数据采集系统的结构形式
数据采集系统(第二组)
数据采集系统的设计姓名：专业：指导老师：学号：前言数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。
随着微型计算机技术的飞速发展和普及，数据采集监测已成为日益重要的检测技术，广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。
数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
本实验采用89C51系列单片机，89C51系列单片机基于简化的嵌入式控制系统结构，具有体积小、重量轻，具有很强的灵活性，并采用AD0809模数转换芯片，具有很高的稳定性，且节约成本。
（一）、数据采集系统的基本介绍1.1 数据采集系统的简介数据采集系统一般包括模拟信号的输入输出通道和数字信号的输入输出通道。
数据采集系统的输入又称为数据的收集；数据采集系统的输出又称为数据的分配。
1.2数据采集系统的分类数据采集系统的结构形式多种多样，用途和功能也各不相同，常见的分类方法有以下几种：根据数据采集系统的功能分类：数据收集和数据分配；根据数据采集系统适应环境分类：隔离型和非隔离型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根据数据采集系统的控制功能分类：智能化数据采集系统，非智能化数据采集系统；根据模拟信号的性质分类：电压信号和电流信号，高电平信号和低电平信号，单端输入(SE)和差动输入(DE)，单极性和双极性；根据信号通道的结构方式分类：单通道方式，多通道方式。
1.3数据采集系统的基本功能数据采集系统的任务，具体地说，就是采集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，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。
与此同时，将计算得到的数根进行显示和打印，以便实现对某些物理量的监视。
1.4数据采集系统的结构形式从硬件力向来看，白前数据采集系统的结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统；另一种是集散型数据采集系统。
数据采集与处理技术
按照采样周期，对模拟、数字、开关信号
采样。
*
1.3 数据采集系统的基本功能
特点：
在规定的一段连续时间内，其幅值为 连续值。
优点：
便于传送。
缺点：
易受干扰。
信号 类型
①由传感器输出的电压信号
②由仪表输出的电流信号
0～20mA
4～20mA
*
1.3 数据采集系统的基本功能
信号 处理
①将采样信号
②将转换的数字信号作标度变换
3. 数字信号处理
数字信号—
指在有限离散瞬时上取值间断 的信号。
特点：
时间和幅值都不连续的信号。
→
数字信号
*
1.3 数据采集系统的基本功能
传送方式
将数字信号采入计算机后，进行 码制转换。如 BCD→ASCII， 便于在屏幕上显示。
1788年，英国机 械师 J.瓦特(Watt) 在改进蒸汽机的同 时，发明了离心式 调速器，如左图。
这是机械式蒸 汽机转速的闭环自 动调速系统。
当蒸汽机输出 轴转速发生变化 时，离心调速器自 动调节进汽阀门的 开度，从而控制蒸 汽机的转速。
数据 采集
1.4 数据采集系统的结构形式
结构形式 微型计算机数据采集系统 集散型数据采集系统
硬件
软件
系统组成
*
1.4 数据采集系统的结构形式
微型计算机数据采集系统
系统的结构如图1-1所示。
*
1.4 数据采集系统的结构形式
图1-1 微型计算机数据采集系统
第1章 绪 论
Part One
*
数据采集系统的基本功能
本节教学目标 理解模拟信号与处理 理解数字信号与处理 理解二次数据计算
数据采集的基本架构
数据采集的基本架构数据采集是指通过各种手段和技术，从不同的数据源中提取和收集数据的过程。
在当今信息爆炸的时代，数据采集变得尤为重要，它可以为企业和个人提供有价值的信息和洞察力，帮助决策和创新。
本文将介绍数据采集的基本架构，包括数据源、数据传输、数据处理和数据存储四个环节。
一、数据源数据源是指数据采集的起点，可以是各种不同的来源，如网页、数据库、传感器、日志文件等。
数据源的选择与采集目标密切相关，需要根据所需数据的特点和采集需求进行合理选择。
常见的数据源包括互联网上的网页和API接口、企业内部的数据库、传感器设备等。
二、数据传输数据传输是指将采集到的数据从数据源传送到数据处理的过程。
数据传输的方式多种多样，常用的方式包括HTTP协议、FTP协议、MQTT协议等。
其中，HTTP协议是最常用的数据传输协议之一，它基于客户端-服务器模型，通过URL地址和HTTP请求方法实现数据的传输。
FTP协议是一种文件传输协议，适用于大文件的传输。
MQTT协议是一种轻量级的发布/订阅模式的消息传输协议，适用于物联网设备之间的数据传输。
三、数据处理数据处理是指对采集到的原始数据进行清洗、转换、整合和提炼，以得到有用的信息和洞察力。
数据处理的过程包括数据清洗、数据转换、数据整合和数据挖掘等环节。
数据清洗是指去除无效、重复、错误和缺失的数据，保证数据的质量和准确性。
数据转换是指将原始数据转换为统一的格式和数据类型，便于后续的处理和分析。
数据整合是指将来自不同数据源的数据进行合并和整合，形成完整的数据集。
数据挖掘是指对数据进行分析和挖掘，发现其中的规律、趋势和关联性。
