数据采集与处理技术-1章

1.3 数据采集系统的结构形式
系统组成↗ 系统组成↗ ① 硬件 ↘ ② 软件 硬件结构形式↗ 硬件结构形式↗ ① 微型计算机数据采集系统 ↘ ② 集散型数据采集系统
1.3.1 微机数据采集系统
↗ | | 被 | 测 | 物 | 理 | 量 | | | ↘ 多路开关
传感器 传感器 传感器 模拟信号 传感器 传感器 传感器 数字信号 开关信号 程控 放大
集散型数据采集系统主要特点
系统适应能力强－－大 适应能力强－－ 小规模数采都能适用； ① 系统适应能力强－－大、中、小规模数采都能适用； 系统可靠性高－－若某数采站故障 可靠性高－－若某数采站故障， ② 系统可靠性高－－若某数采站故障，不会对系统其他部分造成 任何影响； 任何影响； 系统实时响应性好－－各站间是 真正”并行工作； 实时响应性好－－各站间是“ ③ 系统实时响应性好－－各站间是“真正”并行工作； ④ 对系统硬件要求不高－－采用多机并行处理，单机仅完成有限 对系统硬件要求不高－－采用多机并行处理， 硬件要求不高－－采用多机并行处理 的数据采集与处理工作； 的数据采集与处理工作； 另外：是用数字信号传输代替模拟信号传输 数字信号传输代替模拟信号传输， ⑤ 另外：是用数字信号传输代替模拟信号传输，有利于克服常模 干扰和共模干扰，因此特别适用于在恶劣环境下工作。 干扰和共模干扰，因此特别适用于在恶劣环境下工作。
1.5 数据处理的类型与任务
1.5.1 数据处理的类型 按处理的方式划分： 实时（在线）处理－－ ⑴ 按处理的方式划分：↗实时（在线）处理－－ ↘事后（脱机）处理－－ 事后（脱机）处理－－ 按处理的性质划分： ⑵ 按处理的性质划分：↗预 处 理－－ ↗剔除误差 | ↘标度变换 | ↗微分、积分 微分、 二次处理－－ ↘二次处理－－ ↘傅里叶变换
800ns (1) (2) 1.2µs (3) 6µs (4) tAD (5) 400ns 一个工作周期
微机数据采集系统组成
定时逻辑控制电路
⑴ 模拟多路开关开始切换 ⑵ 程控放大器放大倍数开始切换 S/H器开始保持 ⑶ S/H器开始保持 A/D开始转换 ⑷ A/D开始转换 A/D完成转换 ⑸ A/D完成转换
1.3.2 集散型数据采集系统
上位机 通信接口 数采站 数采站 数采站
各种模拟信号和数字信号
(1) 它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成 它由若干个“数据采集站” 。 (2) 数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成，位于生产 数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成， 设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务， 设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据 以数字信号的形式传送给上位机。 以数字信号的形式传送给上位机。 (3) 数据采集站与上位机之间通常采用异步串行传送数据。数 数据采集站与上位机之间通常采用异步串行传送数据。 据通信通常采用主从方式， 据通信通常采用主从方式，由上位机确定与哪一个数据采集 站进行数据传送。 站进行数据传送。
1.2数据采集系统的基本功能 1.2数据采集系统的基本功能
开关信号处理－－ ④ 开关信号处理－－ 开关信号—由按钮、行程开关等器件触点产生的信号。 开关信号—由按钮、行程开关等器件触点产生的信号。 信号处理：根据开关的状态执行相应的操作。 信号处理：根据开关的状态执行相应的操作。 二次数据计算－－ ⑤ 二次数据计算－－ 概念↗ 从传感器采集的数据。 概念↗一次数据 —从传感器采集的数据。 对一次数据作计算得到的数据。 ↘二次数据 —对一次数据作计算得到的数据。 二次数据↗平均、 二次数据↗平均、累计 傅里叶变换、 |傅里叶变换、积分变换 变化率、 |变化率、差值 最大值、 ↘最大值、最小值 屏幕显示－－将数字、图形、图表等显示在屏幕上。 －－将数字 ⑥ 屏幕显示－－将数字、图形、图表等显示在屏幕上。 数据存储－－按时间间隔，将数据存储在外部存储器。 －－按时间间隔 ⑦ 数据存储－－按时间间隔，将数据存储在外部存储器。 打印输出－－按时间间隔，打印输出数字、图形。 －－按时间间隔 ⑧ 打印输出－－按时间间隔，打印输出数字、图形。 人机联系－－操作人员用键盘或鼠标与系统对话，完成运行方式的设置。 －－操作人员用键盘或鼠标与系统对话 ⑨ 人机联系－－操作人员用键盘或鼠标与系统对话，完成运行方式的设置。
