第10章 數(shù)據(jù)采集與處理

1、第10章 數(shù)據(jù)(shj)采集與處理張凱 博士 教授(jioshu)計算機科學(xué)技術(shù)系電話件：共二十六頁第10章 數(shù)據(jù)(shj)采集與處理10.1信號采集與信號調(diào)理技術(shù)(jsh)10.2數(shù)據(jù)采集常用電路10.3模/數(shù)，數(shù)/模轉(zhuǎn)換10.4計算機接口與數(shù)據(jù)采集10.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)共二十六頁10.1信號采集與信號調(diào)理(tio l)技術(shù)10.1.1數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。數(shù)據(jù)采集的目的是為了測量(cling)電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現(xiàn)象。被采集數(shù)據(jù)是已

2、被轉(zhuǎn)換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風(fēng)速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。采集一般是采樣方式，即每隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數(shù)據(jù)重復(fù)采集。共二十六頁10.1信號采集(cij)與信號調(diào)理技術(shù)數(shù)據(jù)采集在多個領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用，它是計算機與外部物理世界連接的橋梁(qioling)。利用串行或紅外通信方式，實現(xiàn)對移動數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用軟件升級，通過制訂上位機(PC)與移動數(shù)據(jù)采集器的通信協(xié)議，實現(xiàn)兩者之間阻塞式通信交互過程。在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)采集已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)及分布式領(lǐng)域，其領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了重要的變化。10.1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1. 定義數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算

3、機（或微處理器）的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。共二十六頁10.1信號采集(cij)與信號調(diào)理技術(shù)2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)可以知道，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下幾方面的功能。（1）數(shù)據(jù)采集計算機按照預(yù)先選定的采樣周期，對輸入到系統(tǒng)的模擬信號進行采樣，有時還要對數(shù)字信號、開關(guān)信號進行采樣。（2）模擬信號是指隨時間連續(xù)變化的信號，這些信號在規(guī)定(gudng)的一段連續(xù)時間內(nèi)，其幅值為連續(xù)值，即從一個量變到下一個量時中間沒有間斷。（3）數(shù)字信號是指在有限的離散瞬時上取值間斷的信號。（4）開關(guān)信號主要來自各種開關(guān)器件，如按鈕開關(guān)、行程開關(guān)和繼電器觸點等。共二十六頁10.

4、1信號采集與信號調(diào)理(tio l)技術(shù)（5）二次數(shù)據(jù)計算把直接由傳感器采集到的數(shù)據(jù)稱為一次數(shù)據(jù)，把通過對一次數(shù)據(jù)進行某種數(shù)學(xué)運算而獲得的數(shù)據(jù)稱為二次數(shù)據(jù)，二次數(shù)據(jù)計算主要有平均、累計、變化率、差值、最大值和最小值等。（6）屏幕顯示CRT顯示裝置可把各種數(shù)據(jù)以方便于操作者觀察的方式顯示出來，屏幕上顯示的內(nèi)容一般稱為畫面(humin)。常見的畫面(humin)有相關(guān)畫面(humin)、趨勢圖、模擬圖、一覽表等。（7）數(shù)據(jù)存儲就是按照一定的時間間隔，定期將某些重要數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器上。（8）打印輸出就是按照一定的時間間隔或人為控制，定期將各種數(shù)據(jù)以表格或圖形的形式打印出來：（9）人機聯(lián)系是指操作人

5、員通過鍵盤或鼠標(biāo)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對話，完成對系統(tǒng)的運行方式、采樣周期等參數(shù)進行設(shè)置。此外，還可以通過它選擇系統(tǒng)功能、選擇輸出需要的畫面等。共二十六頁10.1信號采集與信號調(diào)理(tio l)技術(shù)3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。從硬件方向來看，目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：一種是微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；另一種是集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常工作，除了必須要有系統(tǒng)硬件這個物質(zhì)基礎(chǔ)外，還須有軟件的支持。10.1.3數(shù)據(jù)處理通常，所采集到的數(shù)據(jù)，是被測對象的某些物理量經(jīng)過非電量到電量的轉(zhuǎn)換，又經(jīng)過放大或衰減、采樣、編碼、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)之后所呈

6、現(xiàn)出來的一種數(shù)據(jù)形式。顯然，這種形式的數(shù)據(jù)(或信號)對數(shù)據(jù)使用者來說既不直觀，也沒有(mi yu)明確的物理意義，因而也是不便使用的。共二十六頁10.1信號(xnho)采集與信號(xnho)調(diào)理技術(shù)1數(shù)據(jù)處理的類型由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)可知，系統(tǒng)除了采集數(shù)據(jù)外，還要根據(jù)實際需要，對采集到的數(shù)據(jù)進行各種處理。數(shù)據(jù)處理的類型有多種，一般根據(jù)以下方式分類。（1）按處理的方式劃分?jǐn)?shù)據(jù)處理可分為實時(在線)處理和事后(脫機)處理。（2）按處理的性質(zhì)劃分?jǐn)?shù)據(jù)處理可分為預(yù)處理和二次處理兩種。2數(shù)據(jù)處理的任務(wù)（1）對采集到的電信號做物理量解釋（2）消除數(shù)據(jù)中的干擾信號（3）分析計算數(shù)據(jù)的內(nèi)在(nizi)特征共二

