第三章 数据采集与处理

（2）加权平均滤波
算术平均值滤波存在平滑性和灵敏度的矛盾。采样次数太少则 平滑效果差，次数太多则灵敏度下降，对测量参数的变化趋势 不敏感。为协调两者关系，可采用加权平均滤波。
算术平均值滤波对每次采样值的加权系数相同，为1/N。加权平 均滤波是对各次采样值采用不同的权系数，增加新采样值的权 系数。
N
y(k) Ci xi i 1
式中，第N次为最新值，C1、C2、…、CN 为加权系数，一般 满足下式：
(i=1～N)，再寻找一个y，使y与各采样值间的误差平方和最小，
即
E

min

N
(
y

xi
)2

i1

N
y

1 N
xi
i 1
y1 y2 y3
y1 y2 y3
y1 y2 y3
kT
(k+1)T
(k+2)T
tห้องสมุดไป่ตู้
算术平均滤波实际上是在采样周期内，对测量信号多次采样， 把多个采样值相加后的算术平均值作为本次的有效采样值。
1）首先测量第0 路的校准信号（接地信号）。理论上电压 为零的信号，经放大电路、A/D转换电路进入CPU的数值应当 为零，而实际上由于零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。
2）然后依次采集1、2、… n各路的值，每次采集到的数字 量N1、N2、… Nn值是实际值与零点偏移值N0之和。
数字滤波实质上是一种程序滤波。
与模拟滤波器相比，数字滤波主要优点:
1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，可靠性高、 稳定性好。 2）一种滤波子程序可以被多个通道所共用，因而成本很低。 3）数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤 波参数，灵活、方便、功能强。 4）数字滤波能对频率很低(如0.01HZ )的信号进行滤波。克服了 模拟滤波器的缺陷。
3)对经过前两步得到的测量数据进行分析，寻找规律，判断 事物性质，生成所需要的控制信号，此称为二次处理。
信号调理都是由硬件完成，而一次和二次处理一般由软件实 现。通常所说的数据处理多指上述的一次处理。一次处理的 主要任务是提高检测数据的可靠性，并使数据格式化、标准 化，以便运算、显示、打印或记录。
3.1 误差校正处理
实现方法：系统校准原理与数字调零相似，只是把测量扩展 到现场的传感器。在需要校准时，人工接入标准信号VR进行 测量，零点漂移的补偿仍由数字调零来完成。
调零后标准输入信号VR测得的数据为NR，而实际被测输入信 号V调零后测得的数据为N，则可按如下校准式来计算V。
V VR N NR
如果在校准时，计算并存放VR／NR的值作为校准系数，则测 量校准时，只需行一次乘法即可。
方法：一般采用软件程序进行处理，对系统误差进行自 动校准。
1 数字调零
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，常把这种用软件 程序实现零点调整的方法称为数字调零。 实现方法：在测量输入通道中，计算机分时巡回采 集校准电压与n路传感变送器送来的电压信号。通过 软件程序进行调零。
有时校准输入信号VR不容易得到，这时可采用输入信号Vi。 校准时，计算机测出这时的对应输入Ni，而人工采用其它的 高精度仪器测出这时的Vi，并输入计算机中，然后计算机计 算并存放Vi／Ni的值，代替前面的VR／NR来作校准系数
系统校准主要适用于传感器特性随时间会发生变化的场合。 如电容式湿度传感器，其输入输出特性会随着时间而发生变 化，一般一年以上变化会大于精度容许值，需要每隔一段时 间进行一次系统校准。
常用的数据采集与处理技术方法包括：误差校 正、数字滤波、标度变换，越限报警等。
数据处理一般包括三方面内容：
1) 对传感器输出的信号进行放大、滤波、I/V转换等处理， 通常称为信号调理；
2)对采集到计算机中的信号数据进行进行一些处理，如进行 系统误差校正、数字滤波，标度变换等处理，通常称之为一 次处理；
在控制系统的模拟量输入通道中，一般存在传感器温度 漂移、放大器等器件的零点偏移的现象，这些都会造成 误差，从而影响测量数据的准确性，这些误差称为系统 误差。
特点：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，原则上讲，系 统误差是可以通过适当的技术途径来确定并加以校正的。
采样次数N值决定了信号的平滑度和灵敏度。提高N的值，可 提高平滑度，但系统的灵敏度随之降低，采样次数N的取值 随被控对象的不同而不同。一般情况下，流量信号可取10左 右，压力信号可取4左右，温度、成分等缓变信号可取2甚至 不进行算术平均。
平均值滤波法一般适用于含有周期性干扰的信号，但对偶然 出现的脉冲干扰信号，滤波效果不理想。
数字滤波的不足之处在于要占用CPU的运行时间。
主要数字滤波算法包括：算术平均值滤波、中值滤波、限幅滤波、 惯性滤波等。
——1 平均值滤波
平均值滤波就是对多个采样值进行某种平均来得到测量值。平 均值滤波是消除随机误差最常用的方法。可分为如下几种。
（1）算术平均滤波
算术平均值法是对输入进行N次采样，得到N个采样数据Xi
微机控制技术
第三章 数据采集与处理技术
1、误差校正 2、数字滤波 3、标度转换 4、越限报警
在计算机控制系统中，数据采集与处理是最 基本的功能。生产过程的各参数通过传感器、 变送器、输入通道，以数字量的形式进入计算 机中。计算机在对这些数字量进行控制、显示、 存储、打印之前，必须根据需要进行一定的数 据处理。
3.2 数字滤波处理
计算机系统通过输入通道采集到的数据信号，虽经 硬件的抗干扰处理，仍会有很多随机干扰噪声。因 此，为了达到准确的测量与控制，一般情况下还需 要进行数字滤波。
所谓数字滤波，就是对输入信号采样多次，然后通 过一定的程序计算或程序判断进行数字处理，以削 弱或滤除干扰造成的误差，从而获得一个真实信号 的过程。
3）数字调零就是做减法运算，采用（Ni- N0）的差值作为 本次测量的实际值。
采用数字调零，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。
2 系统校准
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。