数据采集系统基本组成
数据采集应用案例PPT课件
第四阶段
以虚拟仪器为核心的自动测试 系统阶段。
数据采集系统组成要素
传感器
一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将 感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其 他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处 理、存储、显示、记录和控制等要求。
数据采集设备
将经过信号调理器处理后的模拟信号转换为数字 信号，并进行相应的处理，如数字滤波、数据压 缩等。
采集性能问题
安全性和隐私问题
大规模数据采集可能面临性能瓶颈，如网 络带宽限制、存储资源不足等。
数据采集涉及敏感信息和隐私保护，需要 加强安全性和隐私保护措施。
发展趋势预测
自动化和智能化
未来数据采集将更加自动化 和智能化，通过机器学习和 人工智能技术实现自适应的 数据采集和清洗。
实时化和流式处理
随着实时数据需求的增加， 数据采集将更加注重实时性 和流式处理能力，以满足实 时分析和决策的需求。
数据采集应用案例 ppt课件
目录
• 数据采集概述 • 数据采集技术原理及方法 • 数据采集在各领域应用案例
目录
• 数据采集系统设计与实现 • 数据采集技术应用挑战及发展趋势 • 总结与展望
01
数据采集概述
数据采集定义与意义
数据采集定义
数据采集是指从传感器和其它待 测设备等模拟和数字被测单元中 自动采集非电量或者电量信号,送 到上位机中进行分析，处理。
远程医疗
通过数据采集技术，实现患者生 理参数的远程监测和诊断，提高
医疗服务的可及性和效率。
医疗大数据分析
对海量医疗数据进行分析和挖掘， 发现疾病规律和治疗方案，提高医 疗水平和治愈率。
个性化医疗
基于患者个体特征和历史数据，制 定个性化治疗方案和健康管理计划， 提高治疗效果和患者生活质量。
数据采集(DAQ)基础知识
数据采集(DAQ)基础知识本文介绍了数据采集系统的各个组成部分，并解释各个部分最重要的准则。
本文也定义了用于基于PC 的数据采集系统组成部分的许多通用术语。
简介现今，在实验室研究、测试和测量以及工业自动化领域中，绝大多数科研人员和工程师使用配有PCI、PXI/CompactPCI、PCMCIA、USB、IEEE1394、ISA、并行或串行接口的个人电脑（PC）采集数据。
许多应用使用插入式设备采集数据并把数据直接传送到计算机内存中，而在一些其它应用中数据采集硬件和PC 分离，通过并行或串行接口和PC相连。
从基于PC的数据采集系统中获取适当的结果取决于图示一中的各项组成部分：PC、传感器、信号调理、数据采集硬件和软件。
1. 个人电脑(PC)数据采集系统所使用的计算机会极大地影响连续采集数据的最大速度，而当今的技术已可以使用Pent ium和PowerPC级的处理器，它们能结合更高性能的PCI、PXI/CompactPCI和IEEE1394（火线）总线以及传统的ISA总线和USB总线。
PCI总线和USB接口是目前绝大多数台式计算机的标准设备，而ISA总线已不再经常使用。
随着PCMCIA、USB和IEEE 1394的出现，为基于桌面PC的数据采集系统提供了一种更为灵活的总线替代选择。
对于使用RS-232或RS-485串口通信的远程数据采集应用，串口通信的速率常常会使数据吞吐量受到限制。
在选择数据采集设备和总线方式时，请记住您所选择的设备和总线所能支持的数据传输方式。
计算机的数据传送能力会极大地影响数据采集系统的性能。
所有PC都具有可编程I/O和中断传送方式。
目前绝大多数个人电脑可以使用直接内存访问（Direct memory access，DMA）传送方式，它使用专门的硬件把数据直接传送到计算机内存，从而提高了系统的数据吞吐量。
采用这种方式后，处理器不需要控制数据的传送，因此它就可以用来处理更复杂的工作。
数据采集和监控(SCADA)系统
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)系统即数据采集和监控系统，它是电网调度自动化系统的基础和核心，负责采集和处理电力系统运行中的各种实时和非实时数据，是电网调度中心各种应用软件主要的数据来源。
SCADA 系统包括实时数据采集、数据通信、SCADA 系统支撑平台、前置子系统、后台子系统等。
数据采集包括反映物理过程特征的数据的产生，数据发送、接收和数据处理；监视控制不仅包括对物理过程的直接控制，还包括管理性控制，只下发调控指令，由厂站端或者下级调度人工调控。
通常数据采集装置和控制装置安放在厂站端，与主站端监控系统并不在一起，所以要实现数据采集和直接控制功能需要双向数据通信，普通认为数据采集是信号上行的通信，而直接控制是信号下行的通信。
一个 SCADA 系统通常由一个主站和多个子站(远方终端装置 RTU 或者变电站综合自动化系统) 组成。
主站通常在调度控制中心 (主站端) ，子站安装在变电站或者发电厂(厂站端) ，主站通过远动通道或者广域网实现与子站的通信，完成数据采集和监视控制。
国分为五级调度，主站除接收子站信息，还以数据通信方式接受从下级调度控制中心主站转发来的信息，又向上级调度控制中心主站转发本站的信息。
厂站端是 SCADA 系统的实时数据源，又是进行控制的目的地。
SCADA 所采集的数据包括摹拟量测量 (又称为“遥测”)，状态测点 (又称为“遥信”) 和脉冲累加量 (又称为“遥脉”)。
SCADA 系统的主站分为前置子系统和后台子系统，二者通过局域网相联相互进行通信。
前置子系统主要完成与厂站端及其它调度控制中心的通信，并将获得的数据发送给后台子系统。
后台子系统进行数据处理。
