第1章 数据采集与系统设计基础

1、 信息学院软件教研室 李巨虎办公室: 主楼412电话mail： 教材：教材： 李念强，魏长智，数据采集技术与系统设计北京：机械工业出版社，李念强，魏长智，数据采集技术与系统设计北京：机械工业出版社，2009.2009. 主要参考书：主要参考书： 数据采集与处理数据采集与处理王正光编，国防工业出版社，王正光编，国防工业出版社，19851985 数据采集技术数据采集技术沈兰荪编，中国科技大学出版社，沈兰荪编，中国科技大学出版社，19901990 数据采集原理数据采集原理肖忠祥编，西北工业大学出版社，肖忠祥编，西北工业大学出版社，20012001 智能仪器与数据采集系统中的

2、新器件及应用智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用杨振江编，杨振江编， 1.1 数据采集系统概述数据采集系统概述 1.2 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 1.5 数据采集技术与系统的发展方向数据采集技术与系统的发展方向 数据采集是指把被测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等）通过传感元件作适当变化后，再经过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储的过程。 涉及的学科：测试与仪器、信息与通信、计算机。1.1 数据采集系统概述数据采集系统概述一、数据采集

3、的定义： 数据采集系统是计算机与外部世界的桥梁，是获取信息的重要途径。 数据采集技术是信息科学的重要组成部分，广泛应用于各个行业。1.1 数据采集系统概述数据采集系统概述二、数据采集的意义： 数据采集：数据采集：数据采集系统的首要功能信号处理：信号处理：模拟、数字、开关信号处理二次数据计算：二次数据计算：平均、累计、变化率、差值、最大值、最小值数据存储、显示或打印：数据存储、显示或打印：人机联系：人机联系：系统设置等1.1 数据采集系统概述数据采集系统概述三、数据采集的功能： 1.1 数据采集系统概述数据采集系统概述一般由计算机控制：一般由计算机控制：简化设计、完善功能；软件的作用越来越大；软

4、件的作用越来越大；数据采集与处理一体化；数据采集与处理一体化；数据采集的实时性；数据采集的实时性；集成度越来越高；集成度越来越高；总线技术广泛应用。总线技术广泛应用。四、现代数据采集系统的特点： 1.2数据采集与处理技术数据采集与处理技术 数据采集系统中涉及到的相关技术大体如下： 传感器技术、模拟信号处理技术、A/D转换和D/A转换、信号处理技术、数据采集系统抗干扰技术、误差分析与处理、人机接口技术、数据存储与打印、数据传输技术、虚拟仪器技术。 1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 数据采集系统由硬件和软件组成。 从硬件方面来看，有三种结构形式： 微型计算机数据采集系统、 集散

5、型数据采集系统以及分布式数据采集系统。 1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 一、 微型计算机数据采集系统 由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、计算机及外设等部分组成。传感器传感器传感器传感器模拟开关程控放大采样 /保持器A/D 转 换 器定时与逻辑控制接口计算机显示器打印机绘图机被测物理量微型计算机数据采集系统框图 1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 一、 微型计算机数据采集系统 微型计算机数据采集系统的特点： 系统结构简单，容易实现、对环境的要求不高、成本低、微型计算机数据采集系统是集散型数据采集系统的一个基本组成部分、微型计算

6、机的各种I/O模块及软件都比较齐全，很容易构成系统，便于使用和维护。 传感器： 完成非电量到电量的转换过程。 传感器的种类很多，比如专门用于温度检测的金属热电阻、热敏电阻、热电偶；用于位移检测的电容传感器、电感传感器；用于压力检测的电阻应变片、压电传感器等。1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 一、 微型计算机数据采集系统 程控放大器： 用于放大和缓冲输入模拟信号。类型有测量放大器、隔离放大器、程控放大器等。1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 一、 微型计算机数据采集系统 滤波器： 滤波器的类型有低通、高通、带通滤波器。一般都采用有源滤波器。 1.3 数据采集