四、数据存储数据存储是指将处理后的数据保存和存储起来，以备后续的查询、分析和应用。
数据存储可以采用不同的形式和技术，如关系型数据库、非关系型数据库、数据仓库、数据湖等。
关系型数据库适用于结构化数据的存储和查询，具有ACID特性和SQL语言的支持。
非关系型数据库适用于半结构化和非结构化数据的存储和查询，具有高扩展性和灵活性。
数据采集与处理技术第3版(上册)课后习题解答-马明建
LSB 2
第5章 习题与思考题
③ 输入信号的最大变化率为
dU i •
dtmax
f
•Um
则 由③有
diU 3 .1 4 1 13 0 1 0 3.4 1 13 （0 V） d tmax
由②有
第5章 习题与思考题
1LSB 2
dU
•
dt
tCO
NV
( 1 1 0 0 0 . 0 % 0 2 1 6 1 ) 0 1 0 6
则最高信号频率
fmax
1
2n1(tAP
12tAP)
1
3.702kHz
2121 3.14(101)109
2
第5章 习题与思考题
5-7. 一个数据采集系统的孔径时间tAP=2ns， 试问一个10kHz信号在其变化率最大点
被采样时所能达到的分辨率是多少？
解：∵
fmax
1
2ntAP
∴ 2n 1
fmaxtAP
T d 0.00001
第3章 习题与思考题
⑵ 选择多路开关
∵ 由表3.5可知，CD4051的ton和toff 都为0.8μs
则 CD4051开关的切换时间为1.6μs
开关的切换速率
1 6250 60 2 k0 5 H 1.61 0 6
∴ 多路开关选择 CD4051。
第4章 习题与思考题
4-2. 设一数据采集系统有测量放大器，已知 R1=R2=5kΩ，RG=100Ω，R4=10kΩ ， R5=20kΩ，若R4和R5的精度为0.1%， 试求此放大器的增益及CMRR。
则
tA C 1 1 1 0 3 0 t CO 1 N 1 1 0 3 V 1 0 1 0 6 0 9 1 5 s 0
10数据采集系统的结构形式
5.数据采集系统的结构形式常见的数据采集系统主要有以下几种结构形式。
⑴每个通道具有独立的S/H和A/D的采集系统。
图3-13 单通道独立S/H和A/D型这种系统的结构形式如图3-13所示，图中，S/H为采样保持电路，A/D为模数转换电路，I/O为输入-输出接口电路。
由图可见，每个S/H、A/D和I/O组成一个信号采集通道。
也就是说，每个通道具有独立的S/H和A/D。
图3-13所示的数据采集系统，采集信号的速度快，主要用于高速数据采集和同步性要求较高的场合。
该系统采集后各通道数据是完整的，有利于分析各个通道信号的相关关系。
这种类型数据采集系统的缺点是成本高。
⑵多通道分时共享S/H和A/D的采集系统这种系统的电路结构如图3-14所示，图中，MUX为多路模拟开关。
由图可见，在这种采集系统中，只有一个采样-保持电路和模数转换电路，采取分时共享的方法，实现多通道采集。
各通道的采集和转换时间，取决于模拟开关和A/D转换器的工作时间。
由于采集的信号是通过模拟多路开关轮流切换送入S/H和A/D电路，所以被测信号是断续的，对实时测量会引起误差。
这种电路结构适合于缓慢信号的测量，也可通过加置多路模拟开关（MUX），来扩展通道数。
另外，这种电路结构简单，使用的芯片数少。
图3-14多通道分时共享S/H和A/D型⑶多通道共享A/D的数据采集系统图3-15 多通道共享A/D型图3-15是多通道共享A/D的数据采集系统。
这个系统的特点是每个通道具有独立的采样-保存电路，但A/D电路是共享的。
根据这一特点可知，这种系统的各通道可以实现同时采样，所以这种系统又叫做同步数据采集系统。
系统中的各个通道受同一个信号控制，能保证各通道在同一时刻采样。
但是，这种系统不能实现同时转换，而是只能分时共享。
⑷主计算机管理的各通道可以独立工作的采集系统图3-16是这种系统的结构示意图。
由图可知，系统各通道都有S/H和A/D电路，都有单片机和采样前的必要的预处理系统，因此各个通道的独立性很强。
逐位逼近式AD转换原理图一个n位AD转换器的模数转换表达式
①传感器 — 将非电量转换为电信号。
②多路开关（MUX） — 分时切换各路 模拟量与采样／保持器的通路。
系统 ③放大器（IA）— 多为程控放大器， 对模拟信号进行放大。 配置
④采样/保持器（S/H）—保持模拟信号 电压。 ⑤A/D转换器— 将模拟信号转换为数字 信号。 ⑥接口电路 — 将数字信号进行整形电 平调整。
采样保持电路（S/H）
由MOS管采样开关T、保持电容Ch和运放构 成的跟随器三部分组成。
Vin
采样控制
T
Ch
S(t)
－
＋
Vout
采样控制信号S(t)=1时，T导通，Vin向Ch充电，Vc和Vout跟
踪Vin变化，即对Vin采样。S(t)=0时，T截止，Vout将保持前一 瞬间采样的数值不变。
1、信号采样的过程
B、A=001时，通道S通；……当C、B、A = 111时，通道S7
选通。其结构图如图7-2-9所示，其真值表如下表所示。
Sm A 译 码 驱 动 电 平 转 换 B C INH
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
组成：逻辑电平转换、二进制译码器及 图2 -3 CD4051结构原理图 8个开关电路。 图7-2-9 CD4051结构图
S闭和 S断开
t
Vfo
频率输出 （三极管 T状态） T截止 T导通
t
T1
T
(a) 电路原理图