SCADA 把这些最近扫描的已经处理的反映被监视系统状态的数据存储在数据库中。
画面联结数据库，于是画面就直观地给出该系统状态的正确景象。
SCADA 为每一个量测量赋予一个状态和记录数值的变化趋势，当设备处于不正常状态或者运行限值已被超过时通知调度员。
第3章 数据采集与处理系统
3.1 微型计算机数据采集系统（2）
显 示 接 口 电 路 数字量输入通道 计 算 机 报 警 打 印
模拟量输入通道 生 产 过 程
图3―1 计算机数据采集与处理系统
3.1 微型计算机数据采集系统（3）
3.1.2 基本的数据采集与处理系统 1. 数据采集系统的基本功能 ①时钟。时钟除定时发出中断请求确 定数据采样周期以外，还能为显示和打 印时、分、秒提供数据，以便操作人员 根据打印时间判断读取测量结果。 ②采集、打印(或显示)及越限报警。 ③能实现召唤制表或定时制表，即根 据用户由键盘送入的指令开始或终止制 表，或根据时钟周期定时制表。
3.2 数字滤波技术（7）
3.2.3 算数平均值滤波
算术平均值滤波公式 取N次采样值的算术平均值 作为本次采样值，即
Y (k ) 1 N
i 1
X (i)
N
Y (k )
1 N X (i) N i 1
式中 Y (k ) -----为第k次采样N个采 样值的算术平均值 X(k) -----第i个采样值 N ----- 采样次数
7 16 13 14 15 12 CD4051 1 5 1# 2 4 多路开关 11 3 10 9 6 8 6
10kΩ +VC 0.1μF 0.1μF 0.1μF
CS RD WR
+VC
CD4051 2# 6 8
3kΩ 3kΩ
3 7 5 2 47 6
INT
接数据 总线
D7
片选
1kΩ -V C
CD4051 8# 6 8
3.2 数字滤波技术（4）
2、限速滤波
限速滤波 也是滤掉采样值变化过大的信号 限速滤波有时需要三次采样值来决定采样结果 1）限速滤波的方法 当|Y(k)- Y(k-1)| > ⊿Y 时，不是取Y(k-1)作为本次 的采样值，而是再采样一次，取的Y(k+1)，然后根据|Y(k+1)- Y(k)| 与⊿Y 的大小关系，来决定本次的采样值。 设顺序采样时刻k-1、k、k+1，所采集到的数据分别为Y(k-1)、Y(k)、 Y(k+1) 当|Y(k)- Y(k-1)|≤⊿Y 时，采用Y(k) 当|Y(k)- Y(k-1)| > ⊿Y 时，不采用Y(k-1) ，但保留，继续采样得Y(k+1) 当|Y(k+1)- Y(k)|≤⊿Y 时， 采用Y(k+1) 当|Y(k+1)- Y(k)| > ⊿Y 时，则取(Y(k+1)+Y(k))/2为采样值 2）限速滤波的特点 既照顾了采样的实时性，又顾及了采样值变化的连 续性。不足 一是不够灵活，二是不能反映采样点数大于3时各采样数值受 干扰情况。故应用受到限制。
1-2数据采集系统
(4)数/模转换器DAC的工作原理
数/模转换器的作用是将数字量D经过解码电 路变换成模拟电压输出。
－UR
R a R bR
c
I1 2R
I2 2R
I3
2R
2R
I4 2R
S1
S2
S3
S4
Rf
B1
B2
B3
－
B4
I∑
Usc
＋
四位数/模转换器原理图 （T形解码网络）
四个电子开关S1~S4，分别受输入的四位数字量B1~B4控 制。当该位为0时，电子开关与地接通；当该位为1时，对应的 电子开关与运算放大器的负端接通。流向运算放大器的总电流 反应了四位数字量的大小，它经过带负反馈电阻Rf运算放大器 变换成模拟电压Usc输出。
（1）ADC变换方式－－直接将模拟 量转换为数字量。
（2）VFC变换方式－－将模拟量变 换为等幅脉冲。通过脉冲记数变换为数 字量。
作业：
1、什么叫采样？ 什么是采样周期？什 么是采样频率？如何计算采样频率和 采样周期？
2、什么叫采样定理？ 3、模数变换有哪两种方式？
二、ADC式数据采集系统 图1-5 P10
（4）光电隔离器：用以完成电信号的耦合和传递， 并达到两侧电信号在电气上的隔离、绝缘目的。
（5）计数器（为或88225453计数器）对脉冲进行计数
2、VFC转换的基本原理（电荷平衡式V/F转换电路）
（1）V/F电路的结构 运算放大器A1和R、C组成积分器，A2为零电压比较
器，开关S受单稳定时器控制。单稳定时器的输出经三极管T 放大后，变为脉冲信号输出。
A/D芯片的转换速度 ：
即模数转换器完成一次将模拟量转换为数字
量所用的时间要短
第五章 数据采集与处理
二、数据采集系统基本功能
5、能够定时或随时以表格或图形形式 打印采集数据。 6、具有实时时钟 。 7、系统在运行过程中，可随时接受由 键盘输入的命令，以达到随时选择采集、 显示、打印的目的。
第一节
数据采集系统的 基本功能和一般结构
一、数据采集系统组成原理
二、数据采集系统基本功能 三、数据采集系统的一般结构 四、数据采集系统的三种工作方式
二、标度变换 三、非线性补偿 四、查表法 五、上下限检查
本科课程：
计算机控制系统
二、标度变换 在微型计算机控制系统中，检测的物理 参数都有着不同的量纲和数值 ，由A／D转 换后得到的都是只能表示其大小的二进制代 码。 为了便于显示、打印及报警，必须把这些数 字量转换成它所代表的实际值，即工程量， 这就是所谓的标度变换 。 标度变换的方法有：线性变换法、公式转换 法、多项式插值法和查表法等等。
一、数字滤波 2、算术平均滤波 压力、流量等周期变化的参数进行平滑 加工效果较好，而对消除脉冲干扰效果 不理想，所以它不适合脉冲干扰比较严 重的场合。对于n值的选择， 通常流量取12次， 压力取4次。
一、数字滤波 3、限幅滤波 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 x 总在一定的范围内， 如果两次采样的实际增量 xn xn1 x 则认为是正常的，否则认为是干扰造成的， 则用上次的采样 xn1 代替本次采样值 xn
