数据采集与处理技术.pptx

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1、4.1 数据采集系统概述 在现代生产过程中，需要对大量的过程参数进行观测、记录与分析，这就要求对过程参数进行检测，然后根据获得的数据作出相应的处理，以便人们对系统运行情况进行了解和决策，这就是数据采集与处理，所构成的系统也就是数据采集系统（DAS）。一、数据采集系统的概念第1页/共51页 微机数据采集系统的任务就是对生产现场的过程参数定时进行检测、记录、存储、打印、制表、显示及越线报警。微机数据采集系统并不对生产过程实施自动控制，不对生产过程产生直接影响。二、数据采集系统的任务第2页/共51页 1.分辨率和精度 它决定了对A/D转换器的位数要求。2.采集的模拟量通道数 它决定了系统的结构。3.

2、采样周期 选取采样周期时要考虑信号处理中采样周期和闭环控制系统的采样周期。三、设计数据采集系统应考虑的问题第3页/共51页4.2 模拟数据采集技术 多路采样开关、采样保持器、A/D转换器等构成了DAS的数据输入通道。如图所示为8路模拟电压自动巡回数据采集系统。一、模拟数据采集电路第4页/共51页t8路模拟电压自动巡回数据采集系统第5页/共51页（1）延时方式（2）查询方式（3）中断方式（4）DMA方式二、模拟数据采集软件的流程图 1.数据采集控制方式第6页/共51页t延时方式时ADC0809与8051的接口电路第7页/共51页t查询方式时ADC0809与8051的接口电路第8页/共51页t中断

3、方式时ADC0809与8051的接口电路第9页/共51页tDMA方式的接口电路第10页/共51页 2.数据采集软件流程图 主程序和键盘中断程序 第11页/共51页 定时中断 第12页/共51页 和常规的模拟系统相比，计算机数据处理系统具有如下优点：（1）可用各种程序代替硬件电路，甚至完全不需要硬件。从而大大降低系统成本。（2）能够自动修正各种误差，提高测量精度。对于系统中的各类误差，如非线性误差、温度误差、零点漂移误差、随即误差等，都可实现找出其规律，采用软件的方法加以修正。（3）能够对被测参数进行复杂的计算和处理。（4）能够实现对传感器和测量装置的监控，提高系统的可靠性。三、模拟量数据采集的

4、处理方法第13页/共51页 计算法就是在已测参数的基础上，利用各种运算程序计算出需要的参数。用计算法处理数据一般可按以下步骤进行：a.根据物理和工程实际求出被测参数的数学表达式；b.根据要求的精度，确定A/D转换器的位数，并设计出相应的硬件电路；c.根据被测参数的数学表达式，进行相应的数据处理。1.线性化处理程序设计 1）计算法 第14页/共51页 若测量数据与转换的电信号有明确的数学表达式，且该表达式又便于计算，则可利用计算机强大的计算功能将该表达式转换为线性关系后再进行计算。如热电偶，其输出电势E与被测温度T之间为非线性关系，可用一个多项式表示：项数和系数取决于热电偶类型和测量范围，一般n

5、4。第15页/共51页 这时，只要由里向外逐次计算，就可把一个高次非线性方程的运算简化了。对可作如下变换第16页/共51页 又如孔板流量计测出的差压P和流量Q之间关系为：对于这种开平方的非线性关系常用牛顿迭代公式进行线性化处理。其迭代公式为：K为系数 常用的牛顿迭代初值是y0=（1+x）/2，当yn和 之间的误差随着迭代次数减小到规定值时，就停止运算。第17页/共51页第18页/共51页 有些非线性参数不能用一般算术运算计算出来时，可采用查表法。即预先编制一张表格，把具有非线性关系的参数按一定顺序置于表内，然后通过查表程序根据被测参数的值最终查出所需的结果。常用的查表法有：2）查表法v顺序查表

6、法 v计算查表法 v对分查表法 第19页/共51页v 顺序查表法 顺序查表法的步骤如下：（1）设定表格的起始地址。（2）设定表格的长度。（3）设定要搜索的关键字。（4）从表格的第一项开始，比较表格数据和关键字，进行数据搜索。第20页/共51页v 计算查表法 计算查表法适用于数据按一定的规律排列，并且搜索内容和表格数据地址之间的关系能用公式表示的有序表格。例如：设计一巡回检测报警装置，要求能对16个通道输入值进行比较，当某一通道输入值超过该路的报警值时，发出报警信号。通道值和报警值的存放地址之间的关系可用下面的公式表示：报警值存放地址=数据表格起始地址+通道值2第21页/共51页v 对分查表法

