第3章 数据采集与处理系统

3.1 微型计算机数据采集系统（6）
若采集多个点，则用多通道结构。多通 道结构又可分为通路结构 ( 各模拟信号有 各自的A/D)和共用A/D结构(用多路开关对 各模拟信号分别采样 )。前者速度快，通 道间串扰小，但所用A/D芯片多，因而成 本高。后者因多路开关切换需要时间， 而A/D公用，故速度慢且开关间存在串扰， 但它价格低、电路也简单，故用得较广。
i 1 Nwenku.baidu.com
......， 式中 Ci C1， C2， C N 均为常数，称为各采样值的系数，应满足以下
关系：
i 1
Ci 1
N
Ci 体现了各采样值在平均值中所占的比例，可以根据具体情况决定。 2、Ci 取值例子 对于正在变化的信号，如采集流量的之间值，一 般采样次数愈靠后，取的比例愈大，这样可以增加新的采样值在平均 值的比例。 3、主要应用 根据需要，突出或抑制某一部分信号。
3.2 数字滤波技术（3）
1、限幅滤波
限幅滤波 是滤掉采样值变化过大的信号 1）限幅滤波的方法 是把相邻两次的采样值相减，求出其增 量（绝对值），然后与两次采样允许的最大差值（据情况而定） ⊿Y进行比较，若小于或等于⊿Y ，则取本次的采样值；若大于 ⊿Y ，则仍取上次的采样值作为本次的采样值。即 若 |Y(k)- Y(k-1)|≤⊿Y ，则Y(k)=Y(k)， 取本次采样值 若 |Y(k)- Y(k-1)| > ⊿Y ，则Y(k)=Y(k-1)，取上次采样值 说明： ⊿Y 的大小取决于采样周期T及Y值的变化动态响应。 2）限幅滤波的应用系统 是主要用于变化比较缓慢的参数， 如温度、物位等测量系统。 3）使用时最大允许误差⊿Y的选取，可根据经验数据或实验 得出。 ⊿Y 太大，各种干扰信号将“乘机而入”，使系统误差增 大； ⊿Y 太小，又会使一些有用信号“拒之门外”，使计算机采 样效率变低。
（4）可以对频率很低（如0.1Hz）的信号滤波
（5）使用灵活、方便，如可选择不同的滤波器和参数
3.2 数字滤波技术（2）
3.2.1 程序判断滤波
程序判断滤波的方法，是根据生产经验，确定出 相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差⊿Y。若 超过此偏差值，则表明是干扰信号，应该去掉；若小 于此偏差值，则将该信号作为本次的采样值。 程序判断滤波的主要作用 用于滤掉由于大功率 设备的启停，所造成的电流尖峰干扰或误检测，以及 变送器不稳定而引起的严重失真等。 程序判断滤波可分为限幅滤波和限速滤波两种。
3.1 微型计算机数据采集系统（7）
1、一个通道设置一个A／D转换器的结构形式
微 型 机
I/O 接 口 电 路
A/D转换器
S/H
. . .
通道1
A/D转换器
S/H
通道n
2、多个通道共用一个A／D转换器的结构形式
微 型 机
I/O 接 口 电 路
多 A/D转换器 S/H 路 开 关
. . .