(b) 波形图
图7-2-8 电荷平衡式V/F转换原理
由积分器、比较器和整形电路构成的 VFC电路，把模拟电压变换成相应频率的 脉冲信号，其频率正比于输入电压值， 然后用频率计测量。VFC能快速响应，抗 干扰性能好，能连续转换，适用于输入 信号动态范围宽和需要远距离传送的场 合，但转换速度慢。
数据采集系统.
二、数据采集系统的基本功能
① 时钟功能。确定数据采样周期，同时也能为系统 提供时间基淮。
② 数据采集。将现场检测传感器送来的模拟电信号 按一定的次序巡回的采样、进行A／D转换并存储 数据，即完成数据的采集。
③ 信号处理。 模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理
④ 数据存储。 ⑤ 显示和打印输出。
四、模拟信号调理
在一般测量系统中信号调理的任务较复杂， 除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放 大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、 温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作 统称为信号调理，相应的执行电路统称为信号 调理电路。
1、传感器的选用
传感器是信号输入通道的第一道环节，也 是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要 正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系 统需要什么样的传感器——系统对传感器的技 术要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些 可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格 进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最 高的传感器。
利用多路模拟开关让多个被测对象共用同一个 采集通道，这就是多通道数据采集系统的实质。
集中采集式— 多路分时采集分时输入 （多通道共享采样/保持器和A/D转换器）
• 工作过程：各路被测参数共用一个采样/保持器和A/D转换 器。在某一时刻，多路开关只能选择其中某一路，把它接 入到采样/保持器的输入端。当采样/保持器的输出已充分 逼近输入信号时，在控制命令的作用下，采样保持器由采 样状态进入保持状态，A/D转换器开始进行转换，转换完 毕后输出数字信号。在转换期间，多路开关可以将下一路 接通到采样保持器的输入端。系统不断重复上述操作，实 现对多通道模拟信号的数据采集。
频率量及开关量输出传感器的使用
计算机数据采集与处理作业2
1-3.简述数据采集系统的基本结构形式，并比较其特点。
答：从硬件方面来说数据采集系统的结构形式主要有两种：一种是计算机数据采集系统，另一种是集散型数据采集系统。
计算机数据采集系统的特点是：（1）系统机构简单，技术上容易实现，能够满足中小规模数据采集的要求；（2）对环境的要求不是很高，能够在比较恶劣的环境下工作；（3）价格低廉，降低了数据采集系统的成本；（4）数据采集系统可作为集散型数据采集系统的一个基本组成部分；（5）各种I/O 模版及软件都比较齐全，很容易构成系统，便于使用和维修； 集散型数据采集系统的特点是：（1）系统的适应能力强；（2）系统的可靠性高；（3）系统的实时响应性好；（4）对系统硬件要求不高；1-4. 数据采集系统的软件功能模块是如何划分的？各部分都完成哪些功能？答：（1）模拟信号采集与处理程序对模拟输入信号进行采集、标度变换、滤波处理及二次数据计算、并将数据存入磁盘。
（2）数字信号采集与处理程序是对数字输入信号进行采集及码制之间的转换。
（3）脉冲信号处理程序是对输入的脉冲信号进行点评高低判断和计数。
（4）开关信号处理程序包括一般的开关信号处理程序和中断型开关信号处理程序。
（5）运行参数设置程序对数据采集系统的运行参数进行设置。
（6）系统管理（主控）程序首先是用来将各个功能模块程序组织成一个程序系统，并管理和调用各个功能模块程序，其次是用来管理数据文件的存储和输出。
（7）通信程序用来完成上位机与各个数据采集站之间的数据传送工作。
1-7.数据处理的主要任务是什么？（1）对采集到的电信号做物理解释；（2）消除数据中的干扰信号;(3)分析计算 机数据的内在特征。
2-3. 对某种模拟信号x(t)，采样时间间隔Ts 分别为4ms 、8ms 、16ms ，试求出这种模拟信号的截止频率c f 分别为多少？答：不产生混频现象的临界条件是12s c sf f T ==，当采样时间间隔Ts 分别为4ms 、8ms 、16ms 时，采样频率分别为250Hz,125 Hz,62.5 Hz,则最小截止频率分别为125 Hz ，62.5 Hz ，31.25 Hz 。
数据采集系统基本组成
2R 2R 2R 2R
2R// 2R=R R R R R+R=2R
所以流入节点A的电流
Iout1
A Iout2
Sn-2 S n-1
II
22
21
2R 2R
R
R A I VREF
I VREF R
所以流入相邻左侧节点的电流依次减半。
Uo
S n-1
I
21
I
21 2R VREF
2R A I
d0 d1 d2
H
A22 A32 ... 100%
A12 A22 A32 ...
