计算机数据采集及处理

读书报告：计算机数据采集及处理

主要内容：计算机数据采集系统数字滤波标度变换可靠性越限报警

一、计算机数据采集系统

1.数据采集与处理的作用和分类

数据采集是指将生产过程的物理量采集并转换成数字量以后，再由计算机进行存储、处理显示或者打印的过程。计算机数据采集系统的任务，就是采集各类传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机；计算机根据需要进行相应的计算、处理并输出，以便实现对生产过程的自动监控。一般监控系统采集数据大致可分为以下八类：输入模拟量。它是指将现场具有连续变化特征的电气量和非电气量直接或经过变换后，输入到计算机系统的接口设备的物理量。适合计算机系统的模拟量参数范围包括0~5VDC、

0~10VDC、0~20mA、±20mA、4~20mA等。

输出模拟量。它是指计算机系统接口设备输出的模拟量，

输入开关量。它是指过程设备的状态或者位置的指示信号，输入到计算机系统接口设备的数字量（即开关量），此类数字输入量一般适用一位“0”或“1”表示。

输出开关量。它是指计算机系统接口设备输出的监视或者控制的数字量，在生产过程控制中为了安全可靠，一般输出开关量是经过继电器隔离的。

输入脉冲量。它是指过程设备的脉冲信息输入到计算机系统接口设备，由计算机系统进行脉冲检测的一位数字量，如机组齿盘测速信号。

数字输入BCD码。它是将BCD码制数字型的输入模拟量输入到计算机系统接口设备，一个BCD码输入模拟量一般要占用16位数字量输入通道。

数字输入事件顺序记录（SOE）量。它是指将数字输入状态量定义成事件信息量，要求计算机系统接口设备记录输入量的状态变化及其变化发生的精确时间，一般应能满足5ms分辨率要求。在监控系统中，机组货电气设备的事故信号均以SOE量输入，系统对SOE量以中断的方式响应。

外部数据报文。它是将过程设备或者外部系统的数据信息，以异步或同步报文通过串行口与计算机系统交换数据。

2.模拟量的输入与输出

模拟量的输入与输出通道，是计算机控制系统的一个重要组成部分。模拟量输入通道是将生产过程的模拟量转换成计算机可以识别的二进制数以后，传送给计算机的通道。模拟量输出通道是将计算机发出的控制信息传送给执行机构的通道。

⑴模拟量输入通道

模拟量输入通道一般是由传感器，标度变换器、采样保持器、多路采样切换器、A/D转换器级控制电路等部分组成，如下图所示：

由于计算机系统只能对数字量进行处理，而变换器所取得的电压、电流等信号均为模拟量信号，因此必须将采样所得的模拟量信号经过模数转换成数字量。模数转换的过程实际上是对

模拟量信号进行编码的一个过程。根据A/D 转换的原理不同，可以将A/D 转换分为直接

式和间接式两种。直接式A/D 转换是将模拟量信号直接转换成数字量。常见的有逐次逼近式A/D ，记数式A/D 、并行转换式A/D 。间接式A/D 转换是将模拟量信号先转换成中间变量，如脉冲周期T ，脉冲频率f 、脉冲宽度τ，再把这些中间量变成数字量。常见的有单积分式A/D ，双积分式

A/D ，V/F 转换式A/D 。

⑵模拟量输入通道的结构

① 一个输入通道分别设置一个采样保持器和A/D 转换器的结构。这种结构允许各通道同时工作，。其特点是速度快，可靠性强，即使某单一通道发生故障，也不应到其他通道的正常工作。其缺点是，如果通道数量很多的情况下，需要大量的采样保持器和A/D 转化器，成本很高。

② 多个输入通道共享一个A/D 转换器的结构。多个输入通道共享一个A/D 转换器，然后通过多路转换器分时的将各路模拟信号按顺序或者随机的将采样保持器的信号传输到共用的A/D 转换器。

这种结构因为共用一个A/D 转换器，各路信号的转换只能顺序进行，所以工作速度较慢，可靠性也不高，但是可以节省硬件设备。但是采用了多个采样保持器，所以捕捉时间得到了保证。

③ 多个输入通道共享采样保持器和A/D 转换器的结构。这种结构较上述2中结构速度更慢，可靠性也比较差，但是更节省硬件设备。由于采用了公共的采样保持器，因此在启动A/D 转换之前，必须考虑采样保持器的捕捉时间。启动A/D 转换电路之前，必须先完成保持电容器的充放电过程。

由于A/D 变换器价格昂贵，我们多采用第2类结构。采样保持器何时采样，何时保持，受到计算机控制信号的管理。

⑶A/D和D/A转换

随着计算机硬件技术的不断发展，A/D和D/A住唤起芯片本身越来越复杂，性能越来越好，使用越来越简单。电路设计人员只需按要求进行连接和进行简单编程即可。下面简要介绍以下与A/D和D/A转换器相关的技术指标。

①分辨率。数据转换的分辨率定义为转换器数字量最低二进制位（LSB）对应模拟量最小电压变化值，规定了A/D转换器所能区分的模拟量最小电压变化量，或者规定了D/A转换器能产生的模拟量的最小变化量。

②量化误差。所谓量化，就是把时间上离散而数值上连续的模拟信号以一定的准确度变为时间上和数字上都离散化或量级化的等效数值。经过量级化后的结果可能仅是输入模拟信号的近似值。这种由于量化而产生的误差只能减小不能消除，称之为量化误差。

③D/A转换器的建立时间：它是D/A转换器的主要性能指标，即从对D/A转换器施加新的数字输入开始，到模拟输出达到预定的终值的时间间隔。

④A/D转换器的转换时间：它是A/D转换器的主要性能指标，即从对A/D转换器施加新的模拟电压开始，到转换结束的时间间隔。

3.开关量的输入与输出

⑴开关量的采集与处理

无论哪种开关量输入点，开关量信号输入计算机一般是通过专门的输入/输出（I/O）接口来实现的。来自现场设备的状态分别接到I/O接口的对应位置上，由计算机取入。当被监视的设备较远时，为避免干扰，通常采用光电耦合器隔离的措施。

开关量输出通道的任务是根据计算机给出的状态量去控制设备，如控制继电器触点的闭合和断开，一操作电磁或其他执行元件控制设备。开关量的出入也常通过专门的I/O接口来传递信息的。开关量输出一般都会有光电耦合器来与现场隔离，避免干扰。