7、系统的结构形式数据采集系统的结构形式 一、 微型计算机数据采集系统 多路模拟开关： 实现A/D转换器的复用，以简化电路，降低成本。 多路模拟开关用在转换速率不高的场合。 由N个通道选择信号选择2N个模拟通道之一。 采样/保持器： A/D转换需要一定的时间，在这段时间内希望A/D转换器输入端的模拟信号大小不改变，以保证转换精度。 采样保持器的使用可以提高数据采集系统的采样频率。1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 一、 微型计算机数据采集系统 A/D转换器： A/D转换器是整个模拟通道部分的核心，其作用是完成模拟采样信号的量化与编码。 A/D转换器的输出可以并行或者串行送给计算机

8、。1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 一、 微型计算机数据采集系统 计算机系统及外设： 负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据做必要的处理，然后根据需要来显示和打印。 1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 一、 微型计算机数据采集系统 由若干个数据采集站和一台上位机及通信线路组成。 数据采集站：由单片机数据采集装置构成。 上位机：为微型计算机，配置有打印机和绘图机。二、集散型数据采集系统1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 通讯接口上位机数据采集站数据采集站数据采集站模拟信号和数字信号集散型数据采集系统框图 三、分布式数据采集

9、系统1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 一个分布式网络测量系统包含数据采集、数据分析和数据表示三个模块，并分别在测量节点、测量分析服务器和测量浏览器中实现 。 测量节点是能在网络中单独使用的数据采集设备。它们的形式有数据I/O模块（Field Point），或者与网络相连的高速数据采集单元，或者是连接到网络上的配置测量插卡的计算机（PXI RT）。这些测量节点可以实现数据采集功能，并具有一定的数据分析功能，可以将原始数据或分析后的数据信息发布到网络中。 1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 三、分布式数据采集系统 1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结

10、构形式 三、分布式数据采集系统 测量服务器是一台网络中的计算机，它能够管理大容量数据通道、进行数据记录和数据监控，用户也可用它们来存储数据并对测量结果进行分析处理. 测量浏览器是一台具有浏览功能的计算机，用来察看测量节点或测量服务器所发布的测量结果或经过分析的数据。传统的虚拟仪器执行 3个任务：采集、分析和显示。而分布式系统将这些任务在网上分布处理，用户可以在多方面提升测量和自动化系统的性能。 分布式数据采集系统的特点： (1)系统的适应能力强：无论是大规模的系统还是中小规模的系统，分布式系统都能够适应，可以通过选用适当数量的数据采集站来构成相应规模的系统。 (2)系统的可靠性高。由于采用多个

11、以单片机为核心的数据采集站，若某个数据采集站出现故障，只会影响某项数据的采集，而不会对系统的其它部分造成任何影响。 1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 三、分布式数据采集系统 分布式数据采集系统的特点：(3)系统的实时响应性好。由于系统中各个数据采集站之间是真正并行工作的，所以系 统的实时响应性较好。 (4)对系统硬件的要求不高。由于分布式数据采集系统采用了多机并行处理方式，所以每 一个单片机只完成数量十分有限的数据采集和处理任务，因此，它对硬件的要求不高.1.3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 三、分布式数据采集系统 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处

12、理基础 一、信号分类1、按照信号特性分：信 号确定信号随机信号周期信号非周期信号平稳随机信号非平稳随机信号谐波信号复杂周期信号准周期信号瞬态信号各态历经随机信号非各态历经随机信号连续信号非连续信号 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 一、信号分类2、按信号的纪录方法分：1) 模拟信号 2）数字信号 3) 状态信号 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 一、信号分类3、机电系统中涉及的信号： 1）几何参数，如尺寸、位置、形貌等 2）负荷类参数：力、功率、压力等 3）运动参数：位移、速度、加速度等 4）状态参数：如启、停、开、有 、无、关等 5）其他：如图像、声音、声发射

