计算机控制系统-4-数据采集与处理技术 (2)

+Vs -Vs VIN OFFSET CH LF398 IN OUT IN +
V EE Vcc V DD REF OFF DB11 BIF OUT P0.7 REF IN AD574 VIN STS 12/8 DG AG DB 0 CE R/C A0 CS P 0.0 RD WR A0 P2.7 P2.6 A1 A2
3）、平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号， 但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。
中位值滤波法
中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m 次(m≥3)且是奇数，并按大小顺序排列；再取中间 值作为本次采样的有效数据。
特点: 中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发 的干扰有良好的滤波效果。如对温度、液位等变化 缓慢的被测参数采用此法会收到良好的滤波效果； 对流量、速度等快速变化的参数一般不宜采用中位 值滤波法。
4.2.3 模拟量数据采集的预处理方法
包括：有效性检查与数字滤波技术
1、有效性检查
检查被测量是否 在信号标准的上 下限值范围内。
2、 数字滤波技术
所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干 扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。 与模拟滤波器相比，有以下几个优点:
(1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定 性好。 (2)数字滤波可以对频率很低(如0.01HZ)的信号实现滤波，克服了模拟滤 波器的缺陷。 (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， 具有灵活、方便、功能强的特点。
采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。
对1、2、3次采样中位值滤波后值：24
对4、5、6次采样中位值滤波后值：27
对7、8、9次采样中位值滤波后值：25
采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：25.33
例：某压力仪表采样数据如下： 序 号 1 采样值 24 2 25 3 20 4 27 5 24 6 60 7 24 8 25 9 26
开关量的软件抗干扰技术
1.开关量(数字量)信号输入抗干扰措施 干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，我们 在采集某一开关量信号时，可多次重复采集，直到连续两次或 两次以上结果完全一致方为有效。 2.开关量(数字量)信号输出抗干扰措施 在软件上，最为有效的方法就是重复输出同一个数据。只要 有可能，其重复周期尽可能短些。 输出设备是电位控制型还是同步锁存型，对干扰的敏感性相 差较大。前者有良好的抗“毛刺”干扰能力，后者不耐干扰， 当锁存线上出现干扰时，它就会盲目锁存当前的数据，也不管 此时数据是否有效。
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3.折线近似及线性插值（用得最多最广泛方法） 也叫分段线性拟合方式（逼近方式） 为了对T-E进行线性拟合，可通过实验分段测出一些T-E值， 如图中 ( E1 , T 1 ), ( E2 , T 2 ) ( E6 , T 6)
第4章
数据采集与处理技术（二）
主要内容：介绍数据采集系统中的一些基本概念、模拟数 据采集的一般方法、数字数据处理技术、传感 器与变送器、智能仪表技术 重点：模拟数据采集与处理系统设计、数字数据采集 与处理系统设计 难点：数据采集与处理系统设计实现与理解
4.2 模拟数据采集技术
4.2.1 多路模拟信号数据采集
所谓加权平均的含义是指参加平均运算的各采样值按不同的 比例进行相加求均。加权系数一般先小后大，以突出后若干次采 样的作用，加强系统对参数变化趋势的辨识。 N项加权平均滤波的算法为：
Yn
N 1 i 0
Ci YN i
式中 C0，C1，…，CN1 ＋… ＋ CN－1 ＝1
Y Nmin X N Nmax
X表示测量值Y对应的A／D转换值
例：压力检测通道，将0-40kpa压力转换为 10位二进制数。 求：
1. 分辨率、量化单位、量化误差。 2. 压力 P=18.5 kpa 时转换的数字量。
3. 转换数字量 N=2F4H 时对应压力。
解：
1. 分辨率、量化单位、量化误差。
度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制
作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值的偏差， 因此它不适用于脉冲干扰比较严重的场合，而适用于 高频振荡系统。
加权平均滤波
上述各种平均滤波法中，每次采样在平均结果中 的比重是均等的。为了增强最后一次（或某一次）在 平均结果中的比重，以增强实时性，可采用加权平均 滤波
采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。
去掉最小值：20
去掉最大值：60
剩下七个采样值用干扰平均值滤波，
平均值为：25
滑动平均滤波 滑动平均滤波法把n个测量数据看成一个队列，队列的长
度固定为n，每进行一次新的采样，把测量结果放入队
尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终 有n个“最新”的数据。然后把队列中的n个数据进行 算术平均运算，就可获得新的滤波结果。 滑动平均值滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑
采用保持器LF398对电压信号进行采样/保持。 在单片机P2.5口的控制下，高电平，采样；低电平，保持。 输入的正弦波信号经LF398后变为抽样信号。电路如图所示：
4.2 模拟数据采集技术
2、实现8路模拟量巡回检测程序 /*8路转换结果数组*/ unsigned int RAD[8]; /*序次*/ unsigned char order=0; unsigned char xdata *pCD4051，*pRH，*pRL ； /*8路指针、读结果指针*/ main( ) { IT0 =1； /*INT0负跳变请求中断*/ EX0 =1； /*允许INT0中断*/ /*开中断*/ EA =1； pCD4051 =0xbff8； /*指向0路*/ /*接通0路*/ *pCD4051 =0； pRL =0x7fff； /*指向AD574A*/ /*启动AD574A */ *pRL =0； while (1)； /*等待*/ } AD574A( ) interrupt 0 { pRH=0x7ffe； /*获取并保存转换结果*/ RAD[order]= *pRH*16+ *pRL &15 ； pCD4051 ++ ；/*指向下一路*/ if (order++==7) {order=0; pCD4051=0xbff8} ； /*若8路完毕，重新开始*/ *pCD4051 =0； /*接通下一路*/ /*启动AD574A */ *pRL =0； }
1 y N