A1为基波振幅，Ak为第k次谐波的振幅。
微弱信号检测方法
提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法: 从传感器及放大器入手: 降低固有噪声水平、研制新的低噪声
传感器。 分析测量中的噪声规律和信号规律，通过各种手段从噪声中
信号中有高频噪声
负载需要交流开关 或大电流
低通滤波器
SPDT继电器 什么态继电器
倒T型电阻解码网络 D/A转换器
倒T型电阻网络是集成DA转换器中采用最多的一种。从节点A 向左看, 每个节点等效电阻均为2R。
d0 d1 d2
d n-2 d n-1
R
S0
S1
S2
II
II
2n 2n
2n-1 2 n-2
u O
2
R4 R3
uO1
(u O1
u) O2
(1
R1 R
R 2 )u Id
G
输出uO与共模信号uIc无关
放大器具有很高的抑制 共模信号的能力
R S
b1
+ _
u
Id
b2
数据采集技术
数据采集技术
数据采集系统的基本功能 （8）打印输出：按照时间间隔或人为控制， 将各种数据以表格或图形的形式打印出来。 （9）人机联系：操作人员通过键盘和鼠标 与数据采集系统对话，完成对系统的运行方式、 采样周期等参数设计。
数据采集技术
数据采集系统的结构形式
硬件 系统组成 ｛ 软件 微型计算机数据采集系统 结构形式 ｛ 集散型数据采集系统
数据采集技术
数据采集应用领域 在科技快速发展的今天，数据采集技术已经 被广泛应用于互联网和物联网及分布领域，其 他领域已经发生了重要的变化。列如：卫星、 智能交通(轨道交通、车载黑匣子、汽车点火 系统检测)等
数据采集技术
数据采集应用领域
车载黑匣子
卫星系统
数据采集技术
数据采集系统的结构形式
数据采集技术
•数据采集系统的结构形式 系统的特点：
的基本单元 模板齐全，易组成系统
数据采集技术
数据采集系统的结构形式
数据采集技术
•数据采集系统的结构形式 系统的特点：
①适应能力强 ②可靠性高 ③实时性好 ④对硬件要求不高
数据采集技术
数据采集技术
数据采集的定义
数据采集——指采集温度、压力、电压、电 流、声 音等模拟量，转换成数字量，由计算机进行存储、处 理、打印的过程。
相应的系统称为数据采集系统
数据采集技术
数据采集的作用
①在生产过程中，对工艺参数进行采集、 监测，为 提高质量，降低成本提供信息。 ②在科学研究中，用来获取微观、 动静态信息。
意义：解决靠人不能解决的问题。
数据采集技术
数据采集与监控系统
数据采集与监控系统一、引言数据采集与监控系统是一种用于收集、处理和分析数据的软件系统，它可以帮助用户实时监测和管理各种数据源，并提供可视化的数据报告和分析结果。
本文将详细介绍数据采集与监控系统的标准格式，包括系统架构、功能模块、数据采集与处理流程、数据监控与报告等方面的内容。
二、系统架构数据采集与监控系统的架构主要由以下几个组件组成：1. 数据源：包括传感器、设备、数据库等各种数据源，用于采集原始数据。
2. 数据采集模块：负责从数据源中采集数据，并将其传输到系统的后端服务器。
3. 后端服务器：接收和存储采集到的数据，并进行数据处理和分析。
4. 前端界面：提供用户界面，用户可以通过界面实时查看数据、配置监控规则以及生成数据报告。
三、功能模块数据采集与监控系统通常包括以下几个核心功能模块：1. 数据采集：负责从各种数据源中采集数据，包括传感器数据、设备状态数据等。
2. 数据传输：将采集到的数据传输到后端服务器，保证数据的实时性和准确性。
3. 数据存储：将采集到的数据存储到数据库中，以便后续的数据处理和分析。
4. 数据处理：对采集到的数据进行清洗、转换和计算等操作，以便生成有用的数据指标。
5. 数据分析：基于采集到的数据进行统计分析和趋势预测，帮助用户了解数据的变化趋势和规律。
6. 数据监控：根据用户设定的监控规则，实时监测数据的异常情况，并及时发出警报。
7. 数据报告：生成可视化的数据报告，帮助用户直观地了解数据的状态和趋势。
四、数据采集与处理流程数据采集与监控系统的数据采集与处理流程主要包括以下几个步骤：1. 配置数据源：用户需要配置系统中的数据源，包括传感器、设备等，以便系统能够从这些数据源中采集数据。
2. 数据采集：系统定时或实时地从配置的数据源中采集数据，并将其传输到后端服务器。
3. 数据存储：后端服务器接收到采集到的数据后，将其存储到数据库中，以便后续的数据处理和分析。
4. 数据处理：系统对采集到的数据进行清洗、转换和计算等操作，以便生成有用的数据指标。
