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：
二、标度变换 2、非线性参数标度变换 如果被测参数是非线性的，即被测参数与测 量值呈非线性关系，则其标度变换公式应根 据具体问题具体分析。 节流式流量传感器进行测量时，其流量与差 压的关系为 ：
G K p
式中G——被测介质流量； K——系数，与被测介质及节流装置的尺寸有关 p ——节流装置的差压。
请求信号，单片机读入数据。
3、DMA法：直接存储器存取——适用于转换速度要
求高，前两种不能满足要求。 DMA接口
A/D转换的数据——DMA中的数据存储器——主存储器
第二节
数据采集系统常用的数据处理 一、数字滤波
二、标度变换 三、非线性补偿 四、查表法 五、上下限检查
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在微型计算机控制系统中，将A／D转换后 的数据输入到计算机后，在进行显示、计 算及控制之前，还须根据需要进行相应的 加工处理，如数字滤波、标度变换、非线 性补偿及上下限检查等等，以满足系统的 要求。
一、数字滤波 如果 xn1 xn x 表明 xn 1 值维持接近 xn 值，xn 值是可信的，用最近一个采样 xn 1 作为滤波输出，否则就以(Xn+Xn+1)／2的 值作为滤波输出，这一方法既保证了采样 的实时性，也考虑到采样值变化的连续性。
一、数字滤波 限速滤波的算法算式为：
x n ,当 x n x n 1 x x n 1 ,当 x n 1 x n x yn 再采样( x x ) / 2,当 x x x n 1 n 1 n n
一、数字滤波 限幅滤波和限速滤波的方法对抑制带有 随机性的干扰较为有效，但涉及 x 到值 如何确定的问题。
n
i
——n次采样值的算术平均值 式中 y n Xi——第i次采样值； n——采样次数。
一、数字滤波
2、算术平均滤波 算术平均滤波程序如下： 将n次采样值存放在起始地址为DATA的 RAM中(本程序n--8)。经过算术平均滤波后 的采样值存于片内RAM的FIN单元。 ORG 1000H START :CLR A ; 结果单元低八位清。 MOV Rl，A ; 结果单元高八位清。 MOV Ro，#DATA ; 采样值首地址 MOV R7， #08H ; 循环次数送R7
LOOP：ADD A,@RO ; 累加 JNC LOOPl ;无进位转LOOP1 INC Rl ; 结果单元高八位加1 LOOPl：INC RO ; 指向下一个采样值 DJNZ R7， LOOP ; 未加完继续 MOV R2,#03H ; 右移次数 LOOP2： CLR XCH A,R1 RRC A XCH R1，A RRC A DJNZ R2，LOOP2 MOV FIN，A ; 平均值存入FIN单元 RET
三、数据采集系统的一般结构 多通道模拟量数据采集系统程序流程图 如图(a)、(b)所示，图(a)为主程序流程 图，图(b)为实现连续顺序巡回数据采集 的子程序，其中有一个延时是为了保证 LF398采样过程的完成。
三、数据采集系统的一般结构
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
一、数字滤波 5、一阶滞后滤波 适用于消除周期性干扰， 优点：在干扰频率很低的时候，可以通过 调整RC来消除干扰，而模拟RC滤波器由 于受电容容量的限制，其时间常数不可能 过大，使得它对频率很低的干扰无法消除。
注意：并不是在任何一个系统中都需要 进行数字滤波。
第二节
数据采集系统常用的数据处理 一、数字滤波
二、标度变换 1、线性标度变换原理 设被测参数与其对应的数字量之间呈线性关 系，则标度变换公式为
N x No Ax Ao ( Am Ao ) Nm No
式中Ao——测量仪表的下限； Am——测量仪表的上限； Ax——实际测量值(工程量)； No——测量仪表下限所对应的数字量 Nm——测量仪表上限所对应的数字量 Nx一一测量值所对应的数字量。
第二节
数据采集系统常用的数据处理 一、数字滤波
二、标度变换 三、非线性补偿 四、查表法 五、上下限检查
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三、非线性补偿 在实际工程中，有许多测量元件是非线性 的 ，常采用软件进行非线性补偿和校正。 用软件进行非线性补偿的常用方法有线性插 值法和二次抛物线插值法 。
三、非线性补偿 线性插值法： 线性插值法是指在给定的两点之间用一条直 线去代替两点之间的曲线，使非线性参数线 性化，以便于参数的计算。 设输入值x在区间（ x , x ）内，则对应的逼 近值为：
二、标度变换 解：由给定条件得
Am=80°C，Ao=20°C，Nm=0FFH=255，No=0B7H=183
在温度为20°C时，检测所得模拟电压是1V， 所以相应的数字量应为 ： No=255*l／5=51 对测量数字量0B7H的工程量线性转换结果为 ：
Ax=20+(80-20)(183-51)／(255-51)=58．82°C
u o (nt) u o [(n 1)T ] RC u o (nT ) u i (nT ) t
式中，令 u
t T
o
(nT),ui (nT)
为nT时刻的采样值， 为采样周期，上式整理得：
RC RC (1 )u o (nT ) u i (nT ) u o [( n 1)T ] T T
二、标度变换 如果把测量仪表的下限A。(输入信号为0)所 对应的A／D转换器值定为0,即No=0 则上述标度变换公式可简化为
Nx Ax Ao ( Am Ao ) Nm
二、标度变换 例 某烟厂用计算机采集烟叶发酵 室的温度变化数据，该室温度测量范围是 20—80°C，所得模拟信号为1—5V，采用铂 热电阻(线性传感元件)测温。用8位A／D转 换器进行转换数字量，转换器输入0—5V时 输出是00H一0FFH。某一时刻计算机采集到 的数字量为0B7H，用计算机作工程量线性转 换。
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
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四、数据采集系统的三种工作方式
用单片机控制ADC时，多数采用查询法和中断控制 两种方法。 1、查询法：对ADC状态进行监视，如转换结束， 读入数据。
2、中断控制法：ADC转换结束并向单片机发出中断
一、数字滤波
一、数字滤波 1、中值滤波 对于去掉脉冲性质的干扰比较有效， 但对快速变化过程的参数(如流量) 则不宜采用。 在中值滤波中，n值不易太大， 一般取3—5即可。
一、数字滤波 2、算术平均滤波 算术平均滤波就是把n次采样值进行相加， 然后取其算术平均值作为本次采样值
yn
1 n
x
i 1
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一、数据采集系统组成原理 数据采集和数据处理系统从功能上说， 主要是对生产现场随时产生的大量数据 (如温度、压力、流量、成分、速度、 位移量等)进行巡回检测、收集、记录、 统计、运算、分析、判断等处理，最后 由显示器或打印机输出其结果，但它并 不直接控制生产过程。
一、数据采集系统组成原理
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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
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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
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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
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二、数据采集系统基本功能
1、对多个输入通道输入的生产现场信息 能够按顺序逐个巡回检测，或按指定要求 对某一个通道进行有选择检测。 2、在系统内部能存储采集的数据。 3、能够对所采集的数据进行检查和处理， 例如越限检查、数字滤波、线性化、数字 量－工程量转换等。 4、当采集到的数据超出规定的上限值或 下限值时，能够发出声光报警信号，提 示操作人员处理。