7、十六頁10.2數(shù)據(jù)采集(cij)常用電路10.2.1模擬多路開關(guān)當(dāng)需要對多個模擬量進行模數(shù)變換時，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的價格較貴，通常不是每個模擬量輸入通道都設(shè)置一個A/D，而是多路輸入模擬量共用一個A/D，中間經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切換，即模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MPX）。10.2.2測量放大器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(xtng)中，被檢測的物理量經(jīng)過傳感器變換成模擬電信號，其往往是很微弱的微伏級信號(如熱電偶的輸出信號)，需要用放大器加以放大。共二十六頁10.2數(shù)據(jù)采集常用(chn yn)電路10.2.3濾波器濾波器（filter），是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過(jnggu)過濾而得到純凈的直流電

8、。濾波器就是對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。 共二十六頁10.3模/數(shù)，數(shù)/模轉(zhuǎn)換(zhunhun)10.3.1模/數(shù)轉(zhuǎn)換(zhunhun)1A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種將模擬信號量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件，它把采集到的采樣模擬信號量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸出。因此在將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是核心器件，簡稱為A/D或ADC。2A/D轉(zhuǎn)換器的分類（1）直接比較型即將輸入的采樣模擬量直接與作為標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓相比較，得到可按數(shù)字編碼的離散量或直接得到數(shù)字量。（2）間接比較型即

9、輸入的采樣模擬量不是直接與基準(zhǔn)電壓比較，而是將二者都變成中間物理量再進行比較，然后將比較得到的時間或頻率進行數(shù)字編碼。共二十六頁10.3模/數(shù)，數(shù)/模轉(zhuǎn)換(zhunhun)10.3.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換1D/A轉(zhuǎn)換器的分類數(shù)/模轉(zhuǎn)換器是一種將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。它在數(shù)字控制系統(tǒng)中作為關(guān)鍵器件，用來把微處理器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，并送入執(zhí)行機構(gòu)進行控制或調(diào)節(jié)。2D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成D/A轉(zhuǎn)換器主要有兩大類型：并行(bngxng)D/A轉(zhuǎn)換器和串行D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成可分為四個部分：電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬切換開關(guān)、基準(zhǔn)電源和運算放大器。共二十

10、六頁10.4計算機接口與數(shù)據(jù)(shj)采集進入90年代，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器結(jié)構(gòu)體系研究的不斷發(fā)展，CPU更新?lián)Q代速度加快了，導(dǎo)致PC機及其兼容機迅速由16位機轉(zhuǎn)移到32位機，并且大量涌入市場，伴隨而來的是微機硬件價格越來越低，其性能價格比則以驚人(jngrn)的速度迅速提高。10.4.1接口的功能特點及數(shù)據(jù)傳送方式1計算機與I/O接口計算機控制系統(tǒng)的硬件，除主機外，通常還包括兩類外圍設(shè)備，一類是常規(guī)外圍設(shè)備；另一類是被控設(shè)備共二十六頁10.4計算機接口(ji ku)與數(shù)據(jù)采集2接口類型接口類型指的是電子白板與電腦系統(tǒng)采用的連接方式。目前電子白板與電腦連接的常見接口類型有并口（也

11、有稱之為IEEE 1284，Centronics）、串口（也有稱之為RS-232接口的）和USB接口。 并口又稱為并行接口。串口叫做串行接口，現(xiàn)在的PC 機一般(ybn)有兩個串行口COM 1 和COM 2 。USB 即“Universal Serial Bus ”，中文名稱為通用串行總線。共二十六頁10.4計算機接口與數(shù)據(jù)(shj)采集3計算機和外部的通信方式計算機和外部交換信息(xnx)又稱為通信（Communication）。按數(shù)據(jù)傳送方式分為并行通信和串行通信兩種基本方式。 （1）并行通信就是把傳送數(shù)據(jù)的n位數(shù)用n條傳輸線同時傳送。其優(yōu)點是傳送速度快、信息率高。（2）串行通信是數(shù)據(jù)按位

12、進行傳送。在傳輸過程中，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個固定的時間長度，一位一位的串行傳送和接收。共二十六頁10.4計算機接口(ji ku)與數(shù)據(jù)采集10.4.2數(shù)據(jù)采集(cij)的串行通信接口技術(shù)1串口通信串口通信(Serial Communication)，是指外設(shè)和計算機間通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠距離通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)汀?調(diào)制與解調(diào) 計算機通信時發(fā)送接收的信息均是數(shù)字信號，其占用的頻帶很寬，約為幾MHz甚至更高；但目前長距離通信時采用的傳統(tǒng)電話線路頻帶很窄，大約公有4kHz左右。共二十六頁10.4計

