 的工作进行控制和管理，对采集到的数据做必要处 理，然后根据要求作出判断和发出指令等。 CPU：微机系统自动工作的指挥中枢。 存储器：把程序和数据保存起来。 定时器/计数器：计时；触发采样信号，引起中断 采样；U/f变换式A/D中关键部件。 Watchdog：监视微机系统程序的运行情况。
在自动装置中，被采样的信号 x(t)主要是工频 50Hz 信号，通常以工频每个周期的采样点数来间接定义采样 周期TS 或采样频率 fs 。例如工频每个周期采样点数为 12 次 ， 则 采 样 周 期 TS 20/12 5/ 3(ms) ， 采 样 频 率 fs 5012 600(Hz)
2．采样定理
相对精度：是指整个转换范围内，任一数字量所对 应的模拟输入量的实际值与理论值之差，用模拟电 压满量程的百分比表示。
例如，满量程为10V的10位A/D芯片，若其绝对 精度为1/2LSB，则其最小有效位的量化单位E＝ 10×103/210 ＝ 9.77mV ， 其 绝 对 精 度 为 1/2E ＝ 4.88mV，其相对精度为4.88mV/10V＝0.048％。
2．数据的有效性校验
其目的是判断采入的数据是否有明显的出错或 为干扰信号等，并且可根据物理量的特性来判断。 （1）变化缓慢的参数，可用同一参数前、后周期的 变化量来判断。 （2）利用相关参数间的关系相互校核。 （3）对一些重要参数，可以用两个测点或在同一测 点上装两台变送器，用它们之间的差值进行校核。 （4）限制判断。
单极性、双极性两种类型。单极性量程为0～＋5V、 0～＋10V、0～＋20V；双极性量程为-2.5～＋2.5V、 -5～＋5V、-10～＋10V。
三. 输入数据的前置处理
1．标度变换
进入A/D转换器的信号一般是电平信号，但 其意义却有所不同。例如同样是5V电压，可以代 表540°蒸汽温度，也可以代表500A电流或110kV 电压等。要由计算机乘上不同的系数进行标度变 换，把它们恢复到原来的量值。
4．人机对话接口回路
（1）显示画面与数据。 （2）输入数据。 （3）人工控制操作。 （4）诊断与维护。
5．通信回路
完成自动装置间通信、监控系统与自动 装置间通信及自动装置信息远传。
（二）工业控制计算机系统
工业控制计算机系统一般由稳压电源、机箱和 不同功能的总线模板以及键盘等外设接口组成。早 期的工业控制计算机较多采用STD总线，即工业控 制标准总线。
在进行转换时，先将 SAR 寄存器各位清零。转换开始时， 控制逻辑电路先设定 SAR 寄存器的最高位为“1”，其余各位 为“0”，此试探值经 D/A 转换成电压Uc，然后将Uc与模拟 输入电压Ux 进行比较。如果U x Uc，说明 SAR 最高位的“1” 应予以保留；如果U x Uc，说明 SAR 该位应予清零。然后 再对 SAR 寄存器的次高位置“1”，依上述方法进行 D/A 转换 和比较。如此重复上述过程，直至确定 SAR 寄存器的最低位 为止。过程结束后，状态线 EOC 改变状态，表示已完成一次 转换。转换结果能否准确逼近模拟信号，主要取决于 SAR 和 D/A 的位数。位数越多，越能准确逼近模拟量，但转换所 需的时间也越长。
2．A/D转换器主要技术指标
（1）分辨率 分辨率反映A/D转换器对输入微小变化的响应
能力，通常用数字量输出最低位（LSB）所对应的 模拟输入的电平值表示。
例如，8位A/D转换器能对模拟量输入满量程的 1/28＝1/256的增量作出反映。n位A/D能反映模拟 量满量程的1/2n的增量。一般也简单地用数字量的 位数来表示分辨率，即n位二进制数最低位所具有 的权值就是它的分辨率。