一、数字滤波 5、一阶滞后滤波 一阶滞后滤波又称为一阶惯性滤波，它相 当于RC低通滤波器。 假设滤波器的输入电压为 Ui(t) ， 输出为Uo(t) ，则们之间存在下列关系 ：
duo (t ) RC u o (t ) u i (t ) dt
一、数字滤波 5、一阶滞后滤波 采用两点式数值微分公式，可得：
数据采集的设计报告
目录摘要 (3)引言 (5)第一章数据采集系统的概述 (6)1.1 数据采集系统基本概述 (6)1.1.1 数据采集 (6)1.1.2 数据采集系统的分类 (6)1.1.3 数据采集系统的基本功能 (7)1.1.4 数据采集系统的结构形式 (7)第二章数据采集系统整体设计 (8)2.1 硬件设计原则 (8)2.2 软件设计原则 (8)第三章数据采集系统的硬件设计 (9)3.1 系统工作原理 (9)3.2 硬件工作原理 (9)3.2.1 CPU处理核心模块(STC89C52) (9)3.2.2 DS18B20温度传感器模块 (11)3.3 电路设计 (14)3.3.1 CPU处理模块 (14)3.3.2 显示电路 (15)3.3.3 通信电路 (15)3.3.4 复位电路 (15)3.3.5 温度采集电路 (16)3.3.6 晶振电路 (16)3.3.7 警报电路 (17)第四章数据采集系统的软件设计 (18)4.1 汇编语言和Keil C51 (18)4.2 主程序 (19)4.3 各程序 (19)4.3.1 显示子程序 (19)4.3.2 温度子程序 (20)第五章总结 (21)参考文献 (22)附录：程序 (23)摘要本次设计主要基于单片机STC89C52单片机的多点数据采集，该系统由硬件部分和软件部分组成。
硬件部分是由信号接收、信号采集、AD转换和信号发送四部分组成。
系统以单片机为核心，将被测信号转换为能够被单片机所识别的信号输入单片机实现数据采集。
被测信号一般为模拟数据和数字数据两大类。
主机发送的模拟信号经过AD0809的转换，模拟信号经量化后得到离散的值，即数字信号。
在方案的选择中，主机可以用单片机、ARM、电脑等，采用单片机做主机部分，通信距离会比较短，所以使用上拉电阻通过上拉的作用给信号线提供一个驱动电压，使之传输更稳定，传输距离更远，用来抵消线路中内阻对信号的损耗。
关键词：STC89C52；信号接收；信号采集；A/D转换AbstractThis design is mainly based on single-chip microcontroller STC89C52 multi-point data acquisition, this system is consists of hardware and software components. Hardware part is consists of four parts as signal receiving, signal acquisition, AD transform and signal sending. This System is based on single-chip microcontroller, which is being measured signals converted to what can be single-chip microcontroller identification of the signal input data acquisition.Measured signal is divided into two types of commonly simulation data and digital data.The analog signal sending by the mainframe is changed over through AD0809, then the analog signals via discrete values quantified, namely the digital signal.In the choice of case, mainframe can be MCU, ARM, computers and so on, using the monolithic as the mainframe will make a short communication distance, as the result, we use pull-up resistors to pull through the role of signal lines provide a driving voltage, make transmission more stable, the transmission distance is farther, and offset circuit impedance to signal loss.Key words：STC89C52, signal receiving, signal acquisition, A/D transform引言温度是一种最基本的环境参数，人们的生活与环境的温度息息相关，工业和农业生产中得许多场合对温度有严格的要求，如温室养殖场和冷冻室等，随着科学技术的进步，单片机及相关电子技术飞速发展，应用领域不断拓展，利用单片机和传感器实现对温度的精确测量，提高了生产的自动化程度，成本低廉，应用十分广泛，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。
第五讲微机保护的数据采集系统
usc