13、、温度、湿 度 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析平均功率 1、周期数字信号的幅值分析: 0T2x(t)001P=x(t) dtT有效值 0T2RMS001x=x(t) dtT平均功率 N2xii=11P =xN有效值 N2RMSii=11x=xN 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析1、周期数字信号的幅值分析: 峰值是指分析区间内出现的最大幅值，即单峰值、可以是正峰值或负峰值的绝对值。峰值反映了信号的瞬时最大作用强度。双峰值又称峰-峰值(peak-Peak)，是指正、负峰值(最小值)问的差、它不仅反映了信号的瞬时作用强度，还反映了信号幅值

14、的变化范围和偏离中心位置的情况。 峰值 nix =max(x ),i=1,2,.,N双峰值 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析2、随机数字信号的统计特征分析1) 信号的均值、方差与均方值分析 设有离散序列信号xn ， .xx,x,xxN321n(1)均方值计算 直接算法： Nxii= 11=xN 递推算法： nx1n1inixxn11)(nn1nxxn1 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析2、随机数字信号的统计特征分析1) 信号的均值、方差与均方值分析(2) 方差计算直接算法： 递推算法： 方差是样本相对于均值波动的动态分量，反映了随机信

15、号的分散程度。2xN1n2n2xN1ii2xxN1)(xN12xn21n2x1)(nxn1n1n(n) 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析2、随机数字信号的统计特征分析1) 信号的均值、方差与均方值分析（3）均方值计算直接算法： 递推算法： 随机信号的均方值反映x(t)相对零值的波动程度，是信号的动态分量。221n2xxn1n1n(n)n 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析2、随机数字信号的统计特征分析2）概率密度分析（1）基本定义：则概率密度为： 是中心值为x的小区间已知样本x(t) xTtplim0 xTxxmii=1t=t是x(t)

16、落在 xxx-,x+22区间内的时间之和。 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析2、随机数字信号的统计特征分析2）概率密度分析（1）基本定义：概率密度 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析2、随机数字信号的统计特征分析2）概率密度分析（2）数值计算方法：已知样本x(t) 则概率密度为：xNp(x)=Nxx 是中心值为x的小区间，b-ax=kxN是 落在 nxxxx-,x+22区间内的点数之和， a,b为x的取值范围，k为a,b区间的等分数。第i 点的取值范围为di-1,di， xiadi 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、

17、信号分析2、随机数字信号的统计特征分析2）概率密度分析（2）数值计算方法令： N0=满足xnd0的xn的个数 N1=满足d0 xn d1的xn的个数 N2=满足d1 xn d2的xn的个数 Ni=满足di-1 xnb的xn的个数则概率密度分布为： iiNNk1p(x)=NxNb-an 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析2、随机数字信号的统计特征分析2）概率密度分析（3）典型信号的概率密度分布 (a) 正弦波(b)正弦波加随机噪声(c)窄带随机噪声(d)宽带随机噪声 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析3、波形畸变的概念 测试中由于传感器、放

18、大器和记录系统(如示波器振子)的传递函数影响，即它们的幅频特性和相频特性的影响，或者其它干扰的影响，往往使测得的复合波形与真实波形很不一样，这中种现象叫做信号波形的畸变。 相位移引起的波形畸变实例 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析3、波形畸变的概念 （1）仪器设备特性（灵敏度、幅频特性、相频特性等）与被测量的特性要求不匹配； 1）信号畸变的原因理想实际频率幅值幅频特性影响频率输入输出理想实际灵 敏 度 影响理想实际相位相频特性影响仪器设备特性对信号的影响 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析3、波形畸变的概念 （2）仪器设备特性（灵敏度、

19、幅频特性、相频特性等）存在的固有缺陷 ；1）信号畸变的原因 输入理想实际灵 敏 度 影响理想实际频率幅值幅频特性影响理想实际频率相位相频特性影响实测实际输出时间零点飘移的影响实际实测输出时间系统噪声与振动荡的影响仪器设备特性存在的固有缺陷 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析3、波形畸变的概念 （3）测试环境影响引起的波形畸变； 温度变化、湿度变化等引起的漂移，传感器温度、湿度、辐射等引起的传感器性能变化，环境电磁场干扰引起信号波形畸变。 （4）测试系统安装引起波形畸变 连接件的固有频率、阻尼特性不满足要求，安装引起的寄生振荡、零点偏移、初始状态改变，系统接地不当引起