数据采集系统设计(1)
二、运用前置放大器的依据
当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。
U
om
ax
100
1 100
9 21.6
1 9
1
31.6V
由上述计算可见，送入A/D转换器的输入规范电压为 0～3.16 V，同时， 由于 电路被接成串联负反馈形式并且采用自举电源，因此0.1 V、 1 V和10 V三挡量程的 输入电阻高达10 000 MΩ。10 V和1000 V挡量程由于接入衰减器，输入阻抗降为10 MΩ。
V6
9 k
＋ 15 V
147 k
V5
1 k
量程标定电路原理
(2) 1V量程。V8、V10导通，此时放大电路被接成串联负反馈放大器，其放大 倍数Af及最大输出电压Uomax分别为
21.6 9 1 Af 9 1 31.6 Uomax 1 31.6 3.16V
(3) 10V量程。Ｖ7、V9导通，放大电路被接成跟随器，放大倍数为1，然后输出 经分压，此时
(1) 0.1 V量程。V8、V6导通，放大电路被接成电压负反馈放大器， 其放大倍 数Af及最大输出电压Uomax分别为
Af
21.6 9 1 31.6 1
Uomax 0.1 31.6 31.6V
100 k
S1.
S1.
△
Hi
1
2
＋∞
9.9 M
Lo
－
100 k
V8 Uo
V9
数据采集系统
可以使用普通的数十微秒A／D转换器从 容地分时处理这些信号。但当分时通道 较多时，必须注意泄漏及逻辑安排等问 题；当信号频率较高时，使用多路分路 开关后，对A／D的转换速率要求也随之 上升。 在数据通过率超过40～50kHz时，一般 不再使用分时的多路开关技术。
2011-4-27 16
2011-4-27 27
2011-4-27
28
采样信号的频谱有时也叫做矩形脉冲序列 的或调幅脉冲序列的线频谱或幅频谱。为 了分析f*(t)的频谱，先要确定采样控制脉冲 S(t)的频谱。设S(t)是宽度为t0、周期为Ts的 矩形脉冲串，由富氏级数展开式可得到：
t0 2t0 sin( nω s t0 / 2) S (t ) = + ∑ nω t / 2 cos nωst Ts Ts n =1 s 0
2011-4-27 12
放大器用来放大和缓冲输入信号。由 于传感器输出的信号较小，例如常用 的热电偶输出变化，往往在几毫伏到 几十毫伏之间；电阻应变片输出电压 变化只有几个毫伏；人体生物电信号 仅是微伏量级。因此，需要放大。以 满足大多数A／D转换器的满量程输入 5～10 V的要求。
2011-4-27 13
2011-4-27 9
9.1.1 数据采集系统基本组成
数据采集系统包括硬件和软件 两大部分，硬件部分又可分为 模拟部分和数字部分，基本组 成示意图。
2011-4-27 10
M
M
M
图9-1 数据采集系统硬件基本组成
2011-4-27
11
传感器和电路中的器件常会产生噪 声，人为的发射源也可以通过各种 耦合渠道使信号通道感染上噪声， 例如工频信号可以成为一种人为的 干扰源。这种噪声可以用滤波器来 衰减,以提高模拟输入信号的信噪 比。
采集系统方案
多路采集系统设计方案一．需求分析1.采集系统输入信号路数：3路以上2.采集系统硬件结构：3种结构方式（①并行式②多路式）3.输入信号类型（模拟还是数字）4.输入信号质量（精度要求，是否需要信号调理）5.处理器要求6.输出信号传输方式7.传输协议二．方案设计1.总体方案设计采集系统是由控制器件结合外围电路所构成，基本组成如图1所示：图1 总体方案采集系统硬件主要包括传感器、采集器、控制器、通讯模块等。
基于控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：数据采集是将被测量的信号由采集器进行采集，并转换为能够被控制器所识别的信号并输入给控制器；控制器对采集的数据进行处理，并将处理结果输出到通讯模块。
2.技术方案设计1)并行采集方案。
这种方案的硬件结构由多个AD转换器构成。
对每路输入信号都有独立的采集转换电路，每一路占有一个通道，结构框图如图2所示。
图2 并行采集方案这种方式通常用于高速数据采集和需要同时采集多路数据的情况。
其优点是通道数增加时，最高采样频率不会受到影响，并可同时采集多路信号，保持了各信号之间的同步关系。
缺点是成本较高、体积较大。
2)多路采集方案。
该方案中，输入信号由多路开关可选择地将各路信号送入AD转换器进行转换。
结构框图如图3所示。