1.5.2 数据处理的任务
对采集到的电信号做物理量解释－－将没有明确物理意义的 物理量解释－－ ⑴ 对采集到的电信号做物理量解释－－将没有明确物理意义的 电压信号，转换为原来对应的物理量。 电压信号，转换为原来对应的物理量。 消除数据中的 数据中的干扰信号 －－消除在数据的采集 消除在数据的采集、 ⑵ 消除数据中的干扰信号 －－消除在数据的采集、传送和转换 过程中， 过程中，由于系统内部和外部干扰而在数据中混入干扰 信号，以保证采样精度。 信号，以保证采样精度。 分析计算数据的 计算数据的内在特征 ⑶ 分析计算数据的内在特征 －－ 对采集到的数据进行变换计算 ，以得到能表达采样数据内在特征的二次数据。 以得到能表达采样数据内在特征的二次数据。 例如，在研究振动时， 例如，在研究振动时，由于频谱更能说明振动波形对机械结 构所产生影响，因此，常对采集到的振动信号作傅里叶（FFT） 构所产生影响，因此，常对采集到的振动信号作傅里叶（FFT） 变换，得出振动波形的频谱。 变换，得出振动波形的频谱。
第 1章 绪 论
1.1 数据采集的意义与任务 1.2 数据采集系统的基本功能 1.3 数据采集系统的结构形式 1.4 数据采集系统的软件 1.5 数据处理的类型和任务
1. 数据采集的定义 数据采集——指采集温度、压力、流量等模拟量，转换成数字量，由计算 指采集温度、压力、流量等模拟量，转换成数字量， 数据采集 2. 数据采集的意义
1.4 数据采集系统的软件
设计原则：模块化（自顶向下、逐层细分），一般分为： 设计原则：模块化（自顶向下、逐层细分），一般分为： ），一般分为 ⑴ 模拟信号采集与处理程序 ⑵ 数字信号采集与处理程序 ⑶ 脉冲信号处理程序 ⑷ 开关信号处理程序 ⑸ 运行参数设置程序 系统管理（主控） ⑹ 系统管理（主控）程序 通信程序－－ －－只有集散型才有 ⑺ 通信程序－－只有集散型才有
系统特点
பைடு நூலகம்
①结构简单，易实现 结构简单， ②对环境要求不高 ③系统成本低 ④集散型的基本单元 模板齐全， ⑤模板齐全，易组成系统
1.3.2 集散型数据采集系统
上位机
通信接口 RS-485 数据 采集 站 模拟量 输入 生 产 现 场 数字量 输入 数据 采集 站 模拟量 输入 生 产 现 场 数字量 输入 RS-485 数据 采集 站 模拟量 输入 生 产 现 场 数字量 输入
微机数据采集系统的特点
系统结构简单、容易实现，能满足中、小规模数采的要求； ① 系统结构简单、容易实现，能满足中、小规模数采的要求； 微机对环境要求不高，能在比较恶劣的环境下工作； ② 微机对环境要求不高，能在比较恶劣的环境下工作； 微机价廉、可降低投资成本，即使是较小的系统也可采用； ③ 微机价廉、可降低投资成本，即使是较小的系统也可采用； 可作为集散型数采系统的一个基本组成部分； ④ 可作为集散型数采系统的一个基本组成部分； 微机的各种I/O模板及软件都较齐全 很容易构成系统，便于使用维修。 模板及软件都较齐全， ⑤ 微机的各种 模板及软件都较齐全，很容易构成系统，便于使用维修。
3. 数据采集系统的任务
4. 评价数据采集系统性能优劣的标准 5. 构成数据采集系统的依据
标准有↗系统的采样精度。 标准有↗系统的采样精度。 采样精度 ↘系统的采样速度。 系统的采样速度。 采样速度
①采集传感器输出的模拟信号，并转换成数字信号，然后送入计算机。 采集传感器输出的模拟信号，并转换成数字信号，然后送入计算机。 系统计算机对数字信号进行处理。 ②系统计算机对数字信号进行处理。
采样 保持 器
显示器 A/D 计 算 机
打印机
定时与逻辑控制 接口 绘图机
传感器— 将非电量转换为电信号。 ① 传感器— 将非电量转换为电信号。 分时切换各路模拟量与采样／保持器的通路。 ② 模拟多路开关 — 分时切换各路模拟量与采样／保持器的通路。 ③ 程控放大器 — 对模拟信号进行放大。 对模拟信号进行放大。 采样/保持器（S/H） 保持模拟信号电压。 ④ 采样/保持器（S/H） — 保持模拟信号电压。 A/D转换器 将模拟信号转换为数字信号。 转换器— ⑤ A/D转换器— 将模拟信号转换为数字信号。 接口电路— 将数字信号进行整形电平调整。 ⑥ 接口电路— 将数字信号进行整形电平调整。 ⑦ 微机与外设 ⑧ 定时逻辑控制电路 时序图