（四）现场总线控制系统（FCS）
用现场总线将各智能现场设备、各级计算机和自 动化系统互连，形成一个数字式、全分散、双向串行 传输、多分支结构、多点通信的通信网络。生产过程 现场的各种传感器、变送器、控制器等配置有微处理 器或单片机，各自都具有数字计算和通信能力，实现 将DCS中的控制站的功能分散到智能设备中。FCS系统 采用了规范的全开放式总线标准、通信协议，所有符 合标准的产品都可互连，共享网络资源。FCS系统是今 后工业控制体系结构的发展方向之一。
二．软 件
1．信号采集与处理程序 2．运行参数设置程序 3．系统管理（主控制）程序 4．通信程序
2.2 数据的采集与处理
一. 采 样
1．采样过程
对随时间连续变化的模拟信号 x(t)，按一定的时间 间隔TS ，抽取相应的瞬时值。
S (t ) ：采样控制脉冲。 TS ：采样周期，相邻两个采样时刻的时间间隔。 fs：采样频率， fs 1 TS 输入模拟信号 x(t) 经过理想采样变成 x(t)后可表示为： x(t) x(t) tnTS
（2）精 度
精度是反映在同一模拟输入信号的情况下，一 个实际的A/D转换器的输出数字量与一个理想的A/D 转换器的输出数字量的差别。精度有绝对精度和相 对精度。
绝对精度：在一片转换器中，对应于一个数字量的 实际模拟输入电压和理想的模拟输入电压之差并非 是一个常数，而是一个范围。通常以数字量的最小 有效位（LSB）的分数值来表示绝对精度。例如： 1LSB、1/2LSB等。
选择采样周期必须有一个依据，以保证 x(t)能不失真 地恢复原信号 x(t)。
fs f0:直流量 fs 1.5 f0:差拍低频信号 fs 2 f0:频率为 f0的信号 fs 2 f0:更加真实地代表 输入信号 x(t)
若输入信号 x(t) 含有各种频率成分，其最高频率为 f max ，若要对其不失真地采样，或者采样后不产生频率混 叠现象，采样频率必须不小于2 fmax ，即 fs 2 fmax。也就是 说，为了使信号被采样后不失真地还原，采样频率必须不 小于 2 倍的输入信号的最高频率，这就是奈奎斯特采样定
6．I/O单元
实现开关量的输入/输出的功能单元。
7．键盘显示板
键盘输入、显示输出、打印机接口等部分。
（三）集散控制系统（DCS）
1．数据采集测控站
一般由单片机数据采集控制装置组成，可以将 信号通过通信线路传送至上位机，并能接受上位机 通过通信线路下达的控制指令进行现场控制。
2．上位机
将各个站上传的数据进行分析处理，以及进 行数据的存储和整个系统的协调，集中显示或打 印各种报表。最重要的功能是根据数据处理的结 果，确定控制的参数和方法，并将这些结果通过 通信线路下达给相应的站。
（一）微型计算机系统
1．模拟量输入/输出回路
微机系统是一种数字电路设备，只能接受数字 脉冲信号、识别数字量，所以需要将这一类模拟信 号转换为数字脉冲信号。同时，为了实现对电力生 产过程或电力输配过程的监控，有时还需要输出模 拟信号，去驱动模拟调节执行机构工作，这就需要 模拟量输出回路。
2．开关量输入/输出回路
第2章 自动装置及数据的 采集与处理
2.1 自动装置的硬件和软件
一. 硬件组成形式
三种结构形式：微型计算机系统、工业控制计算机系统 和集散控制系统。 对于控制功能单一的自动装置所需采集的电气量不是很 多，微型计算机系统可满足运行要求。 对于控制功能要求较高、软件开发任务较为繁重的系统， 大多采用工业控制计算机系统。 对于分散的多对象的成套测控装置采用集散控制系统。