图3 多路采集方案这种转换方式较上一种方式慢，并且得到的各通道信号是断续的。
在通道数增加时，采集频率受到影响。
当采样保持电路用同一个信号控制时，既可保证同一时刻采集到各通道参数，又可保证信号间的同步关系。
这种方式主要用于对采集频率要求不高的多路信号的采集。
三．器件选型器件选型中，最主要的是传感器选型和AD采集器选型，同时作为处理核心的处理器也不可忽视，并且有些处理器内部自带采集器！综合文献所述，数据采集系统大致可分为四类：(1)基于通用微型计算机（如PC机）的数据采集系统这种系统主要功能是将采集来的信号通过外部的采样和AD转换后的数字信号通过接口电路送入PC机进行处理，然后再显示处理结果或经过DA转换输出。
数据采集的基本架构
数据采集的基本架构数据采集是指通过各种手段和工具，收集和获取数据的过程。
在当今信息化时代，数据采集变得尤为重要，它不仅可以为企业决策提供依据，还可以为科学研究和社会发展提供支持。
本文将介绍数据采集的基本架构，包括数据源、数据采集工具、数据传输和数据存储等方面。
一、数据源数据源是数据采集的起点，它可以是各种各样的数据来源，比如传感器、数据库、网站、社交媒体等。
数据源的选择要根据具体的需求和目标来确定，以保证采集到的数据具有一定的价值。
例如，如果要采集天气数据，可以选择气象站作为数据源；如果要采集用户行为数据，可以选择网站或移动应用作为数据源。
二、数据采集工具数据采集工具是指用于从数据源中提取数据的工具。
常见的数据采集工具包括网络爬虫、API接口、数据库查询等。
网络爬虫可以自动化地从网页中提取数据，API接口可以通过调用接口获取数据，数据库查询可以通过SQL语句从数据库中提取数据。
选择合适的数据采集工具可以提高数据采集的效率和准确性。
三、数据传输数据传输是指将采集到的数据从数据源传输到数据存储的过程。
数据传输可以通过网络进行，也可以通过物理介质进行。
在数据传输过程中，要注意数据的安全性和完整性。
可以使用加密算法和传输协议来保证数据的安全传输，可以使用校验和和冗余校验等方法来保证数据的完整传输。
四、数据存储数据存储是指将采集到的数据保存起来，以备后续分析和使用。
数据存储可以采用各种形式，包括数据库、文件系统、云存储等。
选择合适的数据存储方式要考虑数据量、数据结构、数据访问速度等因素。
此外，还要考虑数据的备份和恢复，以防止数据丢失或损坏。
五、数据清洗和处理在数据采集过程中，采集到的数据可能存在噪声、异常值、缺失值等问题，需要进行数据清洗和处理。
数据清洗是指去除数据中的噪声和异常值，数据处理是指对数据进行加工和转换，以便于后续分析和使用。
数据清洗和处理可以使用各种算法和技术，如数据清洗算法、数据转换技术、数据合并和分割等。
数据采集复习
1.1 20世纪80年代 数据采集系统有两类：一类是以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成；第二类是以数据采集卡、标准总线和计算机构成。
1.2数据采集:指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。
相应系统称为数据采集系统。
1.3数据采集系统的任务：①采集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，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。
②将计算所得出的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。
1.4评价数据采集系统性能优劣的标准有采样精度和采样速度。
1.5 数据采集系统的基本功能：采集数据，模拟信号处理，数字信号处理，开关信号的处理，二次数据计算，屏幕显示，数据存储，打印输出，人机联系。
1.6数据采集系统主要有硬件和软件组成。
结构形式：①微型计算机数据采集系统②集散型数据采集系统 1.7微型计算机数据采集系统的组成：传感器，模拟多路开关，程控放大器，采样/保持器，A/D 转换器，接口电路，微机及外部设备，定时与逻辑控制电路。
1.8数据处理的类型：①按处理方式：实时（在线）处理、事后（脱机）处理②按处理性质：预处理（剔除误差，标度变换）、二次处理（微分、积分，傅里叶变换） 1.9数据处理的任务：①对采集到的电信号做物理量解释②消除数据中的干扰信号③分析计算数据中的内在特征2.1模拟信号转换成数字信号过程①时间断续②数值断续（量化，编码） 2.2采样过程：一个连续的模拟信号x(t)，通过一个周期性开闭（周期为Ts ，开关闭合时间为τ）的采样开关K 之后，在开关输出端输出一串在时间上离散的脉冲信号xs(nTs )。