13、算機接口與數(shù)據(jù)(shj)采集 3同步通信和異步通信串行通信的數(shù)據(jù)是逐位傳送的，發(fā)送方發(fā)送的每一位都具有因定的時間間隔(jin g)，這就要求接收方也要按昭發(fā)送方以同樣的時間間隔(jin g)來接收每一位。4. 串行數(shù)據(jù)校驗數(shù)字通信中一項很重要的技術(shù)是差錯控制技術(shù)，包括對傳送的數(shù)據(jù)自動地進行校驗，并在檢測出錯誤時自動校正。共二十六頁10.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(xtng)的抗干擾技術(shù)干擾問題是機電一體化系統(tǒng)設(shè)計和使用過程中必須考慮的重要問題。在機電一體化系統(tǒng)的工作環(huán)境中，存在大量的電磁信號，如電網(wǎng)的波動、強電設(shè)備的啟停、高壓設(shè)備和開關(guān)的電磁輻射等。當(dāng)它們在系統(tǒng)中產(chǎn)生電磁感應(yīng)和干擾沖擊時，往往就會擾亂系統(tǒng)

14、的正常運行，輕者造成(zo chn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，降低了系統(tǒng)的精度，重者會引起控制系統(tǒng)死機或誤動作，造成(zo chn)設(shè)備損壞或人身傷亡。 共二十六頁10.5數(shù)據(jù)采集(cij)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)10.5.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見的干擾1干擾的定義干擾是指對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素。從廣義(gungy)上講，機電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電磁干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動干擾等等。電磁干擾是指在工作過程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用信號無關(guān)的，并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。共二十六頁10.5數(shù)據(jù)采集(cij)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)2形成干擾的三個要素干擾的形成

15、包括三個要素：干擾源、傳播途徑和接受載體。三個要素缺少任何一項干擾都不會產(chǎn)生。（1）干擾源。（2）傳播途徑是指干擾信號的傳播路徑。（3）接受載體是指受影響設(shè)備的某個(mu )環(huán)節(jié)吸收了干擾信號，轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)造成影響的電器參數(shù)共二十六頁10.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(xtng)的抗干擾技術(shù)3電磁干擾的種類按干擾的耦合模式分類，電磁干擾包括下列(xili)類型。（1）靜電干擾。（2）磁場耦合干擾。（3）漏電耦合干擾。（4）共阻抗干擾。（5）電磁輻射干擾。共二十六頁10.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(xtng)的抗干擾技術(shù)4干擾存在的形式在電路中，干擾信號通常以串模干擾和共模(n m)干擾形式與有用信號一同傳輸。（1）串模

16、干擾是疊加在被測信號上的干擾信號，也稱橫向干擾。（2）共模干擾往往是指同時加載在各個輸入信號接口端的共有信號干擾。共二十六頁10.5數(shù)據(jù)(shj)采集系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)10.5.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抗干擾的措施提高抗干擾(gnro)的措施最理想的方法是抑制干擾(gnro)源，使其不向外產(chǎn)生干擾(gnro)或?qū)⑵涓蓴_(gnro)影響限制在允許的范圍之內(nèi)。1屏蔽 屏蔽是利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對象包圍起來從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場性質(zhì)不同，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。共二十六頁10.5數(shù)據(jù)采集(cij)系統(tǒng)的抗干擾技

17、術(shù)2隔離 隔離是指把干擾源與接收系統(tǒng)隔離開來，使有用信號正常傳輸，而干擾耦合通道被切斷，達到抑制干擾的目的。常見的隔離方法有光電隔離、變壓器隔離和繼電器隔離。（1）光電隔離。（2）變壓器隔離。（3）繼電器隔離。3濾波(lb)濾波是抑制干擾傳導(dǎo)的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出電磁干擾頻譜往往比要接收的信號的頻譜寬得多，因此，當(dāng)接受器接收有用信號時，也會接收到那些不希望有的干擾。共二十六頁10.5數(shù)據(jù)(shj)采集系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)4接地 將電路、設(shè)備機殼等與作為零電位的一個公共參考點（大地）實現(xiàn)低阻抗的連接，稱之謂接地。5軟件(run jin)抗干擾設(shè)計1）軟件濾波用軟件來識別有用信號和干擾信號，并濾除干擾信號的方法，稱為軟件濾波。識別信號的原則有兩種：（1）時間原則。（2）空間原則。（3）屬性原則。共二十六頁內(nèi)容摘要第10章 數(shù)據(jù)采集與處理。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風(fēng)速、壓力等