i 1
xi
例：某压力仪表采样数据如下： 序 号 1 24 采样值 采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 采用算术平均值滤波后，其采样值为： Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+ 26+23)/10=28 干扰被平均到采样值中去了 2 25 3 20 4 27 5 24 6 60 7 24 8 25 9 26 10 23
（2）查表。设有待查参数Am，由i=(Am一A0)／N，有
Ti=T±iM (4.13) 从内存Ti处连续取M字节数据，即为参数Am对应的Bm值。
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2.用数学表达式换算
各种热电偶的温度与热电势的关系都可以用高次算式来 表达，即 2 n (4.14) Tx a0 a0 Ex a1 Ex an E x
IN2 . . . IN7 C B A INH
图4-2 图4.3
8路模拟电压自动巡回数据采集电路
INTX
CD4051口地址： bff8H ~
bfffH
可以采用延时、查询、中断三种方式
CD4051是单端双向8通道多路开关，其引脚结构如下图所示。 图中第6脚INH为禁止输入端。 当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通。 C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选 中其中之一，使输入输出接通。其真值表如下表所示。 改变图中IN/OUT0～7及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。
平为 “1”时采样，为“0”时保持。 当8端为“1”时，使LF398内部开关闭合，此时A1和A2构成1：1的电压跟随器，Vo = Vi， 并使迅速充电到Vi，电压跟随器A2输出的电压等于CH上的电压。
以实现保持目的。端8的逻辑输入再次为“1”、再次采样时，输出电压跟随变化。
当8端为“0”时，LF398内部开关断开，输出电压Vo值为控制端8由“１”跳到“0”时CH上保持的电压
抗脉冲干扰平均值滤波法
中位值滤波法和平均值滤波法结合 起来使用，滤波效果会更好。即在每个 采样周期，先用中位值滤波法得到m个滤 波值，再对这m个滤波值进行算术平均，
得到可用的被测参数。
例：某压力仪表采样数据如下： 序 号 1 采样值 24 2 25 3 20 4 27 5 24 6 60 7 24 8 25 9 26
主要数字滤波算法： 算术平均值法、中位值滤波法、加权平均滤波
算术平均值法
算术平均值法是对输入的N个采样数据xi(i=1～N)，寻找 这样一个y，使y与各采样值间的偏差的平方和为最小，使
N 2 E min ( y xi ) i 1

N
由一元函数求极值原理可得：
2.压力 P=18.5 kpa 时转换的数字量。
3.转换数字量 N=2F4H 时对应压力。
课堂练习：有一温度系统，温度范围是-20℃～60℃，A/D转换器对应
的输出0～FFFH，试列写出标度变换式。设采集的温度数 字量为E8EH，试计算对应的温度值。
4.3.2线性化处理
1.查表法
原理：设有非线性关系的两个参数A和B，现要根据参数A取参数B 数值。过程如下 （1）造表。根据需要确立参数A的起始值A0及等差变化值N有