20、的波形畸变等。1）信号畸变的原因 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析3、波形畸变的概念（1）失真度的表示2）信号的失真度与信号畸变识别 系统输入： 系统输出： 非线性失真度： 谐波失真度： 1x(t)=A sin(w t)3)sin(wtA2)sin(wtA1sin(wtAy(t)32112322AA.AAd.AAA.AAd2322212322A0.5%|dd|10%,dAAA正常， 4.3%|dd|30%,dAAA正常。 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析3、波形畸变的概念（2） 波形畸变的识别2）信号的失真度与信号畸变识别 理论分析：

21、从物理、力学的角度，分析被测对象的特点和性能，识别信号是 否畸变； 传递函数分析：分析测试系统各个环节的传递函数，识别出哪些是干扰和畸变信息；实验观测法：多种仪器进行测试实验比较、对策是系统进行各种标定和检验，识别 波形畸变的程度及其产生的原因；被测波形与系统结构结合识别波形畸变。 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 二、信号分析3、波形畸变的概念（2） 波形畸变的识别2）信号的失真度与信号畸变识别信号畸变的实验观测法：测试系统记录与分析仪器输出输入 零输入测试法 检验系统零点、漂移、噪声、干扰等 。系统标定测试法 检验系统线性度、有效测量范围等 。 谐波输入测试法 检验系统幅频

22、特性、相频特性、噪声、干扰等。 脉冲输入测试法 检验系统传递函数、共振频率、动态特性范围等。 频谱分析法 检验系统传递函数、共振频率、动态特性范围等 。 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 1、周期信号的傅里叶级数（FS）任何一个周期为T的周期信号f(t)，都可以在区间内表示为：0nnn1f(t)=a +a cos(n t)+b sin(n t)这就是f(t)在上述区间内的三角傅里叶级数表示式，其中：11t +T0t1a =f(t)dtT11t +Tnt2a =f(t)cosntdtT11t +Tnt2b =f(t)sinntdtT令 22nnnA = a +bn

23、nnbj =arctga 则f(t)可表示成： 0nnn=1f(t)=aA cos(n t) 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 1、周期信号的傅里叶级数（FS）因为 j-j1cos=(e +e )2nA为n或频率的偶函数， n为奇函数，则上式可化成，()0n 11f(t)=a +2nj n tnAe nj(nt)jntnnnn1=A ec e2这就是f(t)在上述区间内的指数傅里叶级数表示式，其中：11t +T-jntnt1c =f(t)edtT 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 2、周期信号的频谱下面介绍十分重要的周期矩形脉冲信

24、号的频谱。在一个周期T内f(t)为：f(t)=A,-t22TTf(t)=0,-t-t2222 当当及其傅里叶级数为：jntnAsinn/2f(t)=eTn/2第n次谐波的振幅为：n2A sinn/T2AA =Sinc(n/T)Tn/TT 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 2、周期信号的频谱单脉冲矩形信号及其频谱 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 3、傅里叶变换（FT） 设信号x(t)满足x(t) dt x(t) （ 即绝 对 可 积 ）则有： -jtX()x(t)edtjt1X(t)=X()ed2通常把 叫做x(t) 的傅里叶变换

25、,x(t)叫做 的逆傅里叶变换, 也可记为： )(x)(x)(xjargX()X()= X() e 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 3、傅里叶变换（FT） 把 叫做振幅谱， 叫做相位谱。如图所示。)(X)(argX振幅谱和相位谱 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 3、傅里叶变换（FT） 傅里叶变换的性质：（1）线性特性（2）时移特性（3）频移特性（4）尺度变换特性（5）对称特性（6）卷积特性FTx(t)+y(t)X()+Y()0jt0FTx(tt )eX()0j t0FTex(t)X( )FT1x(at)X()aFTX(t)2x