通道1
通道n
3.1 微型计算机数据采集系统（1）
• 数据采集与处理系统根据其任务， 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 3―1所示。
3.1 微型计算机数据采集系统（8）
③采样频率的确定。可根据采样定理 和一些工程方法确定。 ④具体的数据处理要求。如处理方法、 精度和速度等。 图3-2给出了这种结构的一个方案。
3.1 微型计算机数据采集系统（9）
例
00
-V C
+VC
接模拟量
63
A B C +VC 路选 +VC
20 1 2 D0 3 5 4 6 7 74LS273 8 9 13 锁存器 12 14 15 17 16 18 19 10 11 16 15 14 1 13 2 12 3 74LS138 4 译码器 5 11 6 10 9 7 8 6
3.2.4 加权平均值滤波
1、加权平均值滤波 算术平均值滤波中的算术平均值，对于所用 的N个采样值，所占的比例是相同的，滤波的结果取每个采样值的 1/N。 为了提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，然后再相加，此方法 称为加权平均法。 具有N个采样值的加权平均值公式为：
Y (k ) C i X (i )
3.2 数字滤波技术（5）
3.2 数字滤波技术（6）
3.2.2 中值滤波
中值滤波 是对某一参数连续采样n次（一 般n取奇数），然后把n次的采样值从小到大、 或从大到小排序，取其中间值作为本次采样 值。 中值滤波的功能 对于去掉偶然因素引起 的波动、或采样器不稳定而造成的误差所引 起的脉动干扰有效。 中值滤波的应用系统 适用与信号变化 比较缓慢的系统，对于变化快速的信号，如 流量、快速运动的位移、角度等不适用。 中值滤波的程序设计 程序设计流程图如左图所示。 程序见教材P63（略）
由 1 e
T / T /
，e
按级数展开得
=1+(-T/τ)+ (-T/τ)2/2! + (-T/τ)3/2!+…… 若T<<τ（一般能够满足） ，则有 α≈T/τ 平滑系数α与平滑作用大小的关系 α 越大，实际上平滑作用越小。 在实用中，α是通过实验确定的，只要不使滤波器输出产生 明显的波纹即可。
3.1 微型计算机数据采集系统（2）
显 示 接 口 电 路 数字量输入通道 计 算 机 报 警 打 印
模拟量输入通道 生 产 过 程
图3―1 计算机数据采集与处理系统
3.1 微型计算机数据采集系统（3）
3.1.2 基本的数据采集与处理系统 1. 数据采集系统的基本功能 ①时钟。时钟除定时发出中断请求确 定数据采样周期以外，还能为显示和打 印时、分、秒提供数据，以便操作人员 根据打印时间判断读取测量结果。 ②采集、打印(或显示)及越限报警。 ③能实现召唤制表或定时制表，即根 据用户由键盘送入的指令开始或终止制 表，或根据时钟周期定时制表。
7 16 13 14 15 12 CD4051 1 5 1# 2 4 多路开关 11 3 10 9 6 8 6
10kΩ +VC 0.1μF 0.1μF 0.1μF
CS RD WR
+VC
CD4051 2# 6 8
3kΩ 3kΩ
3 7 5 2 47 6
INT
接数据 总线
D7
片选
1kΩ -V C
CD4051 8# 6 8
即为RC低通滤数字波器的数学公式。式中， X(k)-----第k个采样值； Y(k)-----第k次滤波输出值； Y(k-1)-----第k-1次滤波输出值； α ----- 滤波平滑系数， T ----- 为采样周期； τ ----- 滤波环节的时间常数
3.2 数字滤波技术（13）
4、平滑系数α与T、τ的简化关系
3.2 数字滤波技术（7）
3.2.3 算数平均值滤波
算术平均值滤波公式 取N次采样值的算术平均值 作为本次采样值，即
Y (k ) 1 N
i 1
X (i)
N
Y (k )
1 N X (i) N i 1
式中 Y (k ) -----为第k次采样N个采 样值的算术平均值 X(k) -----第i个采样值 N ----- 采样次数
3.1 微型计算机数据采集系统（4）
3.1 微型计算机数据采集系统（5）
2.设计数据采集系统时要考虑的几个 问题： ①分辨率和精度。人们主要由它来决 定数据采集系统核心A/D的位数，以及某 些数据处理算法的精度(运算字长要求)。 ②采集的模拟量通道数。人们主要由 它来决定系统的结构方案，如果只采集 现场单一信号，则采用单通道结构；