2.3采样定理：设有连续信号x(t)，其频谱X(f)，以采样周期TS 采得的信号为xs(nTs )。
采样定理一指出：对一个频率在0～ fc 内的连续信号进行采样，当采样频率为 fs ≥2 fc 时，由采样信号 xs(nTs )能无失真地恢复为原来信号x(t) 。
大数据平台描述
大数据平台在系统结构上包括数据采集系统、数据库管理系统、数据融合系统、资源服务管理系统、平台管理系统、任务调度管理系统、数据分析系统、数据可视化系统，如图所示:图：大数据平台系统结构1.1.1.1数据采集系统1）系统概述数据采集子系统通过多种方式和途径，把政府和企业各个部门的数据、物联网的数据、互联网的数据汇聚到大数据中心。
基于大容量、消息和事件的数据导入，面向不同格式的结构化、非结构化和流形式的城市数据，提供易于运营的多种数据源管理和格式转换以及原始数据的临时存储。
2）系统结构数据采集子系统通过丰富多样可供选择的采集方式，包括系统直采填写、数据导入、数据交换、网络抓取、API接口调用、感知设备对接等多种方式把政府和企业各个部门的数据汇聚到数据服务中心。
数据格式包括传统的结构化数据，或视频、录音、图片、文本等非结构化的数据，并可实现采集自动归类和预处理。
其基本原理如下图所示：图：数据采集总体架构数据采集子系统通过不同数据节点，通过数据的推拉，将政府和企业各部门的数据汇聚到数据服务中心，形成数据服务中心的基础数据资源库。
3)系统功能数据采集系统的功能包括数据源管理、指标项管理、集群管理、流程管理、流程日志、服务日志、插件管理。
(1)数据源管理：数据源管理主要解决政府各个部门、互联网爬取站点和物联网设备的数据源注册和管理，目前系统支持数据源包括：MySQL数据库、Oracle数据库、Hbase、Hive、NoSQL数据、云数据库、大文件系统、小文件系统等各种关系性数据库和非关系数据库。
数据源中存储了所有建立数据库连接的信息，就象通过指定文件名可以在文件系统中找到文件一样，通过提供正确的数据源名称，用户可以找到相应的数据库连接；能够实现多类型数据源的注册、查询和管理等功能。
(2)指标项注册：包括采集指标项注册，下发指标项注册，对需要做共享交换的数据进行登记，配置好交换数据的源和目标，这个功能就是对所有指标项做统一的管理。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
数据采集系统的结构形式：微型计算机数据采集系统、集散型数据采集系统、分布式数据采集系统
微型计算机数据采集系统
组成：传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、计算机、外设等。
特点：系统结构简单，容易实现、对环境的要求不高、成本低。
是集散型数据采集系统的一个基本组成部分
集散型控制系统由若干个数据采集站和一台上位机及通信线路组成
信号分类：确定性（周期性和非周期性）、非确定性
传感器
敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的某一物理量的元件。
转换元件：负责把敏感元件输出的物理量转换为电路参数。
转换电路：把电路参数接入转换电路，转换为电量输出。
能量控制型传感器：传感器输出量的能量由外部能源提供，但受输入量控制。
这类传感器需要外接电源。
电阻、电感、电容等电路参量传感器均属此类。
特性：
静态特性：衡量的指标主要有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性
动态特性：瞬态响应特性、频率响应特性
温度传感器
特性：
半导体热敏电阻
特点：
1、温度系数比金属大，约达4~9倍，可以有正的或负的温度系数，可根据需要
可以选择
2、电阻率大，支撑的电阻元件体积较小，热惯性小，适用于测量点温、表面温
度和快速变化的温度
3、结构简单，机械性能好，能根据需要制成不同形状
4、缺点：线性度较差，只能在较窄频率范围内有较好的线性度。
热电偶：普通型热电偶、铠装型热电偶、表面热点偶、薄膜热电偶、快速消耗型热电偶
常见模拟多路开关：机械式多路开关、电磁式多路开关、电子式多路开关
数据采集系统的目的：利用计算机的强大数据处理能力来处理数据。
在模拟信号输入通道中，是否需要加采样/保持器，取决于模拟信号的变化频率和A/D转换的孔径时间。