2、对采样保持电路的要求 a）截获时间（Tc）尽量短，以便采用很短采样脉冲。 b）保持时间长，在保持期间输出电压变化小。 c）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。 采样保持电路的典型芯片
usr
usc
usr
uHale Waihona Puke cS/H3、模拟低通滤波器
电力系统故障初期，电流、电压中可能含有相当高的频率分 量（如2 kHZ以上）。而目前大多数微机保护原理都是反映 50HZ工频分量的。因此，在采样保持前用一个模拟低通滤波器 把高频分量过滤掉，防止高频分量混叠到工频来。 最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。 其中 R = 4.3kΩ
当采样时间 Ts 很小时，且输入模拟信号中没有高频分量时， u也不变。则有： 可以认为在采样时间内输入模拟电压 sr (t )
D = KV ⋅ usr (t) ⋅ ∫
t
′ dτ = KV ⋅ usr (t) ⋅Ts = KV ⋅ usr (t)
所以最终输出的数字量D也正比于输入的模拟信号 usr (t)。
微机保护的硬件构成
数据采集系统（ 二、 数据采集系统（模拟量输入系统）
（一）电压形成回路
微机保护要从被保护电力线路的电流互感器、电压互感器取 得电流、电压信息，必须把这些电流互感器、电压互感器的 二次电流、电压（5A或1A、100V）进一步变换降低为±5V或 ±10V范围内的电压信号，供微机保护的模数转换芯片使用。
第五讲 微机保护数据采集系统
微机继电保护举例
微机保护 的结构
CPU板 板
一、 概述
微机保护的硬件构成由三部分组成
1、模拟量输入系统（数据采集系统）：电压形成、模拟 滤波、采样保持(S/H)、多路转换(MPX)以及模数转换(A/D)， 完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量 2、CPU主系统：微处理器(MPU)、只读存储器(ROM)或闪存 内存单元(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、定时器、并行以 及串行接口等。MPU执行编制好的程序，以完成各种继电保 护测量、逻辑和控制功能 3、开关量（数字量）输入/输出系统：并行接口(PIA或 PIO)、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，完成保 护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话等功能
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8
256
0.391%
39.1mV
12 4096
0.0244%
2.44 mV
16 65536
0.0015%
0.15 mV
20 1048576
0.000095%
9.53 uV
24 16777216
0.0000060%
0.60 uV
表1.1 系统的分辨率（满度值为10 V）
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5
数据采集系统的主要性能指标
DAQ设备
信号中有高频噪声
低通滤波器
负载需要交流开关 或大电流
SPDT继电器 什么态继电器
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12
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
dn-2 dn-1
R
S0 S1 S2
II
II
2n 2n
Ii
20lgVimax Vimin
➢ 瞬时动态范围：对大动态范围信号的高精度采集时，
某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅
值之比的最大值，即幅值最大频率分量的幅值Afmax
与幅度最小频率分量的幅值Afmin之比的分贝数。瞬
时动态范围：
I 20lg Af max
A 精选课件 f min
7
数据采集系统的主要性能指标
13
d0 d1 d2
I
2n 2R
2R// 2R=R
S0 S1 S2
I
II
2n
2n-1 2n-2
2R 2R 2R
R
R
R
R+R=2R
dn-2 dn-1
R
Hale Waihona Puke Iout1AUo
Iout2
Sn-2 Sn-1
II
22
21
2R 2R
R
R
VREF
I
I
VREF R
可写出 I 的表达式
I 2 Id n 14 Id n 22 n I 1d 12 Ind 0
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4
数据采集系统的主要性能指标
1.系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的 最小变化量。通常用最低有效位值（LSB）占系统 满刻度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际 电压数值来表示。有时也用信号满刻度值可以划分 的级数来表示。
位数 级数 1 LSB（满度值的百分数） 1 LSB（10V满度）
➢ “采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、 传输、存储等过程。
➢ 采集速率的倒数是采样周期。
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6
数据采集系统的主要性能指标