7、对分查表法是先取数据中的中间值(N/2 的值,N为数据总数)与要搜索的x值进行比较,若相等,则搜到,若不相等,则根据查找值的大小继续进行,如果x 大于N/2 值,则下一次取N/2N的中值与x 比较,若x 小于N/2 处的值,则取0N/2 的中值进行比较,如此逐次逼近要搜索的关键字,直到找到为止。对分查表法的最高搜索次数Log2N-1。和顺序查表法相比，对分法可以大大减少查表次数，提高检索效率。第22页/共51页 3）折线法（线性插值法）在实际工作中，有许多非线性关系只能通过一条曲线来表示，对于这种场合可用折线法及非线性插值逼近法来解决。曲线斜率变化越小，替代直线越逼近特性曲线，则折线法带来的误

8、差就越小。因此，折线法适用于斜率变化不大的特性曲线的线性化。插值基点取得越多，替代直线越逼近实际的曲线，插值计算的误差就越小。因此，只要插值基点足够多，就可以获得足够的精度。第23页/共51页 图为某热电偶温度T热电势E的关系曲线。若将曲线分成若干段，把相邻分段点用折线连接起来，用折线代替曲线，则为直线方程关系。EX 测量热电势；TX 待求的温度；En-1、En 折线段两端热电势；Tn-1、Tn 折线段两端温度值；热电偶T-E关系折线近似法 第24页/共51页 将曲线分段的方法主要有两种：v 等距分段法 等距分段法就是沿x或y轴方向等距离选取分段点。这种方法的优点是使公式中的 为常数，从而简化

9、计算，节省内存。缺点是当函数的曲率和斜率变化较大时，将会产生一定的误差；否则必须把基点细分，这样将占据更多内存，影响计算进度。第25页/共51页v 非等距分段法 非等距分段法是根据曲线的形状及其变化率的大小来修正差之间的距离，曲线变化大的，插值间距取小一些；反之去大一点。即各分段点间是不等距的。这种方法的优点是可以提高精度，但插值点的选取比较麻烦。第26页/共51页 一般A/D转换后得到的数字量，不一定具有原来物理量的量纲。必须把它变换成带有量纲的数值后才能运算，显示或打印输出，这种转换就是标度变换。1）线性参数的标度变换 前提条件是被测参数值与A/D转换结果为线性关系。线性标度变换的公式为

10、2.工程量标度变换第27页/共51页Am、A0为测量仪表的上下限；Ax为实际测量值；Nm、N0为A/D转换后数字量的最大最小值；Nx为测量值所对应的数字量。第28页/共51页 例 某温度测量仪表的量程为200800，对应模拟信号为15V，采用线性热电阻测温。用位A/D转换器，当输入是时的输出是00HFFH。设某一时刻计算机采集到的数字量为99H，对其进行工程量线性转换。解：已知Am800,A0200,Nm=FFH=255D,Nx=99H=153D,在温度为200时，因检测所得模拟电压为1V，相应的数字量为 N0=255/5=51D,所以对数字量99H的工程量线性转换结果为第29页/共51页 例

11、 如 当 用 差 压 变 送 器 来 测 量 流 量 时，由 于 差 压 与 流 量 的 平 方 成 正 比（）。这样，实际流量与差压变送器并经A/D转换后的测量值Nx成平方根关系。这时可采用如下计算公式：Am,A0为一次测量仪表的上下限；Qx为实际测量值（工程量）；Nm,N0为仪表上下限对应的数字量；Nx为测量值所对应的数字量。2）非线性参数的标度变换第30页/共51页3.3.上下限检查 第31页/共51页 数字滤波是一种软件程序滤波，与模拟滤波器相比，数字滤波有以下优点：)数字滤波是用程序实现的，无需增加硬设备，而且滤波器（滤波程序）可多通道共享，降低了开发成本。四、数字滤波第32页/共5

12、1页 )数字滤波可以对低频信号（如0.01Hz以下）实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。)数字滤波可以根据信号的不同，采取不同的滤波方法或滤波参数，使用方便灵活。)数字滤波由于不用硬件设备，各回路间不存在阻抗匹配等问题，故可靠性高，稳定性好。第33页/共51页 1）算术平均值滤波 N为采样次数；xi为第i次采样值；y为N个采样值的算术平均值；（1）平均值滤波程序设计第34页/共51页 在N次采样值中，突出最近几次采样值在平均值中所占比重，这种方法称为加权平均滤波方法。加权平均滤波算法为：N为采样次数；xi为第i次采样值；y为N次采样值的滤波输出值；Ci为加权系数,对Ci选取要求：2）加权平均值滤