对不同频率的信号与有选择性的电路称为滤波器
滤波器的类型：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器、全通滤波器、程控有源滤波器等。
有源滤波器：
种类：RC有源低通滤波器、RC有源高通滤波器、RC有源带阻滤波器、RC有源带通滤波器、微处理器程控有源滤波器
A/D转换器的主要指标：转换精度、转换时间、A/D转换器的效能规格（直流精确度、动态效能）
A/D转换器主要类型：并行比较型A/D转换器、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器、压频变换型A/D转换器、∑-Δ型A/D转换器、流水线型A/D
转换器、光学模数转换器、视频解码器
A/D转换器的功能：
1．抽样：将模拟信号在时间上离散化，使之成为抽样信号
2．量化：将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号
3．编码：将数字信号表示成系统所能接受的形式
D/A转换器接口的技术性能指标（接口有关的技术性能指标作介绍）
1．分辨率：分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关
2．建立时间：建立时间是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出达到终值误差±1/2LSB（最低有效位）时所需的时间
3．接口形式：D/A转换器与单片机的接口方便与否，主要取决于转换器本身是否带数据锁存器
音频D/A转换器
包括：一个高级数字内插滤波器、一个具有革命性的“线性补偿”多位∑-Δ高频脉动调制器、一个D/A转换器、开关电容、连续时间模拟滤波器和模拟输出驱动电路
内插滤波器目的：增加采样频率是第一信号图像移到过采样频率范围，减轻模拟重建滤波器的衰减需要。
结构：采用多级FIR数字滤波器结构，第一级是衰减均衡器，第二、三级是半边带滤波器，第四级是二阶梳状滤波器
使用一个4位二级∑-Δ调制器、有17级量化，对输入信号的采样率则为输入采样频率的128倍，有更多的量化电平和更高的过采样率，输出频谱包含了很低的频带外噪声能量，可以将输出信号调整到一个更宽的基准电压范围，从而增加整个转换器的动态范围
键盘分类：编码键盘、非编码键盘（按编码方式）；独立连接式、矩阵连接式（按键组连接方式）
独立式键盘
定义：每键相互独立，各自与一条I/O线相连，CPU可直接读取该I/O线的高/低电平状态
优点：硬件、软件结构简单，按键速度快，使用方便
缺点：占I/O口线多
行列式键盘：用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上
键盘的形式分类
1．按键的形式分类：机械式、电容式、电感式、磁感式、薄膜式、橡胶垫式2．按插口的形式分类：串口、并口、USB
3．按键盘编码方式分类：编码键盘、非编码键盘
鼠标组成：位置传感器、专用处理芯片、采样机
显示器：LED、LCD
LED显示器的显示方式：静态显示、动态显示
形成硬件干扰的基本因素：干扰源、传播途径、敏感元件
干扰窜入应用系统的主要途径：通过电磁波辐射窜入系统的空间进行干扰；通过输入输出的通道进行干扰；电源的干扰
硬件抗干扰的主要方法：抑制干扰源、切断干扰传播途径、选择良好的单片机与元器件
数据采集所得的原始信号在分析处理前需要进行预处理，以提高数据的可靠性和真实性
测量误差的分类：系统误差、随机误差、粗大误差
PCI总线：一种高带宽、独立于处理器的总线，主要用于高速外设的I/O接口和主机相连
PCI总线特点：
1．它与CPU的时钟频率无关，采用自身的33MHz总线频率
2．数据线宽度为32位，可扩充到64位
3．它比VL总线的速度更快。
它支持无限突发传输方式，而VL仅支持有限的突发数据传送；PCI总线支持并发工作，即挂接在PCI总线上的外设能与CPU 并发工作
4．一个或多个PCI总线通过PCI桥（PCI控制器）和处理器总线相连；而处理器总线只连接处理器/Cache、主存储器和PCI桥
5．PCI桥使PCI总线于处理器，并且提供了数据缓冲功能
6．高速的PCI总线和低速的ISA/EISA总线之间通过PCI桥相连接，使得高速设备挂接在PCI总线上，而低速设备挂接在ISA、EISA上
7．可以有多个PCI总线，PCI总线之间也是用相应的PCI桥连接。
PCI总线支持广泛的基于微处理器的配置。
PCI总线可以用在单处理器系统中，也可以用于多处理器系统中。
3.2.3。