4.动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围 是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采 集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅 值Vimax与最小幅值Vimin之比的分贝数，动态范围：
2n-1 2n-2
2R 2R 2R 2R
2R// 2R=R
RRR
R+R=2R
所以流入节点A的电流
Iout1
A Iout2
Sn-2 Sn-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。
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Uo
S n-1
I
21
I
21 2R V REF
2R A I
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2
多通道数据采集系统的几种结构形式
单通道共享A/D转换器
各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个A/D 转换器。通过多路开关分，对各路信号分时进行 A/D转换。能够实现多路信号的同步采集，但采集 速度稍慢。
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3
多通道共享采样保持器与A/D转换器
各通道公用一个采样保持器和A/D转换器。工作时， 通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的 采样保持器中，实现多路信号的分时采集，而非同 步采集。并且采集速度最慢。优点是节省硬件成本， 适于对采集速度要求不高的应用场合。
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。
图1.1 数据采集精系选课统件 硬件基本组成
1
多通道数据采集系统的几种结构形式
多通道A/D转换
每个通道都有各自独自的采样保持器与A/D转换器， 这种结构形式可以对各通道输入信号进行同步、高速 数据采集。
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8
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
提取信号。
对传感器的基本要求是：测量范围宽，线性好，灵敏度高，
噪声低，谱段宽，响应快，寿命长，便于匹配，均衡稳定。
用于弱信号检测的传感器，首要要求是高灵敏度、低噪声。
• 填空：16*1=16 判断6*1=6 简答6*6=36 • 分析10+10+10+12=12分
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放大器
使用测量放大器的原因：弱信号、强干扰；动态范围宽，共 模干扰电压大。
✓ 目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。 ✓ 要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声
采样频率fs是100HZ
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信号调理
信号调理能够在信号、传感器、DAQ板卡和PC机之间提供接 口。通常的信号调理类型包括：放大、隔离、滤波、激励、 线性化等。
热电偶
放大、线性化、冷端补偿
电阻温度检测
电流激励、线性化。3或4线设置
共模或高压 应变片
隔离放大器（光隔） 电流激励、线性化。3或4线设置
2.系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散 子样的转换精度。
➢ 模数转换器的精度是系统精度的极限值。 ➢ 系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，它
是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。 3.采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精
度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内 所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟 可采集的子样数目。
低、闭环增益稳定性高。 分类： 技术指标： ✓ 放大倍数：AU、AUS、Ai、Ais ✓ 输入阻抗：Ri=U0/Ii ✓ 输出阻抗 ✓ 通频带
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混频偏差
采样率过低的结果是还原信号的频率看上去与原始信 号不同。这种信号畸变叫做混叠（alias）。出现的混 频偏差（alias frequency）是输入信号的频率和最靠 近的采样率整数倍的差的绝对值。
5.非线性失真（谐波失真）：给系统输入一个频率为f 的正弦波时，其输出中出现很多频率为kf（k为正整 数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐 波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度， 它通常用下式表示：
H A22 A32 ... 10% 0 A12 A22 A32 ...
➢ A1为基波振幅，Ak为第k次谐波的振幅。