3.2 数字滤波技术（8）
算术平均值滤波应用
主要用于对压力、流量等周期脉动的信号采样值进行平滑 处理。 不适用脉冲性干扰较严重的场合。 N的取值 N大，平滑度提高、灵敏度降低。 通常对流量系统 N 取 12 次，对压力系统 N 取 4 次；对于如无 噪声干扰可不用平均滤波。
3.2 数字滤波技术（9）
3.2 数字滤波技术（12）
3、RC低通滤数字波器
从控制理论的角度看，上图是一个惯性环节，其参数RC为 时间常数。该环节的传递函数为
Go (s) X (s) s 1
Y ( s) 1
式中τ=RC，为环节的时间常数。
离散化得差分方程 （用kT代替t，不写T）
Y (k ) (1 )Y (k 1) X (k )
3.2 数字滤波技术（11）
3.2.6 RC低通数字滤波
1、前面几种滤波器的特点
基本上属于静态滤波，主要适用于变化比较快的信号，如压 力、流量、速度等。对于慢速随机变化的信号，采用在短时间内 采样求平均值滤波，其效果往往不理想。
2、RC低通滤波器
右图所示为RC低通滤波器，信号
X(s)频率越高，旁路阻抗越低，信号 越容易被滤掉，信号X(s)频率越低，旁路阻抗越高，信号越不容 易被滤掉。是电子线路中常用的一种滤波器。 RC之积为滤波器的时间常数。
3.2 数字滤波技术（10）
3.2.5 滑动平均值滤波
1、算术平均值滤波与加权平均值滤波的缺点 不管是算术 平均滤波还是加权平均滤波，都需要连续采样N个数据，然后求 算术平均值或加权平均值。这种方法适合于有脉动式干扰的场合。 但由于采样N个需要的时间较长，故检测速度较慢。滑动平均值 滤波可克服此缺点。 2、滑动平均值滤波 在RAM中建立一数据缓冲区，依次存 放N个采样数据，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据 丢掉，然后求包括新数据在内的N个数据的算术平均值或加权平 均值。 3、有两种滑动平均值滤波 一种是算术平均滤波，另一种 是加权平均滤波 提示：在滑动平均值滤波开始时，要先采集N个数据存放在 缓冲区中，然后再做滑动平均值滤波。
计算机控制技术
（ 3）
周广兴
第3章 数据采集与处理系统
3.1.1 数据采集与处理系统的构成 • 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。
e
T /
5、应用
把每一个采样值X（ k）代入上式进行计算，即得到对应的 滤波后的值。
3.2 数字滤波技术（14）
3.2.7 复合数字滤波
UREF
1 20 2 19 3 18 4 17 5 16 6 15 7 14 8 13 9 12 10 11 ADC0804
D7
接数 据线
D0
LM310 数据放大器
0.1μF 0.1μF
A/D转换器
通道选通 图3-2 一个实用的64路数据采集系统
3.2 数字滤波技术
概 述
由于有各种各样的干扰，如环境温度、电场、磁场等，会使 采样值偏离真实值，因此需要将干扰滤掉，也就是进行滤波。对 于计算机系统，其滤波非常容易实现，就是一些计算程序，称为 数字滤波器，数字滤波可以实现各种各样的滤波。 数字滤波器与模拟RC滤波器相比，具有以下优点： （1）不需要增加硬件设备 （2）可靠性高 （3）可多通道共享
3.2 数字滤波技术（4）
2、限速滤波
限速滤波 也是滤掉采样值变化过大的信号 限速滤波有时需要三次采样值来决定采样结果 1）限速滤波的方法 当|Y(k)- Y(k-1)| > ⊿Y 时，不是取Y(k-1)作为本次 的采样值，而是再采样一次，取的Y(k+1)，然后根据|Y(k+1)- Y(k)| 与⊿Y 的大小关系，来决定本次的采样值。 设顺序采样时刻k-1、k、k+1，所采集到的数据分别为Y(k-1)、Y(k)、 Y(k+1) 当|Y(k)- Y(k-1)|≤⊿Y 时，采用Y(k) 当|Y(k)- Y(k-1)| > ⊿Y 时，不采用Y(k-1) ，但保留，继续采样得Y(k+1) 当|Y(k+1)- Y(k)|≤⊿Y 时， 采用Y(k+1) 当|Y(k+1)- Y(k)| > ⊿Y 时，则取(Y(k+1)+Y(k))/2为采样值 2）限速滤波的特点 既照顾了采样的实时性，又顾及了采样值变化的连 续性。不足 一是不够灵活，二是不能反映采样点数大于3时各采样数值受 干扰情况。故应用受到限制。