保证系统具备采样精度的条件下，有尽可能高的采样速度， 保证系统具备采样精度的条件下，有尽可能高的采样速度，以满足实时 采样精度的条件下 采样速度 处理、控制的要求。 处理、控制的要求。
1.2数据采集系统的基本功能 1.2数据采集系统的基本功能
数据采集－－按照采样周期，对模拟、数字、开关信号采样。 －－按照采样周期 ① 数据采集－－按照采样周期，对模拟、数字、开关信号采样。 模拟信号处理－－模拟信号—指信号幅值随时间连续变化的信号。 －－模拟信号 ② 模拟信号处理－－模拟信号—指信号幅值随时间连续变化的信号。 特点：在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值。 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。 优点：便于传送。 缺点：易受干扰。 缺点：易受干扰。 信号类型： 信号类型：↗ ①由传感器输出的电压信号 由仪表输出的电流信号↗ ～ ↘ ②由仪表输出的电流信号↗ 0～10mA ↘ 4～20mA ～ 信号处理： 信号处理：↗ ①将采样信号 → 数字信号 ↘ ②将转换的数字信号作标度变换 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。 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。 特点：时间和幅值都不连续的信号。 优点： 优点：抗干扰能力强 缺点：需要一套转换电路，增加成本。 缺点：需要一套转换电路，增加成本。 传送方式↗ 传送方式↗ ①并行传送 ↘ ②串行传送 信号处理：将数字信号采入计算机后，进行码制转换。 信号处理：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。 便于在屏幕上显示。
机进行存储、处理、打印的过程。 机进行存储、处理、打印的过程。 相应系统称为数据采集系统 数据采集系统。 相应系统称为数据采集系统。
1.1 数据采集的意义与任务
作用： 在生产过程中，对工艺参数进行采集、监测，为提高质量， 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 提供信息。 本，提供信息。 在科学研究中，用来获取微观、动静态信息。 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。例如，物体的运动数据记录、处理。 意义：解决靠人不能解决的问题。例如，物体的运动数据记录、处理。 结果：提高工作效率，取得较好的经济效益。 结果：提高工作效率，取得较好的经济效益。
《数据采集与信号处理》 数据采集与信号处理》
教材： 教材： TP274.Z54《数据采集与处理技术》马明建编，西安交通大学出版社，1998 TP274.Z54《数据采集与处理技术》马明建编，西安交通大学出版社， 主要参考书： 主要参考书： TP274.Z16《数据采集与处理》王正光编，国防工业出版社， ① TP274.Z16《数据采集与处理》王正光编，国防工业出版社，1985 TP274.Z36《数据采集技术》沈兰荪编，中国科技大学出版社， ② TP274.Z36《数据采集技术》沈兰荪编，中国科技大学出版社，1990 TP274.Z59《数据采集原理》肖忠祥编，西北工业大学出版社， ③ TP274.Z59《数据采集原理》肖忠祥编，西北工业大学出版社，2001 ④ TP274.2.Z1《智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用》杨振江编， TP274.2.Z1《智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用》杨振江编， 西安电子科技大学出版社， 西安电子科技大学出版社，2002 TP52《数据采集与处理》期刊，南京航空大学， ⑤ TP52《数据采集与处理》期刊，南京航空大学，1986~ ⑥TN911.6.Z3《信号分析与数据采集》(英)比彻姆等，国防工业出版社，1992 TN911.6.Z3《信号分析与数据采集》 比彻姆等，国防工业出版社， 出版社