13、波 第35页/共51页 中位值滤波的原理是对被测参数连续采样N次（N取奇数），并按大小顺序排列，再取中间值作为本次采样的有效数据。中位值滤波能有效地滤除由于偶然因素引起采样值波动的脉冲干扰，对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。（2）中位值滤波第36页/共51页 限幅滤波的方法是考虑到被测参数在两次采样时间间隔内，一般最大变化的增量Y(以绝对值表示)总是在一定的范围内，如果前后两次采样值的实际增量Yk-Yk-1Y，则认为是正常的，否则认为是干扰造成的，则用上次的采样值代替本次采样。由此得限幅滤波的算法为（3）限幅滤波 第37页/共51页第38页/共51页 在模拟量输入通道中，常用一阶低通滤波器

14、来消弱干扰，惯性滤波运算公式源于RC低通滤波器的传递函数 后向差分离散化处理得（4）惯性滤波第39页/共51页整理后得 式中 称为滤波系数，且 ；T为采样周期；Tf为滤波器时间常数；xk为本次采样输入；yk、yk-1为本次和上次滤波输出。第40页/共51页 为了进一步提高滤波效果，可以把两种不同的数字滤波器组合起来，构成复合数字滤波器。如把算术平均滤波和中值滤波组合起来。即先找出N个采样值的最大值xmax和最小值xmin,使得然后对剩下的N-2个采样值求算术平均值（5）复合滤波第41页/共51页 1.输入位数大于输出位数 当输入器件精度比输出器件精度高时，如采用10位A/D转换器采样，而把处理

15、后的10位二进制数通过8位D/A转换器输出，就会出现输入位数大于输出位数的情况。在计算机中通过移位的方法实现上述处理过程是非常容易的。设输入值存放在IN_H和IN_L内存单元中，转换后的输出值存放在OUT内存单元中。则实现该位长变化的程序如下：五、输入输出数据字长的处理 第42页/共51页 CLR C ；清进位标志位MOVA,IN_H；输入值右移一位 RRCAMOVA,IN_LRRCACLRCMOVA,IN_H；输入值右移一位 RRCAMOVA,IN_LRRCAMOVOUT,A；保存转换结果第43页/共51页2.输出位数大于输入位数 当输入器件精度比输出器件精度低时，如采用8位A/D转换器采样

16、，而通过10位D/A转换器进行输出，就会出现输入位数大于输出位数的情况。输出位数大于输入位数的最好的处理方法是：将8位数左移两位构成10位数，10位数的最低两位用“0”填充。如：转换前的8位输入值：XXXXXXXX；转换后的10位输出值：XXXXXXXX00。第44页/共51页4.3 开关数据采集技术 8路开关数据采集系电路 一、开关数据采集电路第45页/共51页二、开关数据采集软件的一般结构 1.无条件开关数据采样 无条件开关数据采样是一种常用的方式，只要用如下两条指令即可。MOV DPTR,#0DFFFH MOVX A DPTR 第46页/共51页 2.有条件开关数据采样 有条件开关数据采

17、样在读取数据之前要检测状态信号是否有效。流程图如下。第47页/共51页 有多个开关量时开关数据采集软件的一般流程。第48页/共51页 3.开关数据的处理方法 对于开关量不多的情况，采集的开关量信息可以进行及时处理，而开关量较多的情况，为保证实时性，一般是先采集后处理。一般要求开关量的状态信息要分类保存，而且还要进行时间登记，以方便对系统的状态进行分析，第49页/共51页结束放映返回本章首页思考题与习题4-1 为什么要对测量数据进行线性化处理？4-2 线性化处理有哪些方法？分别适用于什么场合？4-3 软件滤波和硬件滤波相比有什么优点？4-4 标度变换在工程上有什么意义？4-5 某加热炉温度范围是01400，由温度变送器变换为15V的电压送给8位A/D转换器，该转换器的输入电压范围是05V，输出数字量范围是0255。试求由数 字量到温度值的标度变换公式。若某时刻A/D转换器 输出为82H，此时炉内的温度是多少度？第50页/共51页谢谢您的观看！第51页/共51页