26、(-)FTx(t)*y(t)X()Y()FT1x(t)y(t)X()*Y()2 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 3、傅里叶变换（FT） 典型信号的傅里叶变换：（1）单位冲激函数（2）单位阶跃函数（3）符号函数（4）单边指数（5）双边指数(t)11(t)()+j2sgntj- t1e (t) + j- t222e +（6）单位余弦ccccos t(- )+(+ )（7）单位正弦)()(sincccjt（8）矩形脉冲（门函数）sin/2(t+)-(t-)G (t)22/2（9）三角形脉冲2tsin/2f(t)=1-,t当（10）冲激序列Tnn(t-nT) (t)

27、() (-n )=2/T 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 4、序列的傅里叶变换（FT）设序列x(n)满足绝对可和的条件，即 nx(n) 则： j-j nnX (e)=x (n )e jjn-1x(n)=X(e)ed2把 叫做序列x(n) 的傅里叶变换, x(n)叫做 的逆傅里叶变换。)(jeX)(jeX 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 4、序列的傅里叶变换（FT）序列傅里叶变换的性质：（1）周期性（2）线性（3）时移与频移（4）时域卷积（5）频域卷积j-j(2M)nnX(e )x(n)ejj1212FTax (n)+bx (n

28、)=aX (e )+bX (e )000jnj0j nj(- )FTx(n-n )=eX(e )FTex(n)=X(e)设 y(n)=x(n)*h(n)， 则jjjY(e )=X(e ) H(e )设y(n)=x(n)h(n) ， 则jjj1Y(e )=H(e )*H(e )2 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 5、卷积定理（1）卷积积分设有两个函数 ，则卷积积分的定义为： )()(21txtx和1212y(t)=x (t)*x (t)x ()x (t-)d（2）时域卷积定理设 ，则1122x (t)X (f),x (t)X (f)1212x (t)*x (t)

29、X (f) X (f)（3）频域卷积定理设 ，则1122x (t)X (f),x (t)X (f)1212x (t) x (t)X (f)*X (f)（4）帕斯维尔(Parseval)定理22j-n=-1x(n)X(e ) d2帕斯维尔定理告诉我们，信号时域的总能量等于频域的总能量。 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 6、离散傅里叶变换（DFT）设x(n)是一个长度为M的有限长序列，则定义x(n)的N点离散傅里叶变换为（NM）：2N-1N-1-jnknkNNn=0n=0X(k)=DFT x(n) =x(n)e=x(n)WX(k)的离散傅里叶逆变换为：2N-1N-

30、1jnk-nkNNn=0n=011x(n)=IDFT X(k) =X(k)e=X(k)WNN 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 6、离散傅里叶变换（DFT）离散傅里叶变换的性质：（1）线性1212DFT ax (n)+bx (n) =aX (k)+bX (k)（2）序列的圆周移位一个有限长序列的圆周移位定义为：mNNx(n)=xn+mRn这里包括三层意思 ：先将进行周期延拓： Nx (n )= xn再进行移位： Nx(n+m)=xn+m最后取主值序列： mNNx (n)=xn+mRn 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 6、离散傅里

31、叶变换（DFT）离散傅里叶变换的性质：（3）时域卷积定理 N-112N1Nm=0y(n)=IDFT Y(k) =x (m)xn-mRn =x (n)设 和 均为 1x (n)2x (n)长度为N的有限长序列， 则：其中 表示作N点循环卷积。 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 6、离散傅里叶变换（DFT）离散傅里叶变换的性质：（4）线性卷积设的 长度为 ， 的长度为 ，它们线性卷积为： 1x (n)11N (0nN -1)2x (n)22N (0nN -1)1N -11212mm=0y (n)x (m)x (n-m)=x (m)x (n-m)l 1.4 数据采集信号处理基础数据采集信号处理基础 三、傅里叶变换 7、快速傅里叶变换（FFT） 对于长度为N的有限长序列x(n)，考虑其为复数序列的一般情况，对某一个k值，按照DFT公式计算X(k)值，