第三章 数据采集与处理解读
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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。
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 (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
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。
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。 数字滤波实质上是一种程序滤波。
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。
（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。
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
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。
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； 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。
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。 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。
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。
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。
与模拟滤wenku.baidu.com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。
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。 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
N E min ( y xi ) 2 i 1
y
1 N
x
i 1
N
i
y1 y2 y3 y1 y2 y3 y1 y2 y3
kT
(k+1)T
(k+2)T
t
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。 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。
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。
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。
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 (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
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。
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。 数字滤波实质上是一种程序滤波。
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。
（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。
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
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。
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； 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。
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。 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。
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。
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。
与模拟滤wenku.baidu.com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。
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。 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
N E min ( y xi ) 2 i 1
y
1 N
x
i 1
N
i
y1 y2 y3 y1 y2 y3 y1 y2 y3
kT
(k+1)T
(k+2)T
